BMP文件格式解析
作者：水木子
文章目录
一、图像概述
1.1 位图
位图
（
Bitmap
），又称
栅格图
（英语：
Raster graphics
）或
点阵图
，是使用像素阵列来表示的图像。 —-维基百科
简单地说，位图就是由一个一个像素点构成的图像。常见的图像格式有jpg(jpeg)、png、bmp都是位图。
1.2 矢量图
矢量图形是计算机图形学中用点、直线或者多边形等基于数学方程的几何图元表示图像。
—-维基百科
矢量图与位图不同，它不是由一个一个像素点构成的，它的实质是数学表达式。svg格式文件是矢量图。
1.3 位图与矢量图的区别
位图与矢量图最明显的区别是：
位图放大会出现马赛克，画质变差；矢量图可以在不降低画质的条件下无限放大。
图像来源：维基百科
图中a表示原图像。若a为矢量图，则放大红框中图像时，效果如b，可以看见图像质量并没有下降；如果a是位图，则放大红框中图像时，效果如c，可以明显看见有一个一个小方格，图像质量明显下降。
1.4 如何表示像素点的颜色
选择一张位图，在PS中放大到3200%，如下所见：
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-MESatFy9-1573204554252)(img/image-20191102143341677.png)]](https://img-blog.csdnimg.cn/20191108171721229.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMjYxMjUx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
可以很明显得看见一个一个的小方块，这就是像素点。
一个像素点有特定的位置和颜色值。每个像素的颜色由RGB组合或灰度值表示。
本小节重点介绍如何表示颜色。
根据位深度，可以将位图分为1、4、8、16、24及32位图像等。这里的位深度是指用于表示像素点颜色的比特位个数。如果一个像素点由一个比特位表示颜色，那么其位深度为1，如果一个像素点由四个比特位表示颜色，则其位深度为4，依次类推。
-
如果一张图片的像素点由
1个比特位
来表示颜色，则这个比特位为0或1，则可以表示2
1
种颜色，即黑与白，则这张照片是纯粹的黑白照片。
-
如果一张图片的像素点由
8个比特位
来表示颜色，则这八个比特位共可以表示2
8
种颜色，即256。这种图像
通常
（有例外,下面会讲）称为
灰度图
，因为这256种颜色是黑白灰（这里的灰是指244种不同程度的灰）。如下为灰度图：![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-XND0Cdem-1573204554252)(img/grey8.bmp)]](https://img-blog.csdnimg.cn/20191108171751436.bmp)
-
如果一张图片的像素点由
24个比特位
来表示颜色，则这24个比特位共可以表示2
24
种颜色，即有1600万个以上的颜色。这种图像称为
真彩色图
。这24个比特位以8位分为三个通道，分别表示红、绿、蓝。这就是RGB颜色编码方式，用红、绿、蓝三原色的光学强度来表示一种颜色。这是最常见的位图编码方法，可以直接用于屏幕显示。
二、BMP文件格式
2.1 BMP简介
BMP
取自位图Bitmap的缩写，也称为DIB（与设备无关的位图），是一种独立于显示器的
位图
数字图像文件格式。常见于微软视窗和OS/2操作系统。 —-维基百科
BMP格式就是表示位图的格式。
BMP格式图像中的像素点，其位深度可以是1，4，8，24，32，但常见的BMP位深度还是8和24。
选择一张BMP图像，右键打开属性 –> 详细信息，可以查看其位深度。
当BMP文件位深度为8时，并不一定代表这张图片为灰度图，如下：
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Mo8accMD-1573204554254)(img/swift8.bmp)]](https://img-blog.csdnimg.cn/20191108171811766.bmp?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMjYxMjUx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
这张图片的位深度为8，但其并不是灰度图，我们称之为
伪彩色图
。
下面这张图是位深度为24的真彩色图，可以作为对比：
