0. BMP格式介绍

根据百度百科对BMP的定义，我们知道BMP是Bitmap（位图）的简称，是Windows操作系统中的标准图像文件格式。其特点是由于几乎不进行压缩，所以包含的图像信息较丰富，但同时也到之占用的磁盘空间较大。

1 文件格式

位图文件由4个部分组成：

1. 位图头文件（bitmap-file header)
2. 位图信息头（bitmap-information header)
3. 颜色表（color table)：使用索引来表示图像，此时颜色表就是索引与其对应的颜色之间的映射表（即通过索引值，结合颜色表，找到对应的像素信息）
4. 位图数据（data bits)

上述不同的部分，有不同的数据结构，下面分别介绍前面3个部分的数据结构。

2 位图头文件

 本文，以上图来分析BMP图像的文件格式。在分析图像数据之前，需要强调的是BMP文件中，数据的存储方式为小端方式（little endian)，即假设一个数据需要多个字节来表示，那么数据的存放字节的顺序为“低地址存放地位数据，高地址存放高位数据”。在十六进制中，一个数字占4位，因此每个字节可以存储2个十六进制数字。

因此，对于数据0x1756在内存中的存储顺序为：

 位图头文件的结构体定义如下：

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER 
{  
    UINT16 bfType;    // 19778，必须是BM字符串，对应的十六进制为0x4d42,十进制为19778，否则不是bmp格式文件
    DWORD bfSize; // 文件大小 以字节为单位(2-5字节)
    UINT16 bfReserved1; // 保留，必须设置为0 (6-7字节)
    UINT16 bfReserved2; // 保留，必须设置为0 (8-9字节)
    DWORD bfOffBits;    // 从文件头到像素数据的偏移  (10-13字节)
} BITMAPFILEHEADER;

 在VScode中，可以通过安装hexdump插件来以二进制的形式查看BMP图像数据。

 对照结构体和文件数据可以看到：

0-1 ： 0x4d42='BM'，表示这是Windows支持的位图格式

2-5 ： 0x000088EA表示文件大小

6-9 : 保留段，为0

A-D : 0x00000436=1078，表示从文件头到位图数据需要偏移1078个字节

【注意】利用fopen打开文件，得到文件句柄读取相应的数据时，存在一个问题就是结构体内存对齐。这个会使得后续数据的读取出现错误。

何为内存对齐具体可以参考文章：结构体成员在内存中的对齐方式

上述问题的具体表现可以通过如下的代码进行实现：

#include <stdio.h>

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER 
{  
    unsigned short bfType;    // 19778，必须是BM字符串，对应的十六进制为0x4d42,十进制为19778，否则不是bmp格式文件(0-4)
    int bfSize; // 文件大小 以字节为单位(2-5字节)                                                               (4-8)
    unsigned short bfReserved1; // 保留，必须设置为0 (6-7字节)                                                          (8-10)
    unsigned short bfReserved2; // 保留，必须设置为0 (8-9字节)                                                          (10-12)
    int bfOffBits;    // 从文件头到像素数据的偏移  (10-13字节)                                                (12-16)
} BITMAPFILEHEADER;

int main(int argc, char* argv[])
{
    printf("sizeof(BITMAPFILEHEADER) = %lu\n", sizeof(BITMAPFILEHEADER));
    return 0;
}

// sizeof(BITMAPFILEHEADER) = 16

那么如何关闭结构体的内存对齐 ，有两种方式：添加预处理指令 #pragma pack(1) 或者 __attribute__ ((packed))。这两种方式的区别在于：

• #pragma pack(1)预处理指令，是关闭整个文件的内存对齐模式
• __attribute__ ((packed))指令，则是针对指定的结构体

#include <stdio.h>

// #pragma pack(1)

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER 
{  
    unsigned short bfType;    // 19778，必须是BM字符串，对应的十六进制为0x4d42,十进制为19778，否则不是bmp格式文件(0-4)
    int bfSize; // 文件大小 以字节为单位(2-5字节)                                                               (4-8)
    unsigned short bfReserved1; // 保留，必须设置为0 (6-7字节)                                                          (8-10)
    unsigned short bfReserved2; // 保留，必须设置为0 (8-9字节)                                                          (10-12)
    int bfOffBits;    // 从文件头到像素数据的偏移  (10-13字节)                                                (12-16)
}__attribute__ ((packed)) BITMAPFILEHEADER;

int main(int argc, char* argv[])
{
    printf("sizeof(BITMAPFILEHEADER) = %lu\n", sizeof(BITMAPFILEHEADER));
    return 0;
}

