[C++][Windows]BMP格式

        BMP是英文Bitmap（位图）的简写，它是Windows操作系统中的标准图像文件格式，能够被多种Windows应用程序所支持。随着Windows操作系统的流行与丰富的Windows应用程序的开发，BMP位图格式理所当然地被广泛应用。这种格式的特点是包含的图像信息较丰富，几乎不进行压缩，但由此导致了它与生俱生来的缺点--占用磁盘空间过大。所以，目前BMP在单机上比较流行。

1格式分析

1.1简介

BMP(Bitmap-File）图形文件是Windows采用的图形文件格式，在Windows环境下运行的所有图象处理软件都支持BMP图象文件格式。Windows系统内部各图像绘制操作都是以BMP为基础的。Windows 3.0以前的BMP图文件格式与显示设备有关，因此把这种BMP图象文件格式称为设备相关位图DDB(device-dependent bitmap）文件格式。Windows 3.0以后的BMP图象文件与显示设备无关，因此把这种BMP图象文件格式称为设备无关位图DIB(device-independent bitmap）格式（注：Windows 3.0以后，在系统中仍然存在DDB位图，象BitBlt（）这种函数就是基于DDB位图的，只不过如果你想将图像以BMP格式保存到磁盘文件中时，微软极力推荐你以DIB格式保存），目的是为了让Windows能够在任何类型的显示设备上显示所存储的图象。BMP位图文件默认的文件扩展名是BMP或者bmp（有时它也会以.DIB或.RLE作扩展名）。

1.2 文件结构

位图文件可看成由4个部分组成：位图文件头（bitmap-file header）、位图信息头（bitmap-information header）、彩色表（color table）和定义位图的字节(位图数据，即图像数据，Data Bits 或Data Body)阵列，它具有如下所示的形式。
位图文件的组成
结构名称 　符 号
位图文件头 (bitmap-file header) BITMAPFILEHEADER bmfh
位图信息头 (bitmap-information header) BITMAPINFOHEADER bmih
彩色表　 (color table) RGBQUAD aColors[]
图象数据阵列字节 BYTE aBitmapBits[]
位图文件结构可综合在表6-01中。
表01位图文件结构内容摘要
偏移量　域的名称 　大小 　内容
图象文件头
0000h 文件标识 2 bytes 两字节的内容用来识别位图的类型：
‘BM’ ：Windows 3.1x,95,NT，…
‘BA’ ：OS/2 Bitmap Array
‘CI’ ：OS/2 Color Icon
‘CP’ ：OS/2 Color Pointer
‘IC’ ：OS/2 Icon
‘PT’ ：OS/2 Pointer
注：因为OS/2系统并没有被普及开，所以在编程时，你只需判断第一个标识“BM”就行。
0002h File Size 1 dword 用字节表示的整个文件的大小
0006h Reserved 1 dword 保留，必须设置为0
000Ah Bitmap Data Offset 1 dword 从文件开始到位图数据开始之间的数据（bitmap data）之间的偏移量
[1]图象信息头
000Eh Bitmap Header Size 1 dword位图信息头（Bitmap Info Header）的长度，用来描述位图的颜色、压缩方法等。下面的长度表示：
28h - Windows 3.1x,95,NT，…
0Ch - OS/2 1.x
F0h - OS/2 2.x[1]
注：在Windows95、98、2000等操作系统中，位图信息头的长度并不一定是28h，因为微软已经制定出了新的BMP文件格式，其中的信息头结构变化比较大，长度加长。所以最好不要直接使用常数28h，而是应该从具体的文件中读取这个值。这样才能确保程序的兼容性。
0012h Width 1 dword位图的宽度，以象素为单位
0016h Height 1 dword位图的高度，以象素为单位
001Ah Planes 1 word位图的位面数（注：该值将总是1）
001Ch Bits Per Pixel 1 word 每个象素的位数
1 - 单色位图（实际上可有两种颜色，缺省情况下是黑色和白色。你可以自己定义这两种颜色）
4 - 16 色位图
8 - 256 色位图
16 - 16bit 高彩色位图
24 - 24bit真彩色位图
32 - 32bit 增强型真彩色位图
001Eh Compression 1 dword 压缩说明：
0 - 不压缩 （使用BI_RGB表示）
1 - RLE 8-使用8位RLE压缩方式（用BI_RLE8表示）
2 - RLE 4-使用4位RLE压缩方式（用BI_RLE4表示）
3 - Bitfields-位域存放方式（用BI_BITFIELDS表示）
0022h Bitmap Data Size 1 dword 用字节数表示的位图数据的大小。该数必须是4的倍数
0026h HResolution 1 dword 用象素/米表示的水平分辨率
002Ah VResolution 1 dword 用象素/米表示的垂直分辨率
002Eh Colors 1 dword位图使用的颜色数。如8-比特/象素表示为100h或者 256.
0032h Important Colors 1 dword 指定重要的颜色数。当该域的值等于颜色数时（或者等于0时），表示所有颜色都一样重要
调色板数据 根据BMP版本的不同而不同 Palette N * 4 byte 调色板规范。对于调色板中的每个表项，这4个字节用下述方法来描述RGB的值：1字节用于蓝色分量
1字节用于绿色分量
1字节用于红色分量
1字节用于填充符（设置为0)

