Формат файла BMP - BMP file format

В Формат файла BMP, также известный как файл растрового изображения, формат файла растрового изображения (DIB), независимый от устройства и битовая карта, это растровая графика формат файла изображения используется для хранения битовая карта цифровые изображения, независимо от устройство отображения (например, графический адаптер ), особенно на Майкрософт Виндоус^[2] и OS / 2^[3] операционные системы.

Формат файла BMP может хранить двумерный цифровые изображения как монохромный и цвет, в различных глубина цвета, и, возможно, с Сжатие данных, альфа-каналы, и цветовые профили. В Метафайл Windows (WMF) охватывает формат файла BMP.^[4]

Независимые от устройства растровые изображения и формат файла BMP

Диаграмма 1 - Структура файла растрового изображения

Microsoft определила конкретное представление цветных растровых изображений с разной глубиной цвета в качестве помощи для обмена растровыми изображениями между устройствами и приложениями с различными внутренними представлениями. Они назвали эти независимые от устройства растровые изображения или DIB, а формат файла для них называется форматом файла DIB или форматом файла изображения BMP.

По данным службы поддержки Microsoft:^[5]

Не зависящие от устройства растровые изображения (DIB) - это формат, используемый для определения независимых от устройств растровых изображений с различным цветовым разрешением. Основная цель DIB - разрешить перенос растровых изображений с одного устройства на другое (отсюда и независимая от устройства часть имени). DIB - это внешний формат, в отличие от зависящего от устройства растрового изображения, которое появляется в системе как растровый объект (созданный приложением ...). DIB обычно переносится в метафайлах (обычно с использованием функции StretchDIBits ()), файлах BMP и буфере обмена (формат данных CF_DIB).

В следующих разделах подробно обсуждаются данные, хранящиеся в файле BMP или DIB. Это стандартный формат файла BMP.^[5] Некоторые приложения создают файлы растровых изображений, которые не соответствуют документации Microsoft. Кроме того, используются не все поля; в этих неиспользуемых полях будет найдено значение 0.

Файловая структура

Файл растрового изображения состоит из структур фиксированного размера (заголовков), а также структур переменного размера, появляющихся в заранее определенной последовательности. В файле может появиться множество различных версий некоторых из этих структур из-за длительного развития этого формата файла.

Ссылаясь на схему 1, файл растрового изображения состоит из структур в следующем порядке:

DIB в памяти

Файл растрового изображения, загруженный в память, становится структурой данных DIB - важным компонентом Windows GDI API. Структура данных DIB в памяти почти такая же, как и в формате файла BMP, но не содержит 14-байтового заголовка файла растрового изображения и начинается с заголовка DIB. Для DIB, загруженных в память, таблица цветов может также состоять из 16-битных записей, составляющих индексы для текущей реализованной палитры