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wwYgzFde-1573204554258)(img/swift24.bmp)]](https://img-blog.csdnimg.cn/20191108171823174.bmp?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMjYxMjUx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
可以看出真彩色图的质量明显高于伪彩色图。
2.2 BMP文件格式组成
BMP文件由以下四部分组成：
- 位图文件头（BITMAPFILEHEADER)
- 位图信息头（BITMAPINFOHEADER)
- 颜色表*（RGBQUAD[])
- 像素阵列（Pixels[][])
由于颜色表并不一定存在，故加
*
说明。
下面先将各部分的信息简单说明一下：
2.2.1 位图文件头
用于描述整个bmp文件的情况，具体包括BMP文件的类型、文件大小和位图起始位置等信息。
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER{
WORD bfType; // 位图文件的类型，必须为BMP (2个字节)
DWORD bfSize; // 位图文件的大小，以字节为单位 (4个字节)
WORD bfReserved1; // 位图文件保留字，必须为0 (2个字节)
WORD bfReserved2; // 位图文件保留字，必须为0 (2个字节)
DWORD bfOffBits; // 位图数据的起始位置，以相对于位图 (4个字节)
} BITMAPFILEHEADER;
位图文件头总共有
14个字节
。
2.2.2 位图信息头
用于描述位图的尺寸等信息。
typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
DWORD biSize; // 本结构所占用字节数 (4个字节)
LONG biWidth; // 位图的宽度，以像素为单位(4个字节)
LONG biHeight; // 位图的高度，以像素为单位(4个字节)
WORD biPlanes; // 目标设备的级别，必须为1(2个字节)
WORD biBitCount; // 每个像素所需的位数，必须是1(双色)、// 4(16色)、8(256色)、
//24(真彩色)或32(增强真彩色)之一 (2个字节)
DWORD biCompression; // 位图压缩类型，必须是 0(不压缩)、 1(BI_RLE8
// 压缩类型)或2(BI_RLE4压缩类型)之一 ) (4个字节)
DWORD biSizeImage; // 位图的大小，以字节为单位(4个字节)
LONG biXPelsPerMeter; // 位图水平分辨率，每米像素数(4个字节)
LONG biYPelsPerMeter; // 位图垂直分辨率，每米像素数(4个字节)
DWORD biClrUsed; // 位图实际使用的颜色表中的颜色数(4个字节)
DWORD biClrImportant; // 位图显示过程中重要的颜色数(4个字节)
} BITMAPINFOHEADER;
位图信息头一共有
40个字节
。
2.2.3 颜色表
用于说明位图中的颜色，它有若干个表项，每一个表项是一个RGBQUAD类型的结构，定义一种颜色。
typedef struct tagRGBQUAD
{
BYTE rgbBlue; // 蓝色的亮度(值范围为0-255)
BYTE rgbGreen; // 绿色的亮度(值范围为0-255)
BYTE rgbRed; // 红色的亮度(值范围为0-255)
BYTE rgbReserved; // 保留，必须为0
} RGBQUAD;
可以看到一个RGB表项为
4个字节
。
颜色表中RGBQUAD结构数据的个数由位图信息头中的
biBitCount
来确定：
- 当biBitCount=1, 4, 8时，分别有2, 16，256个表项
- 当biBitCount=24时，没有颜色表项
2.2.4 像素阵列
l记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是从左到右，扫描行之间是从下到上。位图的一个像素值所占的字节数如下：
-
当biBitCount=1时，8个像素占1个字节;
-
当biBitCount=4时，2个像素占1个字节;
-
当biBitCount=8时，1个像素占1个字节;
-
当biBitCount=24时，1个像素占3个字节，分别是R、G、B;
Windows规定一个扫描行所占的字节数必须是4的倍数(即以long为单位)，不足的以0填充。
三、实例解析BMP文件格式
用notepad++打开grey8.bmp文件，选择插件 –> HEX-Editor –> View in HEX，如果没有可自行选择插件管理进行安装，最终界面如下：
