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解码Linux文件IO之BMP 图像原理与应用

news 2025/10/21 14:26:31

BMP 基本概念

定义与核心特点

BMP（Bitmap，位图）是微软提出的图像文件格式，全称 “设备无关位图（DIB）”，核心特点如下：

无压缩：像素数据直接存储，无需解码器即可读取，开发中操作简单；
文件较大：无压缩导致文件体积大，不适合网络传输，适合本地开发（如 LCD 显示）；
设备无关：图像数据与显示设备无关，在不同硬件上显示效果一致；
颜色支持全：可支持 1bit（2 色）、4bit（16 色）、8bit（256 色）、16bit（65536 色）、24bit（1678 万色）、32bit（增强真彩色），其中 24bit 是开发中最常用的类型。

与其他图像格式的区别

格式	压缩方式	解码难度	文件大小	适用场景
BMP	无压缩	无（直接读）	大	本地开发、LCD 显示
JPEG	有损压缩	需解码器	小	照片、网络传输
PNG	无损压缩	需解码器	中	图标、透明图像、网络传输

BMP 内部结构

BMP 文件从开头到结尾依次分为 4 个部分，总结构可表示为：位图文件头（14字节） + 位图信息头（40字节） + 调色板（可选） + 位图数据，其中前两部分固定共 54 字节（需重点记忆）。

位图文件头（BITMAPFILEHEADER，14 字节）

作用：存储 BMP 文件的基础信息，用于识别文件类型和定位像素数据。结构体定义与字段说明（需注意：编译器默认会对结构体进行 “字节对齐”，需用#pragma pack(1)取消对齐，否则会读错数据）：

#pragma pack(1) // 取消结构体字节对齐，确保14字节大小
// 位图文件头结构体（14字节）
typedef struct {unsigned short bfType;        // 2字节：文件标识，必须为0x4D42（即ASCII码“BM”）unsigned int   bfSize;        // 4字节：BMP文件总大小（单位：字节）unsigned short bfReserved1;   // 2字节：保留字，必须为0unsigned short bfReserved2;   // 2字节：保留字，必须为0unsigned int   bfOffBits;     // 4字节：从文件开头到“位图数据”的偏移量（单位：字节）
} BITMAPFILEHEADER;
#pragma pack() // 恢复默认对齐

字段示例（结合十六进制查看器）：

bfType：0x4D42 → 存储为42 4D（小端）；
bfSize：若文件总大小为 705 字节（0x000002C1）→ 存储为C1 02 00 00；
bfOffBits：若偏移量为 54 字节（0x00000036）→ 存储为36 00 00 00（无调色板时，偏移量通常为 54）。

位图信息头（BITMAPINFOHEADER，40 字节）

作用：存储 BMP 图像的技术参数，如分辨率、色深、压缩方式等。结构体定义与字段说明：

#pragma pack(1)// 位图信息头结构体（40字节）
typedef struct {unsigned int   biSize;         // 4字节：本结构体大小（固定为40字节，0x28）int            biWidth;        // 4字节：图像宽度（单位：像素，正数）int            biHeight;       // 4字节：图像高度（单位：像素；正数=从下到上存储，负数=从上到下存储）unsigned short biPlanes;       // 2字节：色彩平面数，必须为1unsigned short biBitCount;     // 2字节：色深（每个像素的bit数），常见1/4/8/24/32unsigned int   biCompression;  // 4字节：压缩方式，0=无压缩（开发中常用）unsigned int   biSizeImage;    // 4字节：位图数据总大小（单位：字节，=每行字节数×高度）int            biXPelsPerMeter;// 4字节：水平分辨率（像素/米，设备无关时填0）int            biYPelsPerMeter;// 4字节：垂直分辨率（像素/米，设备无关时填0）unsigned int   biClrUsed;      // 4字节：实际使用的颜色数（0=使用所有色深对应的颜色）unsigned int   biClrImportant; // 4字节：重要颜色数（0=所有颜色都重要）
} BITMAPINFOHEADER;
#pragma pack()