// sizeof(BITMAPFILEHEADER) = 14

3 位图信息头

位图信息头的结构体定义如下：

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER
{
    unsigned int    biSize;          // 此结构体的大小 (14-17字节)
    long            biWidth;         // 图像的宽  (18-21字节)
    long            biHeight;        // 图像的高  (22-25字节)
    unsigned short  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 (26-27字节)
    unsigned short  biBitCount;      // 一像素所占的位数，一般为24   (28-29字节)
    unsigned int    biCompression;   // 说明图象数据压缩的类型，0为不压缩。 (30-33字节)
    unsigned int    biSizeImage;     // 像素数据所占大小, 这个值应该等于上面文件头结构中bfSize-bfOffBits (34-37字节)
    long            biXPelsPerMeter; // 说明水平分辨率，用象素/米表示。一般为0 (38-41字节)
    long            biYPelsPerMeter; // 说明垂直分辨率，用象素/米表示。一般为0 (42-45字节)
    unsigned int    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）。 (46-49字节)
    unsigned int    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。(50-53字节)
} BITMAPINFOHEADER;

 4 颜色表

颜色表本质上是一个查询表，通过颜色序号来查询对应的颜色。在文件中的布局类似一个二维数组palette[N][4]. 其中4个元素分别表示对应的B，G，R和Alpha的值，每个分量占一个字节。N一般等于256。

一共有256种颜色，每个颜色占用4个字节，就是一共1024个字节，再加上前面的文件信息头和位图信息头的54个字节加起来一共是1078个字节。

5. 位图数据

位图数据中，每个像素占一个字节，以该字节的数作为颜色索引去颜色表查询相应的颜色，并将其显示出来即可。

6. 参考链接

C实现BMP转JPG 附源码_等jzy的博客-CSDN博客_c语言bmp转jpg

用c、cpp实现位图(BMP)读入写出的思路及细节 - et3_tsy - 博客园 (cnblogs.com)

C语言实现BMP图像的读写功能_C 语言_脚本之家 (jb51.net)

利用C语言读取BMP文件 - 知乎 (zhihu.com)

BMP文件格式详解（BMP file format） - 姚伟峰 - 博客园 (cnblogs.com)

结构体成员在内存中的对齐方式 – My Code

BMP图像编码

BMP即bitmap，也就是位图，一般由4部分组成：文件头信息块、图像描述信息块、颜色表（在真彩色模式无颜色表）和图像数据区。

在图像数据之前，如图所示，共有54位数据

其中，0x424d在十进制为19778，对应的ASCII码为BM，表示这是个bitmap文件。

在C语言中，short类型为16位，即2字节；int为4字节。考虑到BMP格式的文件头中，每个信息基本都是2字节的倍数，故而用int和short便可描述出bmp格式的文件头。

文件信息头[14 bytes]存储着文件类型，文件大小等信息

// 文件信息头结构体
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER{
    unsigned short bfType;		//必为'BM'
    unsigned int   bfSize;		//文件字节数(2-5)
    unsigned int bfReserved;    //位图文件保留字，必为0(6-9)
    unsigned int   bfOffBits;   //像素数据偏移 (10-13)
} bmpHeader;

接下来的40bytes存储图像的尺寸，颜色索引，位平面数等信息

#define uint unsigned int
#define ushort unsigned short
//图像信息头结构体
typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
    uint    biSize;          // 结构体尺寸 (14-17)
    int     biWidth;         // 图像宽度  (18-21)
    int     biHeight;        // 图像高度  (22-25)
    ushort  biPlanes;        // 目标设备的级别，为1(26-27)
    ushort  biBitCount;      // 像素位数，为1、4、8或24(28-29)
    uint    biCompression;   // 位图压缩类型，0为不压缩、1为BI_RLE8、2为BI_RLE4(30-33)
    uint    biSizeImage;     // 单像素数据大小,等于bfSize-bfOffBits (34-37)
    int     biXPelsPerMeter; // 水平分辨率，一般为0 (38-41)
    int     biYPelsPerMeter; // 垂直分辨率，一般为0 (42-45)
    uint    biClrUsed;       // 位图颜色表中的颜色数，0表示使用所有调色板项(46-49)
    uint    biClrImportant;  // 重要颜色索引的数目，0表示都重要(50-53)
} infoHeader;

在54位的文件头之后，如果需要的话，bmp文件可存放调色板信息，对于rgb图像来说，可以如下

//24位图像素信息结构体,即调色板
typedef struct _PixelInfo {
    unsigned char rgbBlue;   //蓝色分量  (0-255)
    unsigned char rgbGreen;  //绿色分量  (0-255)
    unsigned char rgbRed;    //红色分量  (0-255)
    unsigned char rgbReserved;// 保留，必须为0
} PixelInfo;