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-MYsNmSvS-1573204554260)(img/image-20191102154654330.png)]](https://img-blog.csdnimg.cn/20191108171851722.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMjYxMjUx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
这是以十六进制的形式显示图像信息，一个十六进制数字占4个比特位，故一行表示十六个字节。
在对BMP文件进行具体解析前，我们还要先了解一下数据的存放顺序：
在BMP文件中，如果一个数据需要用几个字节来表示的话，那么该数据的存放字节顺序为“低地址存放低位数据，高地址存放高位数据”。如数据0x1756在内存中的存储顺序为：
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-NSD9dSVY-1573204554262)(img/bmp_5.png)]](https://img-blog.csdnimg.cn/20191108171906292.png)
这种存储方式称为小端方式(little endian) , 与之相反的是大端方式（big endian）。
3.1 位图文件头
下图红框中为位图文件头：
-
头两个字节（0，1）表示位图文件的类型，即
0x4d42
表示类型，为BMP，这与
DUMP中的头两个字节表示的符号BM一致
。 -
后面的四个字节（2，3，4，5）表示位图文件的大小，即
0x0000c436
表示位图文件大小，换算为十进制为50230，我们打开grey8.bmp的属性，发现其大小确为50230字节：
位图文件的大小，即bfSize的值需要如何计算呢？
bf
S
i
z
e
=
位
图
文
件
头
的
大
小
（
14
字
节
）
+
位
图
信
息
头
的
大
小
（
40
字
节
）
+
颜
色
表
项
∗
4
字
节
+
图
像
的
宽
度
∗
高
度
∗
位
深
度
/
8
（
字
节
）
bfSize=位图文件头的大小（14字节）+位图信息头的大小（40字节）\\+颜色表项*4字节+图像的宽度*高度*位深度/8（字节）
b
f
S
i
z
e
=
位
图
文
件
头
的
大
小
（
1
4
字
节
）
+
位
图
信
息
头
的
大
小
（
4
0
字
节
）
+
颜
色
表
项
∗
4
字
节
+
图
像
的
宽
度
∗
高
度
∗
位
深
度
/
8
（
字
节
）
我们打开grey8.bmp的属性，点击详细信息，可以看到grey8.bmp的大小为256×192像素，位深度为8，又因为其位深度为8，故其颜色表项有256项（每项占据4字节），故grey8.bmp的大小为：
bf
S
i
z
e
=
14
+
40
+
256
∗
4
+
256
∗
192
∗
8
/
8
=
50230
(
字
节
)
bfSize=14+40+256*4+256*192*8/8=50230(字节)
b
f
S
i
z
e
=
1
4
+
4
0
+
2
5
6
∗
4
+
2
5
6
∗
1
9
2
∗
8
/
8
=
5
0
2
3
0
(
字
节
)
-
再后面的两个字节（6，7）是位图文件保留字1，必须为0，即为0x0000。
-
再后面的两个字节（8，9）是位图文件保留字2，必须为0，即为0x0000。
-
最后的四个字节（a,b,c,d）是位图数据的起始位置，其值为0x00000436，换算为十进制为1078。这个表示的是从文件开始到像素阵列之间的字节数，即其大小为：位图文件头（14字节）+位图信息头（40字节）+[256个表项*4字节]，因为颜色表项并不一定存在，故用
[]
括起来。在grey8.bmp图像中存在颜色表，故位图数据的起始值为1078。
3.2 位图信息头
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7pzsYKPp-1573204554264)(img/BITMAPINFOHEADER .png)]](https://img-blog.csdnimg.cn/20191108172042957.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMjYxMjUx,size_16,color_FFFFFF,t_70)
-
头四个字节（第一行的e,f，第二行的0,1)表示位图信息头所占用的字节数，即为0x00000028，换算为十进制是40；
-
后四个字节（第二行的2，3，4，5）为位图的以像素为单位的宽度，即0x00000100，换算为十进制为256，与实际相符。
-
后四个字节（第二行的6，7，8，9）为位图的以像素为单位的高度，即0x000000c0，换算为十进制为192，与实际相符。
