BMP文件处理（C语言实现）

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模拟信号到数字信号是一个神奇的过程。

前言

本系列文章（DIP，Digital Image Processing），用于记录总结数字图像处理课程的实验内容。目录请参考DIP系列文章

题目要求

  1. 24位图像对R,G,B三个分量进行分离，产生3幅新的图像
  2. 24位彩色图像灰度化
  3. 对8位灰度图进行反色

原图（测试图像）

找了一个便于观察的图像：

思路与步骤

整体思路如下：

  1. 读取图像文件属性与图形数据内容
  2. 图像文件属性与图形数据处理
    1. 对R,G,B三个分量进行分离，需要将无关分量置0
    2. 灰度化需要利用RGB转灰度公式进行转换
    3. 对灰度图进行255求补运算
  3. 将处理后的数据输出到目标图像文件

BMP图像文件格式

BMP图像文件由四部分构成：

  1. 位图文件头
  2. 位图信息头
  3. 调色板
  4. 实际位图数据

以下是各部分的详细属性：

位图文件头

属性含义（按读取顺序描述） 所占空间大小（单位字节，byte）
文件类型，必须是“BM” 2
文件大小，包含文件头的大小 4
保留字 2
保留字 2
从文件头到实际位图数据的偏移字节数 4

位图信息头

属性含义（按读取顺序描述） 所占空间大小（单位字节，byte）
该结构的长度，为40 4
图像宽度 4
图像高度 4
位平面数，必须为1 2
颜色位数：1为二值，4为16色，8为256色，24为真彩色 2
是否压缩：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。 4
实际位图数据占用的字节数：【实际位图数据占用的字节数】=【图像宽度】’ × 【图像高度】。上述公式中的【图像宽度】’必须是4的整倍数(所以不是【图像宽度】，而是【图像宽度】’，表示大于或等于【图像宽度】的，最接近4的整倍数。举个例子，如果【图像宽度】=240，则【图像宽度】’=240；如果【图像宽度】=241，【图像宽度】’=244)。 4
目标设备水平分辨率 4
目标设备垂直分辨率 4
实际使用的颜色数：如果该值为零，则用到的颜色数为2的【颜色位数】次方种。 4
图像中重要的颜色数 4

调色板

可选项，只在需要调色板的情况下出现。

调色板实际上是一个数组， 共有【实际使用的颜色数】个元素。数组中每个元素的类型是一个如下的结构，每个占4个字节，其定义如下：

属性含义（按读取顺序描述） 所占空间大小（单位字节，byte）
该颜色的蓝色分量 1
该颜色的绿色分量 1
该颜色的红色分量 1
保留值 1

实际位图数据

共有位图信息头中所示属性中的【实际位图数据占用的字节数】个字节，每3个字节构成一组RGB真彩色像素，所以共有$【实际位图数据占用的字节数/3】$个字节。

详细实现思路

RGB分离

  • 实现

只需要将每个RGB像素中的不同分量置0即可，如下代码就是得到分离R分量的方法，最终输出图片只有红色分量：

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for (size_t i = 0; i < itemCounts; i++)//itemCounts：像素总数
{
	(pitem + i)->g = 0;//pitem：某个像素
	(pitem + i)->b = 0;
}
  • 结果

RGB转灰色图

  • 实现

采用如下公式转换：
$$
Gray = R\times0.299 + G\times0.587 + B\times0.114
$$
如下代码实现：

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for (size_t i = 0; i < itemCounts; i++)
{
	gray = ((pitem + i)->r * 299 + (pitem + i)->g * 587 + (pitem + i)->b * 114 + 500) / 1000;
	(pitem + i)->r = gray;
	(pitem + i)->g = gray;
	(pitem + i)->b = gray;
}
  • 结果

灰度图反色

  • 实现

将灰度对255求补即可，如下代码：

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for (size_t i = 0; i < itemCounts; i++)
{
	gray = ((pitem + i)->r * 299 + (pitem + i)->g * 587 + (pitem + i)->b * 114 + 500) / 1000;
	(pitem + i)->r = 255-gray;
	(pitem + i)->g = 255-gray;
	(pitem + i)->b = 255-gray;
}
  • 结果