图象数据 根据BMP版本及调色板尺寸的不同而不同 Bitmap Data xxx bytes 该域的大小取决于压缩方法及图像的尺寸和图像的位深度，它包含所有的位图数据字节，这些数据可能是彩色调色板的索引号，也可能是实际的RGB值，这将根据图像信息头中的位深度值来决定。

2构件详解

2.1位图文件头

位图文件头包含有关于文件类型、文件大小、存放位置等信息，在Windows 3.0以上版本的位图文件中用BITMAPFILEHEADER结构来定义：
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER { /* bmfh */
UINT bfType;
DWORD bfSize;
UINT bfReserved1;
UINT bfReserved2;
DWORD bfOffBits;
} BITMAPFILEHEADER;
其中：
bfType
说明文件的类型.（该值必需是0x4D42，也就是字符'BM'。我们不需要判断OS/2的位图标识，这么做看来似乎已经没有什么意义了，而且如果要支持OS/2的位图，程序将变得很繁琐。所以，在此只建议你检察'BM'标识）
注意：查ascii表B 0x42,M0x4d,bfType为两个字节，B为low字节，M为high字节所以bfType=0x4D42，而不是0x424D，但注意
bfSize
说明文件的大小，用字节为单位
bfReserved1
保留，必须设置为0
bfReserved2
保留，必须设置为0
bfOffBits

说明从文件头开始到实际的图象数据之间的字节的偏移量。这个参数是非常有用的，因为位图信息头和调色板的长度会根据不同情况而变化，所以你可以用这个偏移值迅速的从文件中读取到位数据。