-
后两个字节（第二行的a,b）为目标设备的级别，必须为1，其值为0x0001，相符。
-
后两个字节（第二行的c,d）为每个像素所需的位数，其值为0x0008，与实际的位深度相一致。
-
后四个字节（第二行的e,f，第三行的0，1）表示位图的压缩类型，其值为0x00000000，即不压缩。
-
后四个字节（第三行的2，3，4，5）为位图的大小，以字节为单位，其值为0x0000c000，换算为十进制为49152，其实就是计算像素阵列的大小，计算方式为：
bi
S
i
z
e
I
m
a
g
e
=
图
像
的
宽
度
∗
高
度
∗
位
深
度
/
8
biSizeImage=图像的宽度*高度*位深度/8
b
i
S
i
z
e
I
m
a
g
e
=
图
像
的
宽
度
∗
高
度
∗
位
深
度
/
8
在grey8.bmp图像中
bi
S
i
z
e
I
m
a
g
e
=
256
∗
192
∗
8
/
8
=
49152
biSizeImage=256*192*8/8=49152
b
i
S
i
z
e
I
m
a
g
e
=
2
5
6
∗
1
9
2
∗
8
/
8
=
4
9
1
5
2
-
后四个字节（第三行的6，7，8，9）表示位图的水平分辨率，其值为0x00002e23。
-
后四个字节（第三行的a,b,c,d）表示位图的垂直分辨率，其值为0x00002e23。
-
后四个字节（第三行的e,f，第四行的0，1）表示位图实际使用的颜色表中的颜色数，其值为0x00000000，一般置为0。
-
最后的四个字节（第四行的2，3，4，5）表示位图显示过程中重要的颜色数，其值为0x00000000，一般置为0。
3.3 颜色表
当位深度为24时，没有颜色表，位图信息头紧接着就是像素阵列；
当位深度不为24时，有颜色表，并且有2
位深度
个颜色表项，每个表项占据4个字节。
在如下图的黄框中，共有256个颜色表项，共由256*4个字节（只显示了一部分）：
由于每个颜色表项为4个字节，因此我们以4个字节为单位划分为一个个的颜色表项，即一个黑框。
由于grey8.bmp是灰度图，因此其颜色表项是由规律可循的。
在颜色表项内部，RGB三个分量相等，第4个分量为0；在整个颜色表中，颜色表项的前三个分量数值由0到255依次递增1。其实，rgb(0,0,0)代表黑色，rgb(255,255,255)代表白色，rgb(x,x,x)（x不等于0或255，x为0到255之间的整数)代表不同程度的灰色。
当BMP文件为伪彩色图时，其位深度是8位，但并没有规律可循。比如第一个颜色表项是rgb(1,22,3,0)，第二个颜色表项是rgb(10,89,90,0)，依次类推。这些颜色并不是黑白灰，而是会显示出其他颜色，但是，最多只能显示256种颜色，远远不如真彩色图的1600万多种颜色，因此这类图像叫做伪彩色图。
3.4 像素阵列
颜色表（或位图信息头）后就是像素阵列，在本例中，位深度为8，故一个字节就代表一个像素点。那如何确定这个像素点的颜色呢？一个字节表示的范围为[0,255]，这下你该明白了吧！根据这个字节的值找到相应的颜色表项，这个颜色表项所对应的颜色就是这个像素的颜色。对于有颜色表的BMP，其运作方式就是如此。
对于真彩色图，其位深度为24，一个像素就自然而然地对应着R、G、B三个颜色分量，故不需要颜色表了，并且，对于真彩色图，如果有颜色表，那么其有1600万多个颜色表项，整个文件将会非常庞大。
三、代码实验
3.1 实验环境
- 操作系统：Windows 10
- 编译器：Dev-cpp，Visual Studio 2017
3.2 实验内容
将以下grey8_test.bmp灰度图的颜色表项修改为随机值，将原灰度图变为伪彩色图。
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-fPGLoDqK-1573204554267)(img/grey8_test-1572943023710.bmp "grey8_test.bmp")]](https://img-blog.csdnimg.cn/20191108172109924.bmp)
3.3 其他信息
BITMAPFILEHEADER、BITMAPINFOHEADER、RGBQUAD 这三个结构体在
windows.h
中都有定义
3.4 关键代码
因为代码都有详细注释，故在此处不再详细说明。
- 读取相关信息：
BITMAPFILEHEADER *fileHeader;
BITMAPINFOHEADER *infoHeader;
//为位图文件头、位图信息头指针分配空间
fileHeader = (BITMAPFILEHEADER *)malloc(sizeof(BITMAPFILEHEADER));
infoHeader = (BITMAPINFOHEADER *)malloc(sizeof(BITMAPINFOHEADER));
