Windows位图（Bitmap）和调色板（Palette）

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1．位图和调色板的概念
如今Windows（3.x以及95，NT）系列已经成为决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，例如你可以在桌面上铺上你喜欢的墙纸。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的点构成的，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，下图1是一幅普通的黑白位图，图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.骷髅(左) 图2.放大后的骷髅位图(右)

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，如淡红。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。这种分级的概念被称作量化。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1千6百万种颜色。这么多颜色对于我们人眼来已经足够了。
下表是常见的一些颜色的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，就能呈现出五彩缤纷的颜色了，这样就形成了彩色图。对，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RGB的表，即是我们常说的调色板(Palette)，另一种叫法是颜色查找表LUT(LookUpTable),似乎更确切一些。Windows位图中便用到了调色板技术.其实是不光是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重要的.
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(TrueColor)。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的24次方种颜色，即调色板有2的24次方行)，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。
2．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3所示。

图3.Windows位图文件结构示意图(右)
第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER，是一个结构，其定义如下：
typedefstructtagBITMAPFILEHEADER{
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
bfReserved1，bfReserved2
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（WORD为无符号16位整数，DWORD无符号32位整数,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，离4最近的整倍数。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，我们将在打印部分详细介绍。
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2的biBitCount次方。
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2的biBitCount次方个元素）。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，图象数据就是该像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。下面就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位就可以表示该像素的颜色（一般0表示黑，1表示白），所以一个字节可以表示8个像素。
对于16色位图，用4位可以表示一个像素的颜色，所以一个字节可以表示2个像素。
对于256色位图，一个字节刚好可以表示1个像素。
对于真彩色图，三个字节才能表示1个像素。
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像素，然后是左边第二个像素…接下来是倒数第二行左边第一个像素，左边第二个像素…依次类推，最后得到的是最上面一行的最右一个像素。
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.

3．显示一个bmp文件的C程序
下面的函数LoadBmpFile，其功能是从一个.bmp文件中读取数据（包括BITMAPINFOHEADER，调色板和实际图象数据）将其存储在一个全局内存句柄hImgData中，这个hImgData将在以后的图象处理程序中用到。同时填写一个类型为HBITMAP的全局变量hBitmap和一个类型为HPALETTE的全局变量hPalette。这两个变量将在处理WM_PAINT消息时用到，用来显示出位图。该函数的两个参数分别是用来显示位图的窗口句柄，和.bmp文件名（全路径），当函数成功时，返回TRUE，否则返回FALSE.
BITMAPFILEHEADER bf;
BITMAPINFOHEADER bi;
BOOL LoadBmpFile(HWND hWnd,char* BmpFileName)
{
HFILE hf; //文件句柄
LPBITMAPINFOHEADER lpImgData; //指向BITMAPINFOHEADER结构的指针
LOGPALETTE *pPal; //指向逻辑调色板结构的指针
LPRGBQUAD lpRGB; //指向RGBQUAD结构的指针
HPALETTE hPrevPalette;//用来保存设备中原来的调色板
HDC hDc; //设备句柄
HLOCAL hPal; //存储调色板的局部内存句柄
DWORD LineBytes; //每一行的字节数
DWORD ImgSize; //实际的图象数据占用的字节数
DWORD NumColors; //实际用到的颜色数，即调色板数组中的颜色个数
DWORD i;

if((hf=_lopen(BmpFileName,OF_READ))==HFILE_ERROR){
MessageBox (hWnd,"Filec://test.bmpnotfound!","ErrorMessage",
MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);
return FALSE;//打开文件错误，返回
}
//将BITMAPFILEHEADER结构从文件中读出，填写到bf中
_lread(hf,(LPSTR)&bf,sizeof(BITMAPFILEHEADER));
//将BITMAPINFOHEADER结构从文件中读出，填写到bi中
_lread(hf,(LPSTR)&bi,sizeof(BITMAPINFOHEADER));

