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【数字图像处理】C++读取、旋转和保存bmp图像文件编程实现

2011-07-26 10:15 876 查看

通过我这些天用C++读写bmp图像的经历，摸索再摸索，终于对bmp文件的结构、操作有了一定的了解，下面就大概介绍bmp图片纯C++的读取、旋转和保存的实现过程。

要用C++读取bmp图片文件，首先要弄清楚bmp格式图片文件的结构。可以参考这篇文章：/article/1641168.html

有几点需要注意的是：

在读取bmp图片的时候，一定要注意内存对齐的问题，譬如文件头，否则无法读取出正确结果。

关于图片的像素数据，每一行的像素的字节数必须是4的整数倍。如果不是，则需要补齐。一般来说，bmp图像文件的数据是从下到上，从左到右的。即从文件中最先读到的是图像最下面一行的左边第一个像素，然后是坐标第二个.....接下来是倒数第二行的第一个像素。

采用的编译环境是VS2008。

关于图像旋转，并不难。只需要搞清楚像素坐标变换公式就行。我以图像的中心点为坐标原点。先把像素在目标图像中的位置变化为坐标系中的位置，做旋转变换求出变换之前的在坐标系中的坐标，再变换为在图片中的位置。

公式：(x1,y1)是变换之前的坐标系中的坐标，(x2,y2)是变换之后的坐标系中的坐标。angle为逆时针旋转的角度数。

x1 = cos(angle)*x2-sin(angle)*y2;

y1 = sin(angle)*x2-cos(angle)*y2;

我的代码分为两个版本：灰度图的和彩色图的。

灰度图：

灰度图是只含亮度信息，不含彩色信息的图像。bmp格式文件中并没有灰度图这个概念，但是我们很容易地用bmp文件来表示灰度图。方法是用256色的调色板，只不过这个调色板有点特殊，每一项的RGB值都是相同的，从(0,0,0),(1,1,1),...,一直到(255,255,255)。这样，灰度图就可以用256色图来表示了。其图像数据就是调色板索引值，也就是实际的RGB的亮度值。另外因为是256色的调色板，所以图像数据中的一个字节代表一个像素。如果是彩色的256色图，图像处理后可能会产生不属于这256色的颜色，所以，图像处理一般采用灰度图。这也可以更好地将重点放在算法上。

下面是灰度图旋转代码，能处理任意尺寸的bmp灰度图，以及旋转任意角度(逆时针)。

代码包括两个文件：BmpRot.h和BmpRot.cpp

BmpRot.h：

typedef unsigned char BYTE;
typedef unsigned short WORD;
typedef unsigned int DWORD;
typedef long LONG;

//位图文件头定义;
//其中不包含文件类型信息（由于结构体的内存结构决定，
//要是加了的话将不能正确读取文件信息）
typedef struct  tagBITMAPFILEHEADER{
	//WORD bfType;//文件类型，必须是0x424D，即字符“BM”
	DWORD bfSize;//文件大小
	WORD bfReserved1;//保留字
	WORD bfReserved2;//保留字
	DWORD bfOffBits;//从文件头到实际位图数据的偏移字节数
}BITMAPFILEHEADER;

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
	DWORD biSize;//信息头大小
	LONG biWidth;//图像宽度
	LONG biHeight;//图像高度
	WORD biPlanes;//位平面数，必须为1
	WORD biBitCount;//每像素位数
	DWORD  biCompression; //压缩类型
	DWORD  biSizeImage; //压缩图像大小字节数
	LONG  biXPelsPerMeter; //水平分辨率
	LONG  biYPelsPerMeter; //垂直分辨率
	DWORD  biClrUsed; //位图实际用到的色彩数
	DWORD  biClrImportant; //本位图中重要的色彩数
}BITMAPINFOHEADER; //位图信息头定义

typedef struct tagRGBQUAD{
	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;//调色板定义

//像素信息
typedef struct tagIMAGEDATA
{
	BYTE blue;
	//BYTE green;
	//BYTE red;
}IMAGEDATA;

BmpRot.cpp：

#include <stdio.h>
#include "BmpRot.h"
#include "stdlib.h"
#include "math.h"
#include <iostream>

#define PI 3.14159//圆周率宏定义
#define LENGTH_NAME_BMP 30//bmp图片文件名的最大长度

using namespace std;

//变量定义
BITMAPFILEHEADER strHead;
RGBQUAD strPla[256];//256色调色板
BITMAPINFOHEADER strInfo;

