数字图象处理01.docx
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数字图象处理01
第1章Windows位图和调色板
1.1位图和调色板的概念
如今Windows（3.x以及95，98，NT）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。
举个例子，图1.1是一幅普通的黑白位图，图1.2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1.1 骷髅
图1.2 放大后的骷髅位图
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（LookUpTable），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（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。
1.2bmp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1.3所示。
位图文件头BITMAPFILEHEADER
位图信息头BITMAPINFOHEADER
调色板Palette
实际的位图数据ImageDate
图1.3 Windows位图文件结构示意图
第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER，是一个结构，其定义如下：
typedefstructtagBITMAPFILEHEADER{
WORD bfType;
DWORDbfSize;
WORD bfReserved1;
WORD bfReserved2;
DWORDbfOffBits;
}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1.3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：
typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{
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（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，最接近4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，我们将在第4章详细介绍。
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2biBitCount。
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2biBitCount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：
typedefstructtagRGBQUAD{
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，图象数据就是该象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。
下面针对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位就可以表示该象素的颜色（一般0表示黑，1表示白），所以一个字节可以表示8个象素。
对于16色位图，用4位可以表示一个象素的颜色，所以一个字节可以表示2个象素。
对于256色位图，一个字节刚好可以表示1个象素。
对于真彩色图，三个字节才能表示1个象素，哇，好费空间呀！
没办法，谁叫你想让图的颜色显得更亮丽呢，有得必有失嘛。
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象素，然后是左边第二个象素……接下来是倒数第二行左边第一个象素，左边第二个象素……依次类推，最后得到的是最上面一行的最右一个象素。
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（我最爱看源程序了，呵呵）。
1.3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;
BITMAPINFOHEADERbi;
BOOLLoadBmpFile（HWNDhWnd,char*BmpFileName）
{
HFILE hf;//文件句柄
//指向BITMAPINFOHEADER结构的指针
LPBITMAPINFOHEADER lpImgData;
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
//实际用到的颜色数，即调色板数组中的颜色个数
DWORD NumColors;
DWORD i;
if（（hf=_lopen（BmpFileName,OF_READ））==HFILE_ERROR）{
MessageBox（hWnd,"Filec:
\\test.bmpnotfound!
","ErrorMessage",
MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION）;
returnFALSE;//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#defineWIDTHBYTES（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，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）
//如果bi.biClrUsed不为零，即为实际用到的颜色数
NumColors=（DWORD）bi.biClrUsed;
else//否则，用到的颜色数为2biBitCount。
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）;
returnFALSE;//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）;
returnFALSE;//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
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）;
returnFALSE;//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
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 {
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
returnTRUE;//成功返回
}
对上面的程序要说明两点：
（1） 对于需要调色板的图，要想正确地显示，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）。
（2） 产生位图（BITMAP）句柄，该项工作由函数CreateDIBitmap来完成。
hBitmap=CreateDIBitmap（hDc,（LPBITMAPINFOHEADER）lpImgData,
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