/*我们定义了一个宏#define WIDTHBYTES(i) ((i+31)/32*4),上面曾经提到过，每一行的字节数必须是4的整倍数，只要调用WIDTHBYTES(bi.biWidth*bi.biBitCount)就能完成这一换算.举一个例子，对于2色图，如果图象宽是31，则每一行需要31位存储，合3个字节加7位，因为字节数必须是4的整倍数，所以应该是4，而此时的biWidth=31,biBitCount=1,WIDTHBYTES(31*1)=4，和我们设想的一样。再举一个256色的例子，如果图象宽是31，则每一行需要31个字节存储，因为字节数必须是4的整倍数，所以应该是32，而此时的biWidth=31,biBitCount=8,WIDTHBYTES(31*8)=32，和我们设想的一样。你可以多举几个例子来验证一下*/
//LineBytes为每一行的字节数
LineBytes=(DWORD)WIDTHBYTES(bi.biWidth*bi.biBitCount);
//ImgSize为实际的图象数据占用的字节数
ImgSize=(DWORD)LineBytes*bi.biHeight;
//NumColors为实际用到的颜色数，即调色板数组中的颜色个数
if(bi.biClrUsed!=0)
NumColors=(DWORD)bi.biClrUsed;//如果bi.biClrUsed不为零，就是本图象实际
//用到的颜色数
else//否则，用到的颜色数为2的biBitCount次方。
switch(bi.biBitCount){
case1:
NumColors=2;
break;
case4:
NumColors=16;
break;
case8:
NumColors=256;
break;
case24:
NumColors=0;//对于真彩色图，没用到调色板
break;
default:
//不处理其它的颜色数，认为出错。
MessageBox(hWnd,"Invalidcolornumbers!","ErrorMessage",
MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);
_lclose(hf);
return FALSE;//关闭文件，返回FALSE
}
if(bf.bfOffBits!=(DWORD)(NumColors*sizeof(RGBQUAD)+sizeof(BITMAPFILEHEADER)
+sizeof(BITMAPINFOHEADER)))
{
//计算出的偏移量与实际偏移量不符，一定是颜色数出错
MessageBox(hWnd,"Invalidcolornumbers!","ErrorMessage",
MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);
_lclose(hf);
return FALSE;//关闭文件，返回FALSE
}
bf.bfSize=sizeof(BITMAPFILEHEADER)+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+NumColors
*sizeof(RGBQUAD)+ImgSize;
//分配内存，大小为BITMAPINFOHEADER结构长度加调色板+实际位图数据
if((hImgData=GlobalAlloc(GHND,(DWORD)(sizeof(BITMAPINFOHEADER)+
NumColors*sizeof(RGBQUAD)+ImgSize)))==NULL)
{
//分配内存错误
MessageBox(hWnd,"Errorallocmemory!","ErrorMessage",
MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);
_lclose(hf);
return FALSE;//关闭文件，返回FALSE
}
//指针lpImgData指向该内存区
lpImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)GlobalLock(hImgData);

//文件指针重新定位到BITMAPINFOHEADER开始处
_llseek(hf,sizeof(BITMAPFILEHEADER),SEEK_SET);
//将文件内容读入lpImgData
_hread(hf,(char*)lpImgData,(long)sizeof(BITMAPINFOHEADER)
+(long)NumColors*sizeof(RGBQUAD)+ImgSize);
_lclose(hf);//关闭文件

if(NumColors!=0) //NumColors不为零，说明用到了调色板
{
//为逻辑调色板分配局部内存，大小为逻辑调色板结构长度加NumColors个
//PALETTENTRY大小
hPal=LocalAlloc(LHND,sizeof(LOGPALETTE)+NumColors*sizeof(PALETTEENTRY));

//指针pPal指向该内存区
pPal=(LOGPALETTE*)LocalLock(hPal);

//填写逻辑调色板结构的头
pPal->palNumEntries=NumColors;
pPal->palVersion=0x300;

//lpRGB指向的是调色板开始的位置
lpRGB=(LPRGBQUAD)((LPSTR)lpImgData+(DWORD)sizeof(BITMAPINFOHEADER));

//填写每一项
for(i=0;i<NumColors;i++)
{
pPal->palPalEntry[i].peRed=lpRGB->rgbRed;
pPal->palPalEntry[i].peGreen=lpRGB->rgbGreen;
pPal->palPalEntry[i].peBlue=lpRGB->rgbBlue;
pPal->palPalEntry[i].peFlags=(BYTE)0;
lpRGB++;//指针移到下一项
}