2.2位图信息

位图信息用BITMAPINFO结构来定义，它由位图信息头（bitmap-information header）和彩色表（color table）组成，前者用BITMAPINFOHEADER结构定义，后者用RGBQUAD结构定义。BITMAPINFO结构具有如下形式：
typedef struct tagBITMAPINFO { /* bmi */
BITMAPINFOHEADER bmiHeader;
RGBQUAD bmiColors[1];
} BITMAPINFO;
其中：
bmiHeader
说明BITMAPINFOHEADER结构，其中包含了有关位图的尺寸及位格式等信息
bmiColors
说明彩色表RGBQUAD结构的阵列，其中包含索引图像的真实RGB值。
BITMAPINFOHEADER结构包含有位图文件的大小、压缩类型和颜色格式，其结构定义为：
typedef struct tagBITMAPINFOHEADER { /* bmih */
DWORD biSize;
LONG biWidth;
LONG biHeight;
WORD biPlanes;
WORD biBitCount;
DWORD biCompression;
DWORD biSizeImage;
LONG biXPelsPerMeter;
LONG biYPelsPerMeter;
DWORD biClrUsed;
DWORD biClrImportant;
} BITMAPINFOHEADER;
其中：
biSize
说明BITMAPINFOHEADER结构所需要的字数。注：这个值并不一定是BITMAPINFOHEADER结构的尺寸，它也可能是sizeof(BITMAPV4HEADER）的值，或是sizeof(BITMAPV5HEADER）的值。这要根据该位图文件的格式版本来决定，不过，就现在的情况来看，绝大多数的BMP图像都是BITMAPINFOHEADER结构的（可能是后两者太新的缘故吧:-）。
biWidth
说明图象的宽度，以象素为单位
biHeight
说明图象的高度，以象素为单位。注：这个值除了用于描述图像的高度之外，它还有另一个用处，就是指明该图像是倒向的位图，还是正向的位图。如果该值是一个正数，说明图像是倒向的，如果该值是一个负数，则说明图像是正向的。大多数的BMP文件都是倒向的位图，也就是时，高度值是一个正数。（注：当高度值是一个负数时（正向图像），图像将不能被压缩（也就是说biCompression成员将不能是BI_RLE8或BI_RLE4）。
biPlanes
为目标设备说明位面数，其值将总是被设为1
biBitCount
说明比特数/象素，其值为1、4、8、16、24、或32
biCompression
说明图象数据压缩的类型。其值可以是下述值之一：
BI_RGB：没有压缩；
BI_RLE8：每个象素8比特的RLE压缩编码，压缩格式由2字节组成（重复象素计数和颜色索引）；
BI_RLE4：每个象素4比特的RLE压缩编码，压缩格式由2字节组成
BI_BITFIELDS：每个象素的比特由指定的掩码决定。
biSizeImage
说明图象的大小，以字节为单位。当用BI_RGB格式时，可设置为0
biXPelsPerMeter
说明水平分辨率，用象素/米表示
biYPelsPerMeter
说明垂直分辨率，用象素/米表示
biClrUsed
说明位图实际使用的彩色表中的颜色索引数（设为0的话，则说明使用所有调色板项）
biClrImportant
说明对图象显示有重要影响的颜色索引的数目，如果是0，表示都重要。

现就BITMAPINFOHEADER结构作如下说明：

2.3彩色表定位

应用程序可使用存储在biSize成员中的信息来查找在BITMAPINFO结构中的彩色表，如下所示：
pColor = ((LPSTR) pBitmapInfo + (WORD) (pBitmapInfo->bmiHeader.biSize))
biBitCount


biBitCount=1 表示位图最多有两种颜色，缺省情况下是黑色和白色，你也可以自己定义这两种颜色。图像信息头装调色板中将有两个调色板项，称为索引0和索引1。图象数据阵列中的每一位表示一个象素。如果一个位是0，显示时就使用索引0的RGB值，如果位是1，则使用索引1的RGB值。
biBitCount=4 表示位图最多有16种颜色。每个象素用4位表示，并用这4位作为彩色表的表项来查找该象素的颜色。例如，如果位图中的第一个字节为0x1F，它表示有两个象素，第一象素的颜色就在彩色表的第2表项中查找，而第二个象素的颜色就在彩色表的第16表项中查找。此时，调色板中缺省情况下会有16个RGB项。对应于索引0到索引15。
biBitCount=8 表示位图最多有256种颜色。每个象素用8位表示，并用这8位作为彩色表的表项来查找该象素的颜色。例如，如果位图中的第一个字节为0x1F，这个象素的颜色就在彩色表的第32表项中查找。此时，缺省情况下，调色板中会有256个RGB项，对应于索引0到索引255。
biBitCount=16 表示位图最多有65536种颜色。每个色素用16位（2个字节）表示。这种格式叫作高彩色，或叫增强型16位色，或64K色。它的情况比较复杂，当biCompression成员的值是BI_RGB时，它没有调色板。16位中，最低的5位表示蓝色分量，中间的5位表示绿色分量，高的5位表示红色分量，一共占用了15位，最高的一位保留，设为0。这种格式也被称作555 16位位图。如果biCompression成员的值是BI_BITFIELDS，那么情况就复杂了，首先是原来调色板的位置被三个DWORD变量占据，称为红、绿、蓝掩码。分别用于描述红、绿、蓝分量在16位中所占的位置。在Windows 95（或98）中，系统可接受两种格式的位域：555和565，在555格式下，红、绿、蓝的掩码分别是：0x7C00、0x03E0、0x001F，而在565格式下，它们则分别为：0xF800、0x07E0、0x001F。你在读取一个像素之后，可以分别用掩码“与”上像素值，从而提取出想要的颜色分量（当然还要再经过适当的左右移操作）。在NT系统中，则没有格式限制，只不过要求掩码之间不能有重叠。（注：这种格式的图像使用起来是比较麻烦的，不过因为它的显示效果接近于真彩，而图像数据又比真彩图像小的多，所以，它更多的被用于游戏软件）。
biBitCount=24 表示位图最多有1670万种颜色。这种位图没有调色板（bmiColors成员尺寸为0），在位数组中，每3个字节代表一个象素，分别对应于颜色R、G、B。
biBitCount=32 表示位图最多有4294967296(2的32次方）种颜色。这种位图的结构与16位位图结构非常类似，当biCompression成员的值是BI_RGB时，它也没有调色板，32位中有24位用于存放RGB值，顺序是：最高位—保留，红8位、绿8位、蓝8位。这种格式也被成为888 32位图。如果 biCompression成员的值是BI_BITFIELDS时，原来调色板的位置将被三个DWORD变量占据，成为红、绿、蓝掩码，分别用于描述红、绿、蓝分量在32位中所占的位置。在Windows 95(or 98）中，系统只接受888格式，也就是说三个掩码的值将只能是：0xFF0000、0xFF00、0xFF。而在NT系统中，你只要注意使掩码之间不产生重叠就行。（注：这种图像格式比较规整，因为它是DWORD对齐的，所以在内存中进行图像处理时可进行汇编级的代码优化（简单））。