//显示位图文件头信息
void showBmpHead(BITMAPFILEHEADER pBmpHead){
	cout<<"位图文件头:"<<endl;
	cout<<"文件大小:"<<pBmpHead.bfSize<<endl;
	cout<<"保留字_1:"<<pBmpHead.bfReserved1<<endl;
	cout<<"保留字_2:"<<pBmpHead.bfReserved2<<endl;
	cout<<"实际位图数据的偏移字节数:"<<pBmpHead.bfOffBits<<endl<<endl;
}

void showBmpInforHead(tagBITMAPINFOHEADER pBmpInforHead){
	cout<<"位图信息头:"<<endl;
	cout<<"结构体的长度:"<<pBmpInforHead.biSize<<endl;
	cout<<"位图宽:"<<pBmpInforHead.biWidth<<endl;
	cout<<"位图高:"<<pBmpInforHead.biHeight<<endl;
	cout<<"biPlanes平面数:"<<pBmpInforHead.biPlanes<<endl;
	cout<<"biBitCount采用颜色位数:"<<pBmpInforHead.biBitCount<<endl;
	cout<<"压缩方式:"<<pBmpInforHead.biCompression<<endl;
	cout<<"biSizeImage实际位图数据占用的字节数:"<<pBmpInforHead.biSizeImage<<endl;
	cout<<"X方向分辨率:"<<pBmpInforHead.biXPelsPerMeter<<endl;
	cout<<"Y方向分辨率:"<<pBmpInforHead.biYPelsPerMeter<<endl;
	cout<<"使用的颜色数:"<<pBmpInforHead.biClrUsed<<endl;
	cout<<"重要颜色数:"<<pBmpInforHead.biClrImportant<<endl;
}

int main(){
	char strFile[LENGTH_NAME_BMP];//bmp文件名
	IMAGEDATA *imagedata = NULL;//动态分配存储原图片的像素信息的二维数组
	IMAGEDATA *imagedataRot = NULL;//动态分配存储旋转后的图片的像素信息的二维数组
	int width,height;//图片的宽度和高度
	cout<<"请输入所要读取的文件名:"<<endl;
	cin>>strFile;
	FILE *fpi,*fpw;
	fpi=fopen(strFile,"rb");
	if(fpi != NULL){
		//先读取文件类型
		WORD bfType;
		fread(&bfType,1,sizeof(WORD),fpi);
		if(0x4d42!=bfType)
		{
			cout<<"the file is not a bmp file!"<<endl;
			return NULL;
		}
		//读取bmp文件的文件头和信息头
		fread(&strHead,1,sizeof(tagBITMAPFILEHEADER),fpi);
		//showBmpHead(strHead);//显示文件头
		fread(&strInfo,1,sizeof(tagBITMAPINFOHEADER),fpi);
		//showBmpInforHead(strInfo);//显示文件信息头

		//读取调色板
		for(unsigned int nCounti=0;nCounti<strInfo.biClrUsed;nCounti++)
		{
			fread((char *)&(strPla[nCounti].rgbBlue),1,sizeof(BYTE),fpi);
			fread((char *)&(strPla[nCounti].rgbGreen),1,sizeof(BYTE),fpi);
			fread((char *)&(strPla[nCounti].rgbRed),1,sizeof(BYTE),fpi);
			fread((char *)&(strPla[nCounti].rgbReserved),1,sizeof(BYTE),fpi);
		}

		width = strInfo.biWidth;
		height = strInfo.biHeight;
		//图像每一行的字节数必须是4的整数倍
		width = (width * sizeof(IMAGEDATA) + 3) / 4 * 4;
		//imagedata = (IMAGEDATA*)malloc(width * height * sizeof(IMAGEDATA));
		imagedata = (IMAGEDATA*)malloc(width * height);
		imagedataRot = (IMAGEDATA*)malloc(2 * width * 2 * height * sizeof(IMAGEDATA));
		//初始化原始图片的像素数组
		for(int i = 0;i < height;++i)
		{
			for(int j = 0;j < width;++j)
			{
				(*(imagedata + i * width + j)).blue = 0;
				//(*(imagedata + i * width + j)).green = 0;
				//(*(imagedata + i *  width + j)).red = 0;
			}
		}
		//初始化旋转后图片的像素数组
		for(int i = 0;i < 2 * height;++i)
		{
			for(int j = 0;j < 2 * width;++j)
			{
				(*(imagedataRot + i * 2 * width + j)).blue = 0;
				//(*(imagedataRot + i * 2 * width + j)).green = 0;
				//(*(imagedataRot + i * 2 * width + j)).red = 0;
			}
		}
		//fseek(fpi,54,SEEK_SET);
		//读出图片的像素数据
		fread(imagedata,sizeof(struct tagIMAGEDATA) * width,height,fpi);
		fclose(fpi);
	}
	else
	{
		cout<<"file open error!"<<endl;
		return NULL;
	}

