位图BITMAP（1）

winston

如今Windows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。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	255	0
绿	0	0	255
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。二、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。
第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER，是一个结构，其定义如下：

2. Typedef   struct   
3. tagBITMAPFILEHEADER{
4. WORD   bfType;
5. DWORD   bfSize;
6. WORD   
7. bfReserved1;
8. WORD   bfReserved2;
9. DWORD   bfOffBits;
10. }   
11. BITMAPFILEHEADER;

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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：

2. typedef   struct   
3. tagBITMAPINFOHEADER{
4. DWORD   biSize;
5. LONG   biWidth;
6. LONG   
7. biHeight;
8. WORD   biPlanes;
9. WORD   biBitCount;
10. DWORD   biCompression;
12. DWORD   biSizeImage;
13. LONG   biXPelsPerMeter;
14. LONG   biYPelsPerMeter;
16. DWORD   biClrUsed;
17. DWORD   biClrImportant;
18. }   BITMAPINFOHEADER;

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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）,16（伪真彩色），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。
（1）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。
（2）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。
（3）对于256色位图，一个字节刚好可以表示1个像素。
（4）对于高彩色位图，2个字节表示1个像素，表示方式有565（RGB），4444（RGBA）555（RGB，最高一位保留），对于存储来说需要适当的移位操作，5位表示8位可以表示的颜色，这样就会有失真，但是这样的失真对于人的视觉来说，影响非常小，所以在游戏，应用软件，以及图形处理等领域用的比较多，虽然用起来比较复杂，这样就相当于取近似值，26/256(2的8次方)（R）是大约百分之10的红，同样表示大约百分之10的红还可以用3/32(2的5次方)(R)。
（5）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。
3. 位图每个像素占用的位数和位图的色彩数不一样，不要搞混。