//产生逻辑调色板，hPalette是一个全局变量
hPalette=CreatePalette(pPal);

//释放局部内存
LocalUnlock(hPal);
LocalFree(hPal);
}

//获得设备上下文句柄
hDc=GetDC(hWnd);

if(hPalette)//如果刚才产生了逻辑调色板
{
//将新的逻辑调色板选入DC，将旧的逻辑调色板句柄保存在hPrevPalette
hPrevPalette=SelectPalette(hDc,hPalette,FALSE);
RealizePalette(hDc);
}

//产生位图句柄
hBitmap=CreateDIBitmap(hDc, （LPBITMAPINFOHEADER)lpImgData,(LONG)CBM_INIT,
(LPSTR)lpImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+NumColors*sizeof(RGBQUAD),
(LPBITMAPINFO)lpImgData,DIB_RGB_COLORS);

//将原来的调色板（如果有的话）选入设备上下文句柄
if(hPalette&&hPrevPalette)
{
SelectPalette(hDc,hPrevPalette,FALSE);
RealizePalette(hDc);
}

ReleaseDC(hWnd,hDc); //释放设备上下文
GlobalUnlock(hImgData); //解锁内存区
Return TRUE; //成功返回
}

上面的程序中，要说明的有两点：
第一，对于需要调色板的图，要想正确的显示，必须根据.bmp文件，产生逻辑调色板。产生的方法是：1.为逻辑调色板指针分配内存，大小为逻辑调色板结构（LOGPALETTE）长度加NumColors个PALETTENTRY大小。（调色板的每一项都是一个PALETTEENTRY结构），2.填写逻辑调色板结构的头pPal->palNumEntries=NumColors;pPal->palVersion=0x300;3.从文件中读取调色板的RGB值，填写到每一项中。4，产生逻辑调色板：hPalette=CreatePalette(pPal)
第二，产生位图（BITMAP）句柄，该项工作由函数CreateDIBitmap来完成。hBitmap=CreateDIBitmap(hDc,LPBITMAPINFOHEADER)lpImgData,(LONG)CBM_INIT, (LPSTR)lpImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+NumColors*sizeof(RGBQUAD), (LPBITMAPINFO)lpImgData,DIB_RGB_COLORS); CreateDIBitmap的作用是产生一个和Windows设备无关的位图。该函数的第一项参数为设备上下文句柄，如果位图用到了调色板，要在调用CreateDIBitmap之前将逻辑调色板选入该设备上下文中，产生hBitmap后，再把原调色板选入该设备上下文中，并释放该上下文；第二项为指向BITMAPINFOHEADER的指针；第三项就用常量CBM_INI，不用考虑；第四项为指向调色板的指针；第五项为指向BITMAPINFO（包括BITMAPINFOHEADER,调色板,及实际的图象数据）的指针；第六项就用常量DIB_RGB_COLORS，不用考虑。
上面提到了设备上下文，相信编过Windows程序的读者对它并不陌生，这里再简单的介绍一下。Windows操作系统统一管理着诸如显示，打印等操作，将它们看作是一个个的设备，每一个设备都有一个复杂的数据结构来维护。所谓设备上下文就是指这个数据结构。然而，我们不能直接和这些设备上下文打交道，只能通过引用标识它的句柄（实际上是一个整数），让Windows去做相应的处理。产生的逻辑调色板句柄hPalette和位图句柄hBitmap要在处理WM_PAINT消息时使用，这样才能在屏幕上显示出来，处理过程如下面的程序。

StaticHDC hDC,hMemDC;
PAINTSTRUCT ps;

case WM_PAINT:
{
hDC=BeginPaint(hwnd,&ps);//获得屏幕设备上下文
if(hBitmap)//hBitmap一开始是NULL，当不为NULL时表示有图
{
hMemDC=CreateCompatibleDC(hDC);//建立一个内存设备上下文
if(hPalette)//有调色板
{
//将调色板选入屏幕设备上下文
SelectPalette(hDC,hPalette,FALSE);
//将调色板选入内存设备上下文
SelectPalette(hMemDC,hpalette,FALSE);
RealizePalette(hDC);
}
//将位图选入内存设备上下文
SelectObject(hMemDC,hBitmap);
//显示位图
BitBlt(hDC,0,0,bi.biWidth,bi.biHeight,hMemDC,0,0,SRCCOPY);
//释放内存设备上下文
DeleteDC(hMemDC);
}
//释放屏幕设备上下文
EndPaint(hwnd,&ps);
break;
}