	//图片旋转处理
	int RotateAngle;//要旋转的角度数
	double angle;//要旋转的弧度数
	int midX_pre,midY_pre,midX_aft,midY_aft;//旋转所围绕的中心点的坐标
	midX_pre = width / 2;
	midY_pre = height / 2;
	midX_aft = width;
	midY_aft = height;
	int pre_i,pre_j,after_i,after_j;//旋转前后对应的像素点坐标
	cout<<"输入要旋转的角度（0度到360度，逆时针旋转）："<<endl;
	cin>>RotateAngle;
	angle = 1.0 * RotateAngle * PI / 180;
	for(int i = 0;i < 2 * height;++i)
	{
		for(int j = 0;j < 2 * width;++j)
		{
			after_i = i - midX_aft;//坐标变换
			after_j = j - midY_aft;
			pre_i = (int)(cos((double)angle) * after_i - sin((double)angle) * after_j) + midX_pre;
			pre_j = (int)(sin((double)angle) * after_i + cos((double)angle) * after_j) + midY_pre;
			if(pre_i >= 0 && pre_i < height && pre_j >= 0 && pre_j < width)//在原图范围内
				*(imagedataRot + i * 2 * width + j) = *(imagedata + pre_i * width + pre_j);
		}
	}

	//保存bmp图片
	if((fpw=fopen("b.bmp","wb"))==NULL)
	{
		cout<<"create the bmp file error!"<<endl;
		return NULL;
	}
	WORD bfType_w=0x4d42;
	fwrite(&bfType_w,1,sizeof(WORD),fpw);
	//fpw +=2;
	fwrite(&strHead,1,sizeof(tagBITMAPFILEHEADER),fpw);
	strInfo.biWidth = 2 * width;
	strInfo.biHeight = 2 * height;
	fwrite(&strInfo,1,sizeof(tagBITMAPINFOHEADER),fpw);
	//保存调色板数据
	for(unsigned int nCounti=0;nCounti<strInfo.biClrUsed;nCounti++)
	{
		fwrite(&strPla[nCounti].rgbBlue,1,sizeof(BYTE),fpw);
		fwrite(&strPla[nCounti].rgbGreen,1,sizeof(BYTE),fpw);
		fwrite(&strPla[nCounti].rgbRed,1,sizeof(BYTE),fpw);
		fwrite(&strPla[nCounti].rgbReserved,1,sizeof(BYTE),fpw);
	}
	//保存像素数据
	for(int i =0;i < 2 * height;++i)
	{
		for(int j = 0;j < 2 * width;++j)
		{
			fwrite( &((*(imagedataRot + i * 2 * width + j)).blue),1,sizeof(BYTE),fpw);
			//fwrite( &((*(imagedataRot + i * 2 * width + j)).green),1,sizeof(BYTE),fpw);
			//fwrite( &((*(imagedataRot + i * 2 * width + j)).red),1,sizeof(BYTE),fpw);
		}
	}
	fclose(fpw);

	//释放内存
	delete[] imagedata;
	delete[] imagedataRot;
}

数据测试：

旋转前和旋转后的对比（45度）：

彩色图：

彩色图的处理和灰度图略有不一样。主要是像素数据不同。由于每行数据的字节数必须是4的整数倍，这个地方处理起来要比灰度图麻烦很多，多以暂时还没做好。本程序的局限性就是只能处理尺寸是4的整数倍的图片，可以旋转任意角度(逆时针)。

参考代码：分两个文件：BmpRot.h和BmpRot.cpp

BmpRot.h：

typedef unsigned char BYTE;
typedef unsigned short WORD;
typedef unsigned int DWORD;
typedef long LONG;

//位图文件头定义;
//其中不包含文件类型信息（由于结构体的内存结构决定，
//要是加了的话将不能正确读取文件信息）
typedef struct  tagBITMAPFILEHEADER{
	//WORD bfType;//文件类型，必须是0x424D，即字符“BM”
	DWORD bfSize;//文件大小
	WORD bfReserved1;//保留字
	WORD bfReserved2;//保留字
	DWORD bfOffBits;//从文件头到实际位图数据的偏移字节数
}BITMAPFILEHEADER;