关键字段注意点：

biHeight：正数表示像素 “从下到上” 存储（BMP 默认），负数表示 “从上到下”，开发中需根据此值判断是否需要翻转行；
biBitCount：24bit（真彩色）最常用，无调色板，像素数据直接为 BGR 格式；
biCompression：必须为 0（无压缩），否则需解码，开发中一般只处理无压缩 BMP。

调色板（可选，RGBQUAD）

作用：为低色深（1/4/8bit）BMP 提供颜色映射，高色深（16/24/32bit）BMP 无调色板。调色板结构（RGBQUAD，4 字节 / 个）：

#pragma pack(1)// 调色板颜色项结构体（4字节/个）
typedef struct {unsigned char rgbBlue;     // 1字节：蓝色分量（B）unsigned char rgbGreen;    // 1字节：绿色分量（G）unsigned char rgbRed;      // 1字节：红色分量（R）unsigned char rgbReserved; // 1字节：保留位，必须为0
} RGBQUAD;
#pragma pack()

调色板数量计算：

1bit BMP：2 种颜色 → 2 个 RGBQUAD → 8 字节；
4bit BMP：16 种颜色 → 16 个 RGBQUAD → 64 字节；
8bit BMP：256 种颜色 → 256 个 RGBQUAD → 1024 字节；
24/32bit BMP：无调色板 → 0 字节。

示例：8bit BMP 中，若某调色板项为00 FF 00 00，表示该索引对应的颜色是纯绿色（B=0，G=255，R=0）。

位图数据（核心）

作用：存储每个像素的颜色信息，格式由色深和是否有调色板决定。

数据格式

有调色板（1/4/8bit）：存储 “颜色索引”，每个索引对应调色板中的一个 RGBQUAD；
- 1bit：每 8 个像素占 1 字节（每个像素 1bit，0/1 对应 2 种颜色）；
- 4bit：每 2 个像素占 1 字节（每个像素 4bit，0~15 对应 16 种颜色）；
- 8bit：每个像素占 1 字节（0~255 对应 256 种颜色）；
无调色板（24/32bit）：直接存储颜色分量；
- 24bit：每个像素 3 字节，顺序为B→G→R（重点！BMP 默认 BGR 顺序，非 RGB）；
- 32bit：每个像素 4 字节，顺序为B→G→R→A（A 为透明度，0 = 透明，255 = 不透明）。

行对齐规则

CPU 为提高读取效率，要求 BMP 每行的字节数必须是4 的倍数。若自然每行字节数（宽度 × 色深字节数）不是 4 的倍数，需在每行末尾补 “0” 字节，公式如下：

色深字节数 = biBitCount / 8（如 24bit=3 字节，8bit=1 字节）；
自然每行字节数 = 宽度 × 色深字节数；
补齐字节数 = (4 - (自然每行字节数 % 4)) % 4；
- 注：要将自然每行字节数 % 4 = 0的情况考虑进去
实际每行字节数 = 自然每行字节数 + 补齐字节数。

示例：10×10 的 24bit BMP（宽度 = 10，色深字节数 = 3）：

自然每行字节数 = 10×3 = 30；
补齐字节数 = (4 - 30%4) %4 = (4-2)%4=2；
实际每行字节数 = 30+2=32（是 4 的倍数）；
位图数据总大小 = 32×10=320 字节。

存储顺序

BMP 的像素数据是从下到上、从左到右存储的（biHeight 为正数时），例如 10×10 的图像：

第 1 行数据（文件中）对应图像的 “第 10 行”（显示时的最下行）；
第 10 行数据（文件中）对应图像的 “第 1 行”（显示时的最上行）；开发中需将行翻转，才能在 LCD 上正常显示（LCD 通常是从上到下显示）。

BMP 关键技术点

小端存储（必须掌握）

BMP 中多字节数据（如 int32、int16）采用小端字节序存储，即 “低字节存低地址，高字节存高地址”。示例：biWidth=800（十进制）=0x00000320（十六进制）：

小端存储顺序：20 03 00 00（低字节 20 存低地址，高字节 00 存高地址）；
读取时：需按小端解析，将字节组合为 0x00000320，即 800 像素。