颜色表中RGBQUAD结构数据的个数由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。

位图信息头和颜色表组成位图信息，BITMAPINFO结构定义如下:

typedef struct tagBITMAPINFO {
BITMAPINFOHEADER bmiHeader; // 位图信息头
RGBQUAD bmiColors[1];       // 颜色表
} bmpInfo;

颜色表接下来为图像数据区，存储每个像素对应的颜色号，单像素点颜色号的位长度与图像类型有关

由此可知，理想情况下图像数据区的字节数为$\mathsf{b}\mathsf{i}\mathsf{W}\mathsf{i}\mathsf{d}\mathsf{t}\mathsf{h}\times \mathsf{b}\mathsf{i}\mathsf{H}\mathsf{e}\mathsf{i}\mathsf{g}\mathsf{h}\mathsf{t}\times \mathsf{b}\mathsf{i}\mathsf{B}\mathsf{i}\mathsf{t}\mathsf{C}\mathsf{o}\mathsf{u}\mathsf{n}\mathsf{t}/8$。

但是，由于BMP以字节为单位，按行存储图片的数据，也就是说每一行必须为字节数。而对于16色以及2色图像而言，当每行像素个数为奇数时，则必然导致出现空位，从而实际所占存储空间要大于上述计算值。

读取BMP文件

读取文件之后第一件事即判断我们读取的是否为BMP图像，即

//判断是否是位图,在0-1字节 
int IsBitMap(FILE *fp){
	ushort s;
	fread(&s,1,2,fp);
    return s==BM ? 1 : 0;
} 

其中，fread命令表示读取文件fp，并将读取到的内容存储在s中。1表示要读取的数据的大小，2表示将要读取的元素的个数。由前文可知，位图的文件类型必须是BM，十六进制下0x4d42,十进制为19778。

然后需要得到图像的宽度和高度，从而确定数据区的范围

//获得图片的宽度,在18-21字节 
int getWidth(FILE *fp){
	int width;
	fseek(fp,18,SEEK_SET);
	fread(&width,1,4,fp);
	return width;	
}
 
//获得图片的高度 ，在22-25字节 
int getHeight(FILE *fp){
	int height;
	fseek(fp,22,SEEK_SET);
	fread(&height,1,4,fp);
	return height;	
}  

其中，fseek可以为fp提供一个偏移量，SEEK_SET表示从文件的开头进行移动。由上文可知，图片高度所在位置是第22个字节。

若想读取其他信息，以此类推即可。

//test.c
#include<stdio.h>
#include<malloc.h>

#define BM 19778		// 位图的标志
#define PATH "1.bmp"  	//打开的文件路径 
#define ushort unsigned short
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char

//判断是否是位图,在0-1字节 
int IsBitMap(FILE *fp){
	ushort s;
	fread(&s,1,2,fp);
    return s==BM ? 1 : 0;
} 
 
//获得图片的宽度,在18-21字节 
int getWidth(FILE *fp){
	int width;
	fseek(fp,18,SEEK_SET);
	fread(&width,1,4,fp);
	return width;	
}
 
//获得图片的高度 ，在22-25字节 
int getHeight(FILE *fp){
	int height;
	fseek(fp,22,SEEK_SET);
	fread(&height,1,4,fp);
	return height;	
}  
 
//获得每个像素的位数,在28-29字节 
ushort getBit(FILE *fp)
{
	ushort bit;
	fseek(fp,28,SEEK_SET);
	fread(&bit,1,2,fp);
	return bit;
} 
 
//获得数据的起始位置，在10-13字节
uint getOffSet(FILE *fp){
	uint OffSet;
	fseek(fp,10L,SEEK_SET);
	fread(&OffSet,1,4,fp);
	return OffSet;
}
 

int main(){
	int width,height;
	FILE *fp=fopen(PATH,"r");
	uchar *r,*g,*b;
	int i,j;
	r=(uchar *)malloc(4000);
	b=(uchar *)malloc(4000);
	g=(uchar *)malloc(4000);
	
	if(!IsBitMap(fp)){
		printf("format error!\n");
		fclose(fp);
		return 0; 
    }

    printf("this file is a bitmap picture\n");
	printf("width = %ld\nheight = %ld\n",getWidth(fp),getHeight(fp));
	printf("bit size = %d bit\n",getBit(fp));
	printf("OffSet = %d\n",getOffSet(fp));
	
	return 0;
}

验证

> gcc .\test.c
> .\a.exe     
this file is a bitmap picture
width = 3840
height = 2160
bit size = 24 bit
OffSet = 138