在上面的程序中，我们调用CreateCompatibleDC创建一个内存设备上下文。SelectObject函数将于设备无关的位图选入内存设备上下文中。然后我们调用BitBlt函数在内存设备上下文和屏幕设备上下文中进行位拷贝。由于所有操作都是在内存中进行，所以是最快的。
BitBlt函数的参数分别为：1.目标设备上下文，在上面的程序里，为屏幕设备上下文，如果改成打印设备上下文，就不是显示位图，而是打印；2.目标矩形左上角点x坐标；3.目标矩形左上角点y坐标，在上面的程序中，2和3为（0，0），表示显示在窗口的左上角；4.目标矩形的宽度；5.目标矩形的高度；6.源设备上下文，在上面的程序里，为内存设备上下文；7.源矩形左上角点x坐标；8.源矩形左上角点y坐标；9.操作方式，在这里为SRCCOPY，表示直接将源矩形拷贝到目标矩形。还可以是反色，擦除，做"与"运算等操作，具体细节见VC++帮助。你可以试着改改第2，3，4，5，7，8，9项参数，就能体会到它们的含义了。
终于讲完了。是不是觉得有点枯燥？这一讲是有点儿枯燥，特别是当你对Windows的编程并不很清楚时，就更觉得如此。不过，当一幅漂亮的bmp图显示在屏幕上时，你还是会兴奋的大叫"Yeah"，至少当年我是这样。

最后，再介绍一个命令行编译的窍门。为什么要用命令行编译呢？主要有两个好处：
第一，不用进入IDE（集成开发环境），节省了时间，而且编译速度也比较快。
第二，对于简单的程序，不用生成项目文件.mdp或.mak，直接就能生成.exe文件，这一点，在下面的例子中可以看到。
在安装VisualC++完毕时，在bin目录下会产生一个VCVARS32.BAT文件，它的作用是在命令行编译时设置正确的环境变量，如存放头文件的INCLUDE目录，存放库文件的LIB目录等，如果你没找到这个批处理文件，可以参考下面的例子，自己做一个批处理。

@echo off
set MSDevDir=d:/MSDEV
set VcOsDir=WIN95
set PATH="%MSDevDir%/BIN";"%MSDevDir%/BIN/%VcOsDir%";"%PATH%"
set INCLUDE=%MSDevDir%/INCLUDE;%MSDevDir%/MFC/INCLUDE;%INCLUDE%
set LIB=%MSDevDir%/LIB;%MSDevDir%/MFC/LIB;%LIB%
set VcOsDir=

只要把上面的"d:/MSDEV"改成你自己的VC目录就可以了。在DOSPROMPT下执行该批处理文件，执行set命令，你就能看到新设置的环境变量了。如下所示:
PATH=D:/MSDEV/BIN;D:/MSDEV/BIN/WIN95;C:/WIN95;C:/WIN95/COMMAND;C:/WIN95/SYSTEM;
INCLUDE=d:/msdev/INCLUDE;d:/msdev/MFC/INCLUDE;
LIB=d:/msdev/LIB;d:/msdev/MFC/LIB;
现在我们就可以进行命令行编译了。（当然，你也可以使用IDE，先new一个project，然后把.c和.rc文件插入到project中，编译运行。）
首先编译资源文件，输入rc bmp.rc，将生成bmp.res文件，接着输入cl bmp.c bmp.res user32.lib gdi32.lib，就生成bmp.exe了。可以看到，我们并没有用到项目文件，所以，对于这种简单的程序来说，使用命令行编译还是非常方便的。好了，运行bmp.exe，欣赏一下你今天的劳动成果。

注意事项：
命令行编译过程如下:
vcvars32
rc bmp.rc
cl bmp.c bmp.res user32.lib gdi32.lib