验证工具：用十六进制查看器（如 Hex Workshop）打开 BMP，查看文件头的 bfSize（偏移 0x02~0x05），若显示 “93 1F 00 00”，则实际值为 0x00001F93=705 字节。

像素颜色转换（BMP→LCD）

LCD 通常使用 32bit ARGB 格式（A = 透明度，R = 红，G = 绿，B = 蓝），而 24bit BMP 是 32bit BGR 格式（无 A），需进行格式转换：

24bit BMP 像素：B（1 字节）、G（1 字节）、R（1 字节）；
32bit LCD 颜色：A（1 字节，设为 0x00 = 不透明）、R（1 字节）、G（1 字节）、B（1 字节）；
转换公式：lcd_color = (R << 16) | (G << 8) | (B << 0) | (0x00 << 24)；

示例：BMP 像素为 B=0x00、G=0x00、R=0xFF（纯红）：

转换后 LCD 颜色 = (0xFF<<16) | (0x00<<8) | (0x00<<0) = 0x00FF0000（ARGB）。

行翻转处理（BMP→LCD）

由于 BMP 是 “从下到上” 存储，LCD 是 “从上到下” 显示，需将 BMP 的行数据翻转：

假设 BMP 高度为 H，读取 BMP 的第 i 行数据（0≤i<H），对应 LCD 的第（H-1 -i）行；
示例：BMP 第 0 行（文件中）→ LCD 第 9 行（H=10 时），BMP 第 9 行→ LCD 第 0 行。

BMP 实战代码

读取 BMP 的宽、高、文件大小（命令行传参）

功能：通过命令行传入 BMP 文件路径，输出图像的宽度、高度、文件总大小。代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
// 取消结构体对齐，确保读取14字节和40字节
#pragma pack(1)
typedef struct {unsigned short bfType;        // 2字节：文件标识（"BM"）unsigned int   bfSize;        // 4字节：文件总大小（字节）unsigned short bfReserved1;   // 2字节：保留字（0）unsigned short bfReserved2;   // 2字节：保留字（0）unsigned int   bfOffBits;     // 4字节：位图数据偏移量（字节）
} BITMAPFILEHEADER;typedef struct {unsigned int   biSize;         // 4字节：结构体大小（40）int            biWidth;        // 4字节：宽度（像素）int            biHeight;       // 4字节：高度（像素）unsigned short biPlanes;       // 2字节：色彩平面数（1）unsigned short biBitCount;     // 2字节：色深（bit）unsigned int   biCompression;  // 4字节：压缩方式（0=无压缩）unsigned int   biSizeImage;    // 4字节：位图数据大小（字节）int            biXPelsPerMeter;// 4字节：水平分辨率（0）int            biYPelsPerMeter;// 4字节：垂直分辨率（0）unsigned int   biClrUsed;      // 4字节：使用颜色数（0）unsigned int   biClrImportant; // 4字节：重要颜色数（0）
} BITMAPINFOHEADER;
#pragma pack()
int main(int argc, char *argv[]) {// 检查命令行参数（需传入BMP文件路径）if (argc != 2) {printf("用法：%s <BMP文件路径>\n", argv[0]);printf("示例：%s test.bmp\n", argv[0]);exit(1);}// 打开BMP文件（只读模式）/*** @brief open函数：打开文件* @param argv[1]  命令行传入的BMP文件路径（如"test.bmp"）* @param O_RDONLY 打开模式：只读* @return         成功返回文件描述符（非负整数）；失败返回-1*/int bmp_fd = open(argv[1], O_RDONLY);if (bmp_fd == -1) {perror("open BMP文件失败"); // 打印错误原因（如文件不存在）exit(1);}// 读取位图文件头（14字节）BITMAPFILEHEADER file_header;/*** @brief read函数：从文件读取数据* @param bmp_fd    BMP文件描述符* @param &file_header 存储读取数据的缓冲区（文件头结构体）* @param sizeof(file_header) 读取的字节数（14）* @return          成功返回读取的字节数（14）；失败返回-1*/int ret = read(bmp_fd, &file_header, sizeof(file_header));if (ret != sizeof(file_header)) {perror("read 文件头失败");close(bmp_fd);exit(1);}// 验证是否为BMP文件（bfType必须为0x4D42，即"BM"）if (file_header.bfType != 0x4D42) {printf("错误：%s 不是BMP文件\n", argv[1]);close(bmp_fd);exit(1);}// 读取位图信息头（40字节）BITMAPINFOHEADER info_header;ret = read(bmp_fd, &info_header, sizeof(info_header));if (ret != sizeof(info_header)) {perror("read 信息头失败");close(bmp_fd);exit(1);}// 输出BMP关键信息printf("BMP文件路径：%s\n", argv[1]);printf("文件总大小：%u 字节\n", file_header.bfSize);printf("图像宽度：%d 像素\n", info_header.biWidth);printf("图像高度：%d 像素\n", abs(info_header.biHeight)); // 取绝对值，忽略存储方向printf("色深：%d bit\n", info_header.biBitCount);printf("压缩方式：%s（%u）\n", info_header.biCompression == 0 ? "无压缩" : "有压缩", info_header.biCompression);// 关闭文件，释放资源close(bmp_fd);return 0;
}