3概念

如今Windows(3.x以及95，98，NT）系列已经成为绝大多数用户使用的操作系统，它比DOS成功的一个重要因素是它可视化的漂亮界面。那么Windows是如何显示图象的呢？这就要谈到位图（bitmap）。
我们知道，普通的显示器屏幕是由许许多多点构成的，我们称之为象素。显示时采用扫描的方法：电子枪每次从左到右扫描一行，为每个象素着色，然后从上到下这样扫描若干行，就扫过了一屏。为了防止闪烁，每秒要重复上述过程几十次。例如我们常说的屏幕分辨率为640×480，刷新频率为70Hz，意思是说每行要扫描640个象素，一共有480行，每秒重复扫描屏幕70次。
我们称这种显示器为位映象设备。所谓位映象，就是指一个二维的象素矩阵，而位图就是采用位映象方法显示和存储的图象。举个例子，图1.1是一幅普通的黑白位图，图1.2是被放大后的图，图中每个方格代表了一个象素。我们可以看到：整个骷髅就是由这样一些黑点和白点组成的。
图1.1 骷髅
图1.2 放大后的骷髅位图
那么，彩色图是怎么回事呢？
我们先来说说三元色RGB概念。
我们知道，自然界中的所有颜色都可以由红、绿、蓝（R，G，B）组合而成。有的颜色含有红色成分多一些，如深红；有的含有红色成分少一些，如浅红。针对含有红色成分的多少，可以分成0到255共256个等级，0级表示不含红色成分；255级表示含有100%的红色成分。同样，绿色和蓝色也被分成256级。这种分级概念称为量化。
这样，根据红、绿、蓝各种不同的组合我们就能表示出256×256×256，约1600万种颜色。这么多颜色对于我们人眼来说已经足够丰富了。
表1.1 常见颜色的RGB组合值
颜色
         R         G       B
红     255     0        0
蓝     0          0        255
绿     0          255   0
黄     255     255    0
紫     255     0         255
青     0          255    255
白     255     255    255
黑     0          0         0

灰     128      128    128

你大概已经明白了，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2种颜色，即调色板有2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。

4颜色阵列

有关RGB三色空间我想大家都很熟悉，这里我想说的是在Windows下，RGB颜色阵列存储的格式其实BGR。也就是说，对于24位的RGB位图像素数据格式是：
蓝色B值
绿色G值
红色R值
对于32位的RGB位图像素数据格式是：
蓝色B值
绿色G值
红色R值
透明通道A值
透明通道也称Alpha通道，该值是该像素点的透明属性，取值在0（全透明）到255（不透明）之间。对于24位的图像来说，因为没有Alpha通道，故整个图像都不透明。

