Ⅰ、常见图片格式概述

常见的图片格式：bmp，jpeg，png，gif，tiff

• bmp(BitMap)：可以压缩，但绝大多数情况下未经压缩存储原彩图片，是 windows 平台特有的图片格式
• jpeg、png：压缩图片格式，其中 jpeg(Joint Photographic Experts Group) 采用有损压缩，将不易被人眼察觉的图像颜色删除，从而达到较大的压缩比（可达到 2:1 甚至 40:1），因为 jpeg 格式的文件尺寸较小，下载速度快,所以是互联网上最广泛使用的格式；png 无损压缩，适合矢量图和几何图片的存储，支持图像透明，可以利用 Alpha 通道调节图像的透明度。二者相比 jpeg 在图片压缩方面有巨大优势，但采用有损压缩，图片质量有损失。一般截屏用 png 格式不但比 jpeg 质量高且文件还更小；防锯齿方面 png 非常有优势。
• gif(Graphics Interchange Format)：不仅可以是一张静止的图片，也可以是动画，并且支持透明背景图像，适用于多种操作系统，“体型”很小，网上很多小动画都是 gif 格式，但是其色域不太广，只支持 256 种颜色
• tiff(Tagged Image File Format)：可以支持 RGB、CMYK 等多种色彩模式，adobeRGB、proPhoto RGB 等多种色彩空间，8位、16位、32位等各种色彩深度，甚至也能保留图层和 alpha 通道。更重要的是，大部分的第三方软件、打印机，都能支持TIFF格式，适合专业领域图片存储。

Ⅱ、bmp 格式介绍

• BMP文件结构¹
• BMP位图与调色板分析²
• BMP图像结构³

Ⅲ、bmp 图片读入 Mat 并显示

3-1. 图片准备

搜索并下载一张滑稽，用 windows 自带的画图软件打开，然后另存为某种 bmp 格式（如下图），这里代码实现了 24位 bmp 和 16色 bmp 格式图片的读取。

3-2. 头文件 BmpFormat.h 对 bmp 位图四个结构的定义：

#ifndef BMPFORMAT_H
#define BMPFORMAT_Htypedef unsigned char   BYTE;
typedef unsigned short  WORD;
typedef unsigned int    DWORD;
typedef long            LONG;
/* 1. 位图文件头 */
typedef struct tagBITMAPFILEHEADER
{//WORD    bfType;         // windows中为 BM (0x4d42)DWORD   bfSize;         // 文件大小WORD    bfReserved1;    // 保留，设置为 0WORD    bfReserved2;    // 保留，设置为 0DWORD   bfOffBits;      // 实际图像数据的偏移量
}BITMAPFILEHEADER;
/* 2. 位图信息头 */
typedef struct tagBITMAPINFOHEADER
{DWORD   biSize;         // 该结构所占字节数，windows下为 40LONG    biWidth;        // 图像宽度LONG    biHeight;       // 图像高度WORD    biPlanes;       // 位面数，1WORD    biBitCount;     // 单像素位数DWORD   biCompression;  // 压缩说明DWORD   biSizeImage;    // 图像大小，如无压缩，可设置为 0 LONG    biXPelsPerMerer;// 水平分辨率LONG    biYPelsPerMerer;// 垂直分辨率DWORD   biClrUsed;      // 位图使用的颜色数, 0 表示使用了全部颜色DWORD   biClrImportant; // 重要颜色数目
}BITMAPINFOHEADER;
/* 3. 调色板 */
typedef struct tagRGBQUAD
{BYTE    rgbBlue;        // 指定蓝色强度BYTE    rgbGreen;       // 指定绿色强度BYTE    rgbRed;         // 指定红色强度BYTE    rgbReserved;    // 保留，设为 0
}RGBQUAD;
/* 4. 位图数据 
* 扫描行由低向上存储，第一字节为左下角像素，最后一个字节为右上角像素
*/#endif