编译与运行：

gcc bmp_info.c -o bmp_info
./bmp_info test.bmp

运行结果：

BMP文件路径：test.bmp
文件总大小：xxx 字节
图像宽度：xxx 像素
图像高度：xxx 像素
色深：24 bit
压缩方式：无压缩（0）

在 LCD 上显示 24bit 无压缩 BMP

功能：打开 24bit 无压缩 BMP，在 800×480 的 LCD 上显示（需确保 BMP 分辨率与 LCD 一致）。

代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <linux/fb.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <string.h>
#pragma pack(1)
typedef struct {unsigned short bfType;        // 2字节："BM"unsigned int   bfSize;        // 4字节：文件总大小unsigned short bfReserved1;   // 2字节：0unsigned short bfReserved2;   // 2字节：0unsigned int   bfOffBits;     // 4字节：位图数据偏移量
} BITMAPFILEHEADER;typedef struct {unsigned int   biSize;         // 4字节：40int            biWidth;        // 4字节：宽度int            biHeight;       // 4字节：高度unsigned short biPlanes;       // 2字节：1unsigned short biBitCount;     // 2字节：色深（24）unsigned int   biCompression;  // 4字节：0（无压缩）unsigned int   biSizeImage;    // 4字节：位图数据大小int            biXPelsPerMeter;// 4字节：0int            biYPelsPerMeter;// 4字节：0unsigned int   biClrUsed;      // 4字节：0unsigned int   biClrImportant; // 4字节：0
} BITMAPINFOHEADER;
#pragma pack()
int main(int argc, char *argv[]) {if (argc != 2) {printf("用法：%s <24bit BMP文件路径>\n", argv[0]);exit(1);}// -------------------------- 处理BMP文件 --------------------------int bmp_fd = open(argv[1], O_RDONLY);if (bmp_fd == -1) { perror("open BMP失败"); exit(1); }// 读文件头BITMAPFILEHEADER file_hdr;if (read(bmp_fd, &file_hdr, sizeof(file_hdr)) != sizeof(file_hdr)) {perror("read 文件头失败"); close(bmp_fd); exit(1);}if (file_hdr.bfType != 0x4D42) {printf("不是BMP文件\n"); close(bmp_fd); exit(1);}// 读取位图信息头（40字节），并校验读取是否完整BITMAPINFOHEADER info_hdr;if (read(bmp_fd, &info_hdr, sizeof(info_hdr)) != sizeof(info_hdr)) {perror("read 信息头失败"); close(bmp_fd); exit(1);}//判断是否为24bit无压缩if (info_hdr.biBitCount != 24 || info_hdr.biCompression != 0) {printf("仅支持24bit无压缩BMP\n"); close(bmp_fd); exit(1);}// 计算BMP每行参数（对齐处理）int bmp_width = info_hdr.biWidth;    // BMP宽度int bmp_height = abs(info_hdr.biHeight); // BMP高度（取绝对值）int bmp_pixel_bytes = 3;             // 24bit=3字节/像素int bmp_line_bytes = bmp_width * bmp_pixel_bytes; // 自然每行字节数int bmp_pad_bytes = (4 - (bmp_line_bytes % 4)) % 4; // 补齐字节数int bmp_line_total = bmp_line_bytes + bmp_pad_bytes; // 实际每行字节数// 