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
	DWORD biSize;//信息头大小
	LONG biWidth;//图像宽度
	LONG biHeight;//图像高度
	WORD biPlanes;//位平面数，必须为1
	WORD biBitCount;//每像素位数
	DWORD  biCompression; //压缩类型
	DWORD  biSizeImage; //压缩图像大小字节数
	LONG  biXPelsPerMeter; //水平分辨率
	LONG  biYPelsPerMeter; //垂直分辨率
	DWORD  biClrUsed; //位图实际用到的色彩数
	DWORD  biClrImportant; //本位图中重要的色彩数
}BITMAPINFOHEADER; //位图信息头定义

typedef struct tagRGBQUAD{
	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;//调色板定义

//像素信息
typedef struct tagIMAGEDATA
{
	BYTE red;
	BYTE green;
	BYTE blue;
}IMAGEDATA;

BmpRot.cpp：

#include <stdio.h>
#include "BmpRot.h"
#include "stdlib.h"
#include "math.h"
#include <iostream>

#define PI 3.14159//圆周率宏定义
#define LENGTH_NAME_BMP 30//bmp图片文件名的最大长度

using namespace std;

//变量定义
BITMAPFILEHEADER strHead;
RGBQUAD strPla[256];//256色调色板
BITMAPINFOHEADER strInfo;

//显示位图文件头信息
void showBmpHead(BITMAPFILEHEADER pBmpHead){
	cout<<"位图文件头:"<<endl;
	cout<<"文件大小:"<<pBmpHead.bfSize<<endl;
	cout<<"保留字_1:"<<pBmpHead.bfReserved1<<endl;
	cout<<"保留字_2:"<<pBmpHead.bfReserved2<<endl;
	cout<<"实际位图数据的偏移字节数:"<<pBmpHead.bfOffBits<<endl<<endl;
}

void showBmpInforHead(tagBITMAPINFOHEADER pBmpInforHead){
	cout<<"位图信息头:"<<endl;
	cout<<"结构体的长度:"<<pBmpInforHead.biSize<<endl;
	cout<<"位图宽:"<<pBmpInforHead.biWidth<<endl;
	cout<<"位图高:"<<pBmpInforHead.biHeight<<endl;
	cout<<"biPlanes平面数:"<<pBmpInforHead.biPlanes<<endl;
	cout<<"biBitCount采用颜色位数:"<<pBmpInforHead.biBitCount<<endl;
	cout<<"压缩方式:"<<pBmpInforHead.biCompression<<endl;
	cout<<"biSizeImage实际位图数据占用的字节数:"<<pBmpInforHead.biSizeImage<<endl;
	cout<<"X方向分辨率:"<<pBmpInforHead.biXPelsPerMeter<<endl;
	cout<<"Y方向分辨率:"<<pBmpInforHead.biYPelsPerMeter<<endl;
	cout<<"使用的颜色数:"<<pBmpInforHead.biClrUsed<<endl;
	cout<<"重要颜色数:"<<pBmpInforHead.biClrImportant<<endl;
}

int main(){
	char strFile[LENGTH_NAME_BMP];//bmp文件名
	IMAGEDATA *imagedata = NULL;//动态分配存储原图片的像素信息的二维数组
	IMAGEDATA *imagedataRot = NULL;//动态分配存储旋转后的图片的像素信息的二维数组
	int width,height;//图片的宽度和高度
	cout<<"请输入所要读取的文件名:"<<endl;
	cin>>strFile;
	FILE *fpi,*fpw;
	fpi=fopen(strFile,"rb");
	if(fpi != NULL){
		//先读取文件类型
		WORD bfType;
		fread(&bfType,1,sizeof(WORD),fpi);
		if(0x4d42!=bfType)
		{
			cout<<"the file is not a bmp file!"<<endl;
			return NULL;
		}
		//读取bmp文件的文件头和信息头
		fread(&strHead,1,sizeof(tagBITMAPFILEHEADER),fpi);
		//showBmpHead(strHead);//显示文件头
		fread(&strInfo,1,sizeof(tagBITMAPINFOHEADER),fpi);
		//showBmpInforHead(strInfo);//显示文件信息头

		//读取调色板
		for(unsigned int nCounti=0;nCounti<strInfo.biClrUsed;nCounti++)
		{
			//存储的时候，一般去掉保留字rgbReserved
			fread((char *)&strPla[nCounti].rgbBlue,1,sizeof(BYTE),fpi);
			fread((char *)&strPla[nCounti].rgbGreen,1,sizeof(BYTE),fpi);
			fread((char *)&strPla[nCounti].rgbRed,1,sizeof(BYTE),fpi);
			cout<<"strPla[nCounti].rgbBlue"<<strPla[nCounti].rgbBlue<<endl;
			cout<<"strPla[nCounti].rgbGreen"<<strPla[nCounti].rgbGreen<<endl;
			cout<<"strPla[nCounti].rgbRed"<<strPla[nCounti].rgbRed<<endl;
		}