这里注意将第一部分图片文件头结构体中 bfType 单独拎出来，是处于结构体需要对齐的考虑，并且注意读取时是按字节读取，且 pc 采用小端头存储，所以 bfType 读取出来后是 MB，而在一个字节内部，读取出来的顺序就是存储时的顺序，即高位对应前面的数据，低位对应后面的数据，这里在读取 16色 bmp 图片时有体现。

3-3. 读入 opencv 的 Mat 中并显示

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <opencv2/highgui.hpp>
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include "BmpFormat.h"
using namespace std;
using namespace cv;/* 输出 bmp 图片头部信息 */
void bmpFileInfo(ifstream &fpbmp, int &Offset, int &rows, int &cols);
/* 将 bmp24bit 图片读入 Mat 中 */
void bmp24bitToMat(ifstream& fpbmp, Mat& bmp, int Offset);
/* 将 bmp16色 图片读入 Mat 中 */
void bmp16ToMat(ifstream& fpbmp, Mat& bmp, int Offset);int main(int argc, char* argv[]) {/* 打开 bmp 文件*/ifstream fpbmp(".\\pic\\ppx16.bmp", ifstream::in | ifstream::binary);fpbmp.seekg(0, fpbmp.end);int length = fpbmp.tellg();fpbmp.seekg(0, fpbmp.beg);int Offset, rows, cols;bmpFileInfo(fpbmp, Offset, rows, cols); Mat bmp(rows, cols, CV_8UC3);/* 24 位 bmp 图片 *///bmp24bitToMat(fpbmp, bmp, Offset);/* 16 色 bmp 图片 */bmp16ToMat(fpbmp, bmp, Offset);namedWindow("ppx", WINDOW_AUTOSIZE);imshow("ppx", bmp);waitKey(0);destroyWindow("ppx");return 0;
}/* 输出 bmp 图片头部信息 */
void bmpFileInfo(ifstream &fpbmp, int& Offset, int& rows, int& cols) {BITMAPFILEHEADER fh;WORD bfType;fpbmp.read((char *)&bfType, sizeof(WORD));fpbmp.read((char *)&fh, sizeof(BITMAPFILEHEADER));if (bfType != 'MB') {cout << "It's not a bmp file." << endl;exit(1);}cout << "****** tagBITMAPFILEHEADER info *******" << endl;cout << " bfType			:" << " BM" << endl;cout << " bfSize			: " << (fh.bfSize) << endl;cout << " bfReserved1		: " << (fh.bfReserved1) << endl;cout << " bfReserved2		: " << (fh.bfReserved2) << endl;cout << " bfOffBits		: " << (fh.bfOffBits) << endl;cout << " 总字节偏移 ：" << fpbmp.tellg() << endl << endl;BITMAPINFOHEADER fih;fpbmp.read((char*)&fih, sizeof(BITMAPINFOHEADER));cout << "****** tagBITMAPINFOHEADER info *******" << endl;cout << " 位图信息头字节数	: " << (fih.biSize) << endl;cout << " 图像像素宽度		: " << (fih.biWidth) << endl;cout << " 图像像素高度		: " << (fih.biHeight) << endl;cout << " 位面数			: " << (fih.biPlanes) << endl;cout << " 单像素位数		: " << (fih.biBitCount) << endl;cout << " 压缩说明		: " << (fih.biCompression) << endl;cout << " 图像大小		: " << (fih.biSizeImage) << endl;cout << " 水平分辨率		: " << (fih.biXPelsPerMerer) << endl;cout << " 垂直分辨率		: " << (fih.biYPelsPerMerer) << endl;cout << " 位图使用的颜色数	: " << (fih.biClrUsed) << endl;cout << " 重要颜色数目		: " << (fih.biClrImportant) << endl;cout << " 总字节偏移 ：" << fpbmp.tellg() << endl << endl;Offset = fh.bfOffBits;rows = fih.biHeight;cols = fih.biWidth;if (Offset != 54) {RGBQUAD rgbPalette[16];fpbmp.read((char*)&rgbPalette, 16 * sizeof(RGBQUAD));cout << "****** tagRGBQUAD info *******" << endl;cout << "	(R, G, B, Alpha)" << endl;for (int i = 0; i < 16; i++) {cout << " No." << i << "	" << "(" \<< (rgbPalette[i].rgbRed + 0) << ", " \<< (rgbPalette[i].rgbGreen + 0) << ", " \<< (rgbPalette[i].rgbBlue + 0) << ", " \<< (rgbPalette[i].rgbReserved + 0) << ")" << endl;//if (i != 0 && i % 4 == 0) cout << endl;}cout << " 总字节偏移 ：" << fpbmp.tellg() << endl;}
}
/* 将 bmp24bit 图片读入 Mat 中 */
void bmp24bitToMat(ifstream& fpbmp, Mat& bmp, int Offset) {fpbmp.seekg(Offset, fpbmp.beg);for (int i = (bmp.rows-1); i >=0 ; i--) {for (int j = 0; j < bmp.cols; j++) {fpbmp.read((char*)&bmp.at<Vec3b>(i, j)[0], 1);fpbmp.read((char*)&bmp.at<Vec3b>(i, j)[1], 1);fpbmp.read((char*)&bmp.at<Vec3b>(i, j)[2], 1);}}
}
/* 将 bmp16色 图片读入 Mat 中 */
void bmp16ToMat(ifstream& fpbmp, Mat& bmp, int Offset) {RGBQUAD rgbPalette[16];fpbmp.seekg(54, fpbmp.beg);fpbmp.read((char*)&rgbPalette, 16 * sizeof(RGBQUAD));fpbmp.seekg(Offset, fpbmp.beg);char tmp;for (int i = (bmp.rows - 1); i >= 0; i--) {for (int j = 0; j < bmp.cols; j+=2) {fpbmp.read((char*)&tmp, 1);bmp.at<Vec3b>(i, j)[0] = rgbPalette[tmp >> 4 & 0x0f].rgbBlue;bmp.at<Vec3b>(i, j)[1] = rgbPalette[tmp >> 4 & 0x0f].rgbGreen;bmp.at<Vec3b>(i, j)[2] = rgbPalette[tmp >> 4 & 0x0f].rgbRed;bmp.at<Vec3b>(i, j+1)[0] = rgbPalette[tmp & 0x0f].rgbBlue;bmp.at<Vec3b>(i, j+1)[1] = rgbPalette[tmp & 0x0f].rgbGreen;bmp.at<Vec3b>(i, j+1)[2] = rgbPalette[tmp & 0x0f].rgbRed;}}
}

注意，opencv 和 bmp 图片的通道顺序都是反序，即 BGR。

3-4. 结果分析

(1). 24 位 bmp 结果：

因为是真彩色图片，这里文件头偏移固定为 54 字节，因为没有调色板，两个保留字为 0，总大小的计算为： $504^{2}\times 3 + 54=762102$，位面数固定为 1，压缩说明为 0，指未压缩，图像大小在无压缩情况下也为 0，位图使用的颜色数为 0，指所有颜色都有用到，共 $2^{24}$ 种，重要颜色数为 0，表示都重要。

(2). 16 色 bmp 结果：

Alpha 是保留字节，设置为 0，总头部偏移：$54+4\times 16=118$，图像大小：$252\times 504 \times =127008$，这里因为只有 16 色，故一个字节刚好可以存储两个索引，如果是 256 色，则一个字节只能存储一个索引。
关于使用调色板的图片压缩，可以参考bmp图像压缩算法详细解析⁴。

参考文章

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1. BMP文件结构 ↩︎

2. BMP位图与调色板分析 ↩︎

3. BMP图像结构 ↩︎

4. bmp图像压缩算法详细解析 ↩︎