定位到位图数据（跳过文件头、信息头、调色板）lseek(bmp_fd, file_hdr.bfOffBits, SEEK_SET);// -------------------------- 处理LCD设备 --------------------------// 打开LCD设备int lcd_fd = open("/dev/fb0", O_RDWR);if (lcd_fd == -1) { perror("open LCD失败"); close(bmp_fd); exit(1); }// 获取LCD参数（宽、高、色深）struct fb_var_screeninfo lcd_var;if (ioctl(lcd_fd, FBIOGET_VSCREENINFO, &lcd_var) == -1) {perror("ioctl 获取LCD参数失败"); close(lcd_fd); close(bmp_fd); exit(1);}int lcd_width = lcd_var.xres;    // LCD宽度（如800）int lcd_height = lcd_var.yres;  // LCD高度（如480）int lcd_pixel_bytes = lcd_var.bits_per_pixel / 8; // LCD字节/像素（32bit=4）// 内存映射LCD（直接操作内存控制LCD）size_t lcd_map_len = lcd_width * lcd_height * lcd_pixel_bytes;unsigned int *lcd_mem = (unsigned int *)mmap(NULL,               // 让系统分配地址lcd_map_len,        // 映射长度PROT_READ | PROT_WRITE, // 读写权限MAP_SHARED,         // 共享映射（修改同步到硬件）lcd_fd,             // LCD文件描述符0                   // 偏移量0);if (lcd_mem == MAP_FAILED) {perror("mmap LCD失败"); close(lcd_fd); close(bmp_fd); exit(1);}// -------------------------- BMP→LCD显示 --------------------------// 分配缓冲区存储BMP一行数据unsigned char *bmp_line_buf = (unsigned char *)malloc(bmp_line_total);if (bmp_line_buf == NULL) { perror("malloc 失败"); goto end; }// 读取BMP每行数据，转换后写入LCD（行翻转处理）for (int y = 0; y < bmp_height; y++) {// 读取BMP一行数据（包含补齐字节）read(bmp_fd, bmp_line_buf, bmp_line_total);// 计算LCD行号（BMP从下到上→LCD从上到下）int lcd_y = bmp_height - 1 - y; if (lcd_y >= lcd_height) break; // 超出LCD高度，跳过// 遍历每行每个像素，转换BGR→ARGB，写入LCDfor (int x = 0; x < bmp_width; x++) {if (x >= lcd_width) break; // 超出LCD宽度，跳过// 提取BMP像素的B、G、R分量（BGR顺序）unsigned char B = bmp_line_buf[x * 3 + 0];unsigned char G = bmp_line_buf[x * 3 + 1];unsigned char R = bmp_line_buf[x * 3 + 2];// 转换为LCD的ARGB格式（A=0x00不透明）unsigned int lcd_color = (R << 16) | (G << 8) | B | (0x00 << 24);// 写入LCD内存（LCD行号×LCD宽度 + LCD列号）lcd_mem[lcd_y * lcd_width + x] = lcd_color;}}// 等待按键退出（保持显示）printf("按任意键退出...\n");getchar();// -------------------------- 释放资源 --------------------------
end:free(bmp_line_buf);munmap(lcd_mem, lcd_map_len); // 解除LCD映射close(lcd_fd);close(bmp_fd);return 0;
}

等比例缩小 BMP 为 1/2（生成新文件）

功能：将任意尺寸 24bit 无压缩 BMP 等比例缩小为原来的 1/2（宽、高各减半），新文件路径通过命令行传递。核心思路：

读取原 BMP 的文件头、信息头；
计算新 BMP 的宽（原宽 / 2）、高（原高 / 2），修改新文件头和信息头；
读取原 BMP 的像素数据，每隔一个像素取一个（如原 (x,y)→新 (x/2,y/2)）；
处理新 BMP 的行对齐，写入新文件。