代码

全部代码请查看[GitHub](https://github.com/ScarboroughCoral/DIPModule

纠正

本程序是不完全版本，或者说是错误版本。有以下两点不足：

  • 未对图像宽度非4倍数进行特殊处理。
  • 本文只对灰度图只做了24位模拟，没有转化为8位灰度图。
  • 文件头的字节对齐问题，相关文章计算机的字节对齐

修正版本请查看BMP文件的特殊宽度处理及字节对齐问题

所有代码如下：

Main.c

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//Main.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "BMP.h"
//#include <Windows.h>
#pragma warning(disable : 4996)



int main(){

	FILE * fp = fopen("test.bmp","rb");
	if (fp==NULL)
	{
		getchar();
		return;
	}
	BMFILEHEADER header;
	INFOHEADER info;
	fread(&header, sizeof(header),1,fp);
	fread(&info, sizeof(info), 1, fp);
	RGBQUAD * prgbquad = (RGBQUAD *)malloc(info.colorUsed*sizeof(RGBQUAD));
	fread(prgbquad, sizeof(RGBQUAD), info.colorUsed, fp);
	//fseek(fp, header.offset, 0);
	RGBITEM *pitem = (RGBITEM *)malloc(info.sizeImage);
	
	unsigned itemCounts = info.sizeImage / (unsigned)3;
	fread(pitem, sizeof(RGBITEM), itemCounts, fp);


	//修改单色
	//for (size_t i = 0; i < itemCounts; i++)
	//{
	//	//printf("%d\n", pitem->r);
	//	(pitem+i)->r = 0;
	//	//(pitem+i)->g = 0;
	//	(pitem + i)->b = 0;
	//}

	//灰度化
	int gray;
	for (size_t i = 0; i < itemCounts; i++)
	{
		gray = ((pitem + i)->r * 299 + (pitem + i)->g * 587 + (pitem + i)->b * 114 + 500) / 1000;
		(pitem + i)->r = gray;
		(pitem + i)->g = gray;
		(pitem + i)->b = gray;
	}
	
	//灰度图反色
	/*for (size_t i = 0; i < itemCounts; i++)
	{
		gray = ((pitem + i)->r * 299 + (pitem + i)->g * 587 + (pitem + i)->b * 114 + 500) / 1000;
		(pitem + i)->r = 255-gray;
		(pitem + i)->g = 255-gray;
		(pitem + i)->b = 255-gray;
	}*/

	char * result = "singleColor.bmp";
	FILE * rp = fopen(result, "wb");
	if (rp==NULL)
	{
		return;
	}
	fwrite(&header, sizeof(header), 1, rp);
	fwrite(&info, sizeof(info), 1, rp);
	//fseek(rp, header.offset, 0);
	fwrite(prgbquad, sizeof(RGBQUAD), info.colorUsed, rp);
	fwrite(pitem, sizeof(RGBITEM), info.sizeImage / 3, rp);
	printf("Output singleColor.bmp  successfully!\n");
	system("pause");
	return 0;
}

BMP.h

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//BMP.h

#pragma once


typedef struct bitmapFileHeader {
	unsigned char type[2];
	unsigned size;
	unsigned char resvered1[2];
	unsigned char reserved2[2];
	unsigned offset;
} BMFILEHEADER;

typedef struct rgb {
	unsigned char r;
	unsigned char b;
	unsigned char g;
}RGBITEM;


typedef struct bitMapInfoHeader {
	unsigned infoHeaderSize;
	unsigned long width;
	unsigned long height;
	unsigned short planes;
	unsigned short colorCount;
	unsigned isCompressed;
	unsigned sizeImage;
	unsigned long xPelsPerMeter;
	unsigned long yPelsPerMeter;
	unsigned colorUsed;
	unsigned colorImportant;
}INFOHEADER;

typedef struct RGBQUAD {
	unsigned char b;
	unsigned char g;
	unsigned char r;
	unsigned char reserved;

}RGBQUAD ;

总结

代码简单，关键在于知识点的掌握。请继续关注DIP，数字图像处理系列文章！