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  • 数字图像处理学习1

    当一幅图中每个象素赋予不同的RGB值时,能呈现出五彩缤纷的颜色了,这样就形成了彩色图。的确是这样的,但实际上的做法还有些差别。

    让我们来看看下面的例子。

    有一个长宽各为200个象素,颜色数为16色的彩色图,每一个象素都用R、G、B三个分量表示。因为每个分量有256个级别,要用8位(bit),即一个字节(byte)来表示,所以每个象素需要用3个字节。整个图象要用200×200×3,约120k字节,可不是一个小数目呀!如果我们用下面的方法,就能省的多。

    因为是一个16色图,也就是说这幅图中最多只有16种颜色,我们可以用一个表:表中的每一行记录一种颜色的R、G、B值。这样当我们表示一个象素的颜色时,只需要指出该颜色是在第几行,即该颜色在表中的索引值。举个例子,如果表的第0行为(255,0,0)(红色),那么当某个象素为红色时,只需要标明0即可。

    让我们再来计算一下:16种状态可以用4位(bit)表示,所以一个象素要用半个字节。整个图象要用200×200×0.5,约20k字节,再加上表占用的字节为3×16=48字节.整个占用的字节数约为前面的1/6,省很多吧?

    这张R、G、B的表,就是我们常说的调色板(Palette),另一种叫法是颜色查找表LUT(Look Up Table),似乎更确切一些。Windows位图中便用到了调色板技术。其实不光是Windows位图,许多图象文件格式如pcx、tif、gif等都用到了。所以很好地掌握调色板的概念是十分有用的。

    有一种图,它的颜色数高达256×256×256种,也就是说包含我们上述提到的R、G、B颜色表示方法中所有的颜色,这种图叫做真彩色图(true color)。真彩色图并不是说一幅图包含了所有的颜色,而是说它具有显示所有颜色的能力,即最多可以包含所有的颜色。表示真彩色图时,每个象素直接用R、G、B三个分量字节表示,而不采用调色板技术。原因很明显:如果用调色板,表示一个象素也要用24位,这是因为每种颜色的索引要用24位(因为总共有224种颜色,即调色板有224行),和直接用R,G,B三个分量表示用的字节数一样,不但没有任何便宜,还要加上一个256×256×256×3个字节的大调色板。所以真彩色图直接用R、G、B三个分量表示,它又叫做24位色图。

    bmp文件格式

    介绍完位图和调色板的概念,下面就让我们来看一看Windows的位图文件(.bmp文件)的格式是什么样子的。

    bmp文件大体上分成四个部分,如图1.3所示。

    位图文件头BITMAPFILEHEADER

    位图信息头BITMAPINFOHEADER

    调色板Palette

    实际的位图数据ImageDate

    1.3     Windows位图文件结构示意图

    第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER,是一个结构,其定义如下:

    typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {

    WORD           bfType;

    DWORD       bfSize;

    WORD           bfReserved1;

    WORD           bfReserved2;

    DWORD     bfOffBits;

    } BITMAPFILEHEADER;

    这个结构的长度是固定的,为14个字节(WORD为无符号16位整数,DWORD为无符号32位整数),各个域的说明如下:

    bfType

    指定文件类型,必须是0x424D,即字符串“BM”,也就是说所有.bmp文件的头两个字节都是“BM”。

    bfSize

    指定文件大小,包括这14个字节。

    bfReserved1bfReserved2     

    为保留字,不用考虑

    bfOffBits

    为从文件头到实际的位图数据的偏移字节数,即图1.3中前三个部分的长度之和。

    第二部分为位图信息头BITMAPINFOHEADER,也是一个结构,其定义如下:

    typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{

    DWORD  biSize;

    LONG            biWidth;

    LONG            biHeight;

    WORD           biPlanes;

    WORD           biBitCount

    DWORD  biCompression;

    DWORD  biSizeImage;

    LONG            biXPelsPerMeter;

    LONG            biYPelsPerMeter;

    DWORD  biClrUsed;