		width = strInfo.biWidth;
		height = strInfo.biHeight;
		imagedata = (IMAGEDATA*)malloc(width * height * sizeof(IMAGEDATA));
		imagedataRot = (IMAGEDATA*)malloc(2 * width * 2 * height * sizeof(IMAGEDATA));
		//初始化原始图片的像素数组
		for(int i = 0;i < height;++i)
		{
			for(int j = 0;j < width;++j)
			{
				(*(imagedata + i * width + j)).blue = 0;
				(*(imagedata + i * width + j)).green = 0;
				(*(imagedata + i *  width + j)).red = 0;
			}
		}
		//初始化旋转后图片的像素数组
		for(int i = 0;i < 2 * height;++i)
		{
			for(int j = 0;j < 2 * width;++j)
			{
				(*(imagedataRot + i * 2 * width + j)).blue = 0;
				(*(imagedataRot + i * 2 * width + j)).green = 0;
				(*(imagedataRot + i * 2 * width + j)).red = 0;
			}
		}
		//fseek(fpi,54,SEEK_SET);
		//读出图片的像素数据
		fread(imagedata,sizeof(struct tagIMAGEDATA) * width,height,fpi);
		/*
		for(int i = 0;i < height;++i)
		{
			fread(imagedata + i * width * sizeof(IMAGEDATA),sizeof(struct tagIMAGEDATA) * width,height,fpi);
		}*/
		fclose(fpi);
	}
	else
	{
		cout<<"file open error!"<<endl;
		return NULL;
	}

	//图片旋转处理
	int RotateAngle;//要旋转的角度数
	double angle;//要旋转的弧度数
	int midX_pre,midY_pre,midX_aft,midY_aft;//旋转所围绕的中心点的坐标
	midX_pre = width / 2;
	midY_pre = height / 2;
	midX_aft = width;
	midY_aft = height;
	int pre_i,pre_j,after_i,after_j;//旋转前后对应的像素点坐标
	cout<<"输入要旋转的角度（0度到360度，逆时针旋转）："<<endl;
	cin>>RotateAngle;
	angle = 1.0 * RotateAngle * PI / 180;
	for(int i = 0;i < 2 * height;++i)
	{
		for(int j = 0;j < 2 * width;++j)
		{
			after_i = i - midY_aft;//坐标变换
			after_j = j - midX_aft;
			pre_i = (int)(cos((double)angle) * after_i - sin((double)angle) * after_j) + midY_pre;
			pre_j = (int)(sin((double)angle) * after_i + cos((double)angle) * after_j) + midX_pre;
			if(pre_i >= 0 && pre_i < height && pre_j >= 0 && pre_j < width)//在原图范围内
				*(imagedataRot + i * 2 * width + j) = *(imagedata + pre_i * width + pre_j);
		}
	}

	//保存bmp图片
	if((fpw=fopen("b.bmp","wb"))==NULL)
	{
		cout<<"create the bmp file error!"<<endl;
		return NULL;
	}
	WORD bfType_w=0x4d42;
	fwrite(&bfType_w,1,sizeof(WORD),fpw);
	//fpw +=2;
	fwrite(&strHead,1,sizeof(tagBITMAPFILEHEADER),fpw);
	strInfo.biWidth = 2 * width;
	strInfo.biHeight = 2 * height;
	fwrite(&strInfo,1,sizeof(tagBITMAPINFOHEADER),fpw);
	//保存调色板数据
	for(unsigned int nCounti=0;nCounti<strInfo.biClrUsed;nCounti++)
	{
		fwrite(&strPla[nCounti].rgbBlue,1,sizeof(BYTE),fpw);
		fwrite(&strPla[nCounti].rgbGreen,1,sizeof(BYTE),fpw);
		fwrite(&strPla[nCounti].rgbRed,1,sizeof(BYTE),fpw);
	}
	//保存像素数据
	for(int i =0;i < 2 * height;++i)
	{
		for(int j = 0;j < 2 * width;++j)
		{
			fwrite( &(*(imagedataRot + i * 2 * width + j)).red,1,sizeof(BYTE),fpw);//注意三条语句的顺序：否则颜色会发生变化
			fwrite( &(*(imagedataRot + i * 2 * width + j)).green,1,sizeof(BYTE),fpw);
			fwrite( &(*(imagedataRot + i * 2 * width + j)).blue,1,sizeof(BYTE),fpw);
		}
	}
	fclose(fpw);

	//释放内存
	delete[] imagedata;
	delete[] imagedataRot;
}

数据测试：（旋转10°）

注意：颜色问题已解决。请看代码中注释部分。

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