代码框架（关键部分）：

// 新BMP参数计算
int new_width = bmp_width / 2;    // 新宽度=原宽度/2
int new_height = bmp_height / 2;  // 新高度=原高度/2
int new_line_bytes = new_width * 3; // 新自然每行字节数
int new_pad_bytes = (4 - (new_line_bytes % 4)) % 4; // 新补齐字节数
int new_line_total = new_line_bytes + new_pad_bytes; // 新实际每行字节数
int new_data_size = new_line_total * new_height; // 新位图数据大小
int new_file_size = 54 + new_data_size; // 新文件总大小（无调色板，54字节头）// 构造新文件头
BITMAPFILEHEADER new_file_hdr;
new_file_hdr.bfType = 0x4D42;
new_file_hdr.bfSize = new_file_size;
new_file_hdr.bfReserved1 = 0;
new_file_hdr.bfReserved2 = 0;
new_file_hdr.bfOffBits = 54; // 无调色板，偏移54// 构造新信息头
BITMAPINFOHEADER new_info_hdr;
new_info_hdr.biSize = 40;
new_info_hdr.biWidth = new_width;
new_info_hdr.biHeight = -new_height; // 设为负数，从上到下存储（无需翻转）
new_info_hdr.biPlanes = 1;
new_info_hdr.biBitCount = 24;
new_info_hdr.biCompression = 0;
new_info_hdr.biSizeImage = new_data_size;
new_info_hdr.biXPelsPerMeter = 0;
new_info_hdr.biYPelsPerMeter = 0;
new_info_hdr.biClrUsed = 0;
new_info_hdr.biClrImportant = 0;// 读取原BMP数据，缩小后写入新文件
unsigned char *old_line = malloc(bmp_line_total);
unsigned char *new_line = malloc(new_line_total);
int new_fd = open(argv[2], O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, 0644); // 新建文件
write(new_fd, &new_file_hdr, sizeof(new_file_hdr)); // 写新文件头
write(new_fd, &new_info_hdr, sizeof(new_info_hdr)); // 写新信息头for (int y = 0; y < new_height; y++) {// 读取原BMP的2行（缩小1/2，取偶数行）lseek(bmp_fd, file_hdr.bfOffBits + (y*2) * bmp_line_total, SEEK_SET);read(bmp_fd, old_line, bmp_line_total);// 提取原BMP的偶数列像素，组成新行for (int x = 0; x < new_width; x++) {int old_x = x * 2; // 取原BMP的偶数列new_line[x*3 + 0] = old_line[old_x*3 + 0]; // Bnew_line[x*3 + 1] = old_line[old_x*3 + 1]; // Gnew_line[x*3 + 2] = old_line[old_x*3 + 2]; // R}// 补0字节（对齐）memset(new_line + new_line_bytes, 0, new_pad_bytes);// 写入新BMP的一行write(new_fd, new_line, new_line_total);
}

注意事项

结构体对齐问题：编译器默认会对结构体进行 “字节对齐”（如 int 按 4 字节对齐），导致 14 字节的文件头被扩展为 16 字节，必须用#pragma pack(1)取消对齐，否则读取数据错误；
biHeight 正负问题：biHeight 为正数时 BMP 从下到上存储，为负数时从上到下存储，开发中需用abs(biHeight)获取高度，根据正负判断是否需要行翻转；
LCD 与 BMP 分辨率不一致：若 BMP 分辨率小于 LCD，可指定显示位置（如居中）；若大于 LCD，需进行缩放（如双线性插值），避免显示不全；
调色板 BMP 处理：对于 8bit 以下 BMP，需先读取调色板，再根据像素索引查找对应的 BGR 颜色，再转换为 LCD 格式；
权限问题：操作/dev/fb0需 root 权限，运行 LCD 相关程序时需用sudo ./xxx。