图像处理学习之路 -- 认识BMP
因为公司的主要业务是图像识别相关的，因此对图像处理、识别是我学习的重点。虽然写程序也不少年了，但是对于图像处理领域，我还是一个新兵。对很多基础的概念也还是存在盲区，所以想在边学边做的过程中，对一些概念的梳理和学习心得进行记录。
BMP文件格式
BMP(Bitmap-File)图形文件，又叫位图文件，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。一个BMP文件由四部分组成：
- 位图文件头
- 位图信息段
- 调色板
- 位图数据
一个BMP文件，可以用代码表示，如下：
typedef struct tagBITMAP_FILE{
BITMAPFILEHEADER bitmapheader;
BITMAPINFOHEADER bitmapinfoheader;
PALETTEENTRY palette[256];
UCHAR *buffer; //UCHAR 大小1字节(同BYTE), 在VC6下
} BITMAP_FILE;
1、 BMP文件头：BITMAPFILEHEADER
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER { // bmfh
WORD bfType;
DWORD bfSize;
WORD bfReserved1;
WORD bfReserved2;
DWORD bfOffBits;
} BITMAPFILEHEADER;
| bfType | 说明文件的类型，该值必需是0x4D42，也就是字符'BM'，否则表示根本不是BMP |
| bfSize | 说明该位图文件的大小，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。 |
下面用Notepad++打开一个BMP文件：
（测试BMP文件）
这里：
bfType：0X040d（BM）
bfSize：0X0004a436 == 304182字节 == 297K字节，说明这个位图文件的大小为297K字节，和我看到的符合：
跳过4字节的保留字节，
bfOffBits：0X00000036 == 54字节
2、位图信息段：BITMAPINFOHEADER
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;
| biSize | 说明BITMAPINFOHEADER结构所需要的字节数 |
| 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，即：数据的第一行其实是图像的最后一行，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。 |
| biPlanes | 表示bmp图片的平面属，显然显示器只有一个平面，所以恒等于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，其中：
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。 BI_JPEG：JPEG格式 |
| 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。 |
biSize：位图信息段结构BITMAPINFOHEADER的字节数 0x00000028 ==40字节
biWidth：352像素；
biHeight：288像素；
和图片信息相符：
biPlanes：1
biBitCount ：24位图
biCompression：没有压缩；
biSizeImage：0x4a400 == 304128字节 ，当用BI_RGB格式时，可设置为0，为什么这里是304128呢？这里的304128是怎么出来的呢？
原来biSizeImage = biWidth*biHeight*每个像素的字节数
那么我们这里应该是：352*288*24/8 = 304128。（我们这里的位数/像素为24，所以每个像素的字节数为3）
注：这里的biWidth必须是4的倍数，如果不是4的倍数，则需要取4的倍数，比如241，则取244；为什么必须是4的倍数？这里涉及到一个行对齐的问题：
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
biXPelsPerMeter：0x00000000
biYPelsPerMeter：0x00000000
biClrUsed：0x00000000 使用所有调色板项
biClrImportant：00000000
3、调色板
上面这张BMP图片是否有调色板呢？答案是否定的。
因为从bfOffBits = 54字节可以看出，刚好是sizeof（BITMAPFILEHEADER ）+sizeof（BITMAPINFOHEADER）；
那么究竟调色板是什么东西？有什么用？为什么我们这种图片不带调试板呢？
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。
表1.1 常见颜色的RGB组合值
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。
让我们举例说明什么是调色板？为什么需要调色板？
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。调色板在windows里的结构定义如下：
typedef struct tagPALETTEENTRY { // pe
BYTE peRed;
BYTE peGreen;
BYTE peBlue;
BYTE peFlags;
} PALETTEENTRY;
那么为什么我们这张BMP不带调色板呢？
是因为我们这张BMP是24位真彩色的BMP，所谓真彩色图（true color），就是它的颜色数高达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。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256×256×256种颜色，即调色板有256×256×256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。
这么看来BMP文件不能一概而论了，其是否用调色板或者是RGB掩码，位图数据中的数据的真正含义直接与biBitCount 有关，不同类型的位图，其中的设计原理也不同，下面对此作一个对比：
4、位图数据
上面基本把调色板及相关取色策略梳理清楚了，接着回到我们上面的例子。24位BMP图，每3个字节表示一个像素，3个字节分别表示R、G、B的分量值
这里每3个字节表示一个像素的颜色，注意：由于位图信息头中的图像高度是正数，所以位图数据在文件中的排列顺序是从左下角到右上角，以行为主序排列的。
参考了BMP文件格式详解（BMP file format）的学习思路，对BMP格式进行了梳理和学习。
参考资源：