//读取灰度图src的位图文件头、位图信息头信息
fread(fileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, src);
fread(infoHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, src);
//为颜色表指针分配空间
RGBQUAD *rgb = (RGBQUAD *)malloc(sizeof(RGBQUAD) * 256);
//读取颜色表项
fread(rgb, sizeof(RGBQUAD), 256, src);
- 利用随机数函数修改颜色表项
//修改颜色表项的RGB三分量的值
srand((unsigned)time(NULL));
for (int i = 0; i < 256; i++) {
rgb[i].rgbBlue = rand() % 255;
rgb[i].rgbGreen = rand() % 255;
rgb[i].rgbRed = rand() % 255;
}
- 将读取到的信息写入目标文件
//将位图文件头、位图信息头、颜色表写入目标文件
fwrite(fileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, target);
fwrite(infoHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, target);
fwrite(rgb, sizeof(RGBQUAD), 256, target);
- 读取像素信息并写入，注意四字节对齐
//读取灰度图像的像素
unsigned char *ch;
ch = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char));
for (int i = 0; i < height; i++)
{
for (int j = 0; j < ((width + 3) / 4) * 4; j++)
{
fread(ch, sizeof(unsigned char), 1, src);
fwrite(ch, sizeof(unsigned char), 1, target);
}
}
3.5 注意点！！！
-
以二进制形式打开文件！！！！！！！
- 注意一行的像素所占的字节数是4的倍数。读文件时，要多读取后面补充的0字节；写文件时，也要多写需要填充的0字节。否则可能会出现图像错乱的现象。
3.6 结果
利用我们的程序，生成了以下图片，还挺漂亮的！
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-CPtn37fu-1573204554269)(img/1.bmp)][外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-eTnc5MNE-1573204554271)(img/2.bmp)][外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7PEO2f0U-1573204554273)(img/3.bmp)]](https://img-blog.csdnimg.cn/20191108172133208.bmp)
![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PMaqaxgH-1573204554275)(img/4.bmp)][外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7bQn5VRs-1573204554277)(img/5.bmp)][外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-oMHLZ8xG-1573204554281)(img/pseudo.bmp)]](https://img-blog.csdnimg.cn/20191108172141499.bmp)
3.7 完整代码
四、扩展实验
- 编写C/C++程序，读取一个24位真彩色BMP文件，然后转化为灰色图像，最后存储为8位伪彩色BMP文件。
- 编写C/C++程序，读取一个8位伪彩色BMP文件，转化为24位真彩色BMP文件，最后存储。
备注：从RGB到灰度图的转换公式：Gray = R*0.299 + G*0.587 + B*0.114
五、参考资料
[1]
https://www.cnblogs.com/Matrix_Yao/archive/2009/12/02/1615295.html
[2] 多媒体基础课程相关资料
[3] 维基百科关于“位图”、“矢量图”、“BMP格式”的介绍