    DWORD  biClrImportant;

    } BITMAPINFOHEADER;

    这个结构的长度是固定的,为40个字节(LONG为32位整数),各个域的说明如下:

    biSize

    指定这个结构的长度,为40。

    biWidth

    指定图象的宽度,单位是象素。

    biHeight

    指定图象的高度,单位是象素。

    biPlanes

    必须是1,不用考虑。

    biBitCount

    指定表示颜色时要用到的位数,常用的值为1(黑白二色图), 4(16色图), 8(256色), 24(真彩色图)(新的.bmp格式支持32位色,这里就不做讨论了)。

    biCompression

    指定位图是否压缩,有效的值为BI_RGB,BI_RLE8,BI_RLE4,BI_BITFIELDS(都是一些Windows定义好的常量)。要说明的是,Windows位图可以采用RLE4,和RLE8的压缩格式,但用的不多。我们今后所讨论的只有第一种不压缩的情况,即biCompression为BI_RGB的情况。

    biSizeImage

    指定实际的位图数据占用的字节数,其实也可以从以下的公式中计算出来:

    biSizeImage=biWidth’ × biHeight

    要注意的是:上述公式中的biWidth’必须是4的整倍数(所以不是biWidth,而是biWidth’,表示大于或等于biWidth的,最接近4的整倍数。举个例子,如果biWidth=240,则biWidth’=240;如果biWidth=241,biWidth’=244)。

    如果biCompression为BI_RGB,则该项可能为零

    biXPelsPerMeter

    指定目标设备的水平分辨率,单位是每米的象素个数,关于分辨率的概念,我们将在第4章详细介绍。

    biYPelsPerMeter

    指定目标设备的垂直分辨率,单位同上。

    biClrUsed

    指定本图象实际用到的颜色数,如果该值为零,则用到的颜色数为2biBitCount

    biClrImportant

    指定本图象中重要的颜色数,如果该值为零,则认为所有的颜色都是重要的。

    第三部分为调色板Palette,当然,这里是对那些需要调色板的位图文件而言的。有些位图,如真彩色图,前面已经讲过,是不需要调色板的,BITMAPINFOHEADER后直接是位图数据。

    调色板实际上是一个数组,共有biClrUsed个元素(如果该值为零,则有2biBitCount个元素)。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构,占4个字节,其定义如下:

    typedef struct tagRGBQUAD {

    BYTE    rgbBlue; //该颜色的蓝色分量

    BYTE    rgbGreen; //该颜色的绿色分量

    BYTE    rgbRed; //该颜色的红色分量

    BYTE    rgbReserved; //保留值

    } RGBQUAD;

    第四部分就是实际的图象数据了。对于用到调色板的位图,图象数据就是该象素颜在调色板中的索引值。对于真彩色图,图象数据就是实际的R、G、B值。下面针对2色、16色、256色位图和真彩色位图分别介绍。

    对于2色位图,用1位就可以表示该象素的颜色(一般0表示黑,1表示白),所以一个字节可以表示8个象素。

    对于16色位图,用4位可以表示一个象素的颜色,所以一个字节可以表示2个象素。

    对于256色位图,一个字节刚好可以表示1个象素。

    对于真彩色图,三个字节才能表示1个象素,哇,好费空间呀!没办法,谁叫你想让图的颜色显得更亮丽呢,有得必有失嘛。

    要注意两点:

    (1)    每一行的字节数必须是4的整倍数,如果不是,则需要补齐。这在前面介绍biSizeImage时已经提到了。

    (2)    一般来说,.bMP文件的数据从下到上,从左到右的。也就是说,从文件中最先读到的是图象最下面一行的左边第一个象素,然后是左边第二个象素……接下来是倒数第二行左边第一个象素,左边第二个象素……依次类推 ,最后得到的是最上面一行的最右一个象素。

    好了,终于介绍完bmp文件结构了,是不是觉得头有些大?别着急,对照着下面的程序,你就会很清楚了(我最爱看源程序了,呵呵)。

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