5加载文件

加载文件的目的是要得到图片属性，以及RGB数据，然后可以将其绘制在DC上（GDI），或是生成纹理对象（3D:OpenGL/Direct3D）。这两种用途在数据处理上有点区别，我们主要按前一种用法讲，在和3D有不同的地方，我们再提出来。

5.1加载代码

//Load the file header
BITMAPFILEHEADER header;
memset(&header,0,sizeof(header));
inf.read((char*)&header,sizeof(header));
if(header.bfType != 0x4D42)
return false;
这个很简单，没有什么好说的。
位图信息


//Load the image information header
BITMAPINFOHEADER infoheader;
memset(&infoheader,0,sizeof(infoheader));
inf.read((char*)&infoheader,sizeof(infoheader));
m_iImageWidth = infoheader.biWidth;
m_iImageHeight = infoheader.biHeight;
m_iBitsPerPixel = infoheader.biBitCount;
这里我们得到了3各重要的图形属性：宽，高，以及每个像素颜色所占用的位数。
行对齐


由于Windows在进行行扫描的时候最小的单位为4个字节，所以当
图片宽 X 每个像素的字节数 ！= 4的整数倍
时要在每行的后面补上缺少的字节，以0填充（一般来说当图像宽度为2的幂时不需要对齐）。位图文件里的数据在写入的时候已经进行了行对齐，也就是说加载的时候不需要再做行对齐。但是这样一来图片数据的长度就不是：宽 X 高 X 每个像素的字节数了，我们需要通过下面的方法计算正确的数据长度：
//Calculate the image data size
int iLineByteCnt = (((m_iImageWidth*m_iBitsPerPixel) + 3) >> 2) << 2;
m_iImageDataSize = iLineByteCnt * m_iImageHeight;
图片数据


对于24位和32位的位图文件，位图数据的偏移量为sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER），也就是说我们可以直接读取图像数据了。
if(m_pImageData) delete []m_pImageData;
m_pImageData = new unsigned char[m_iImageDataSize];
inf.read((char*)m_pImageData,m_iImageDataSize);
如果你足够细心，就会发现内存m_pImageData里的数据的确是BGR格式，可以用个纯蓝色或者是纯红色的图片测试一下。
绘制


好了，数据和属性我们都有了，就可以拿来随便用了，就和吃馒头一样，爱粘白糖粘白糖，爱粘红糖粘红糖。下面是我的GDI绘制代码，仅作参考。
void CImage::DrawImage(HDC hdc,int iLeft,int iTop,int iWidth,int iHeight)
{
if(!hdc || m_pImageData == NULL)
return;
BITMAPINFO bmi;
memset(&bmi,0,sizeof(bmi));
bmi.bmiHeader.biSize = sizeof(BITMAPINFO);
bmi.bmiHeader.biWidth = m_iImageWidth;
bmi.bmiHeader.biHeight = m_iImageHeight;
bmi.bmiHeader.biPlanes = 1;
bmi.bmiHeader.biBitCount = m_iBitsPerPixel;
bmi.bmiHeader.biCompression = BI_RGB;
bmi.bmiHeader.biSizeImage = m_iImageDataSize;
StretchDIBits(hdc,iLeft,iTop,iWidth,iHeight,
0,0,m_iImageWidth,m_iImageHeight,
m_pImageData,&bmi,DIB_RGB_COLORS,SRCCOPY);
}
不同之处


如果你是想用刚才我们得到的数据生成纹理对象，那么你还要请出下面的问题。
首先，用来生成纹理的数据不需要对齐，也就是说不能在每行的后面加上对齐的字节。当然在OpenGL里要求纹理图片的尺寸为2的幂，所以这个问题实际上不存在；
其次，我们得到的图形数据格式是BGR(BGRA），所以在生成纹理的时候，需指定格式为GL_BGR_EXT(GL_BGRA_EXT）；否则需要做BGR->RGB(BGRA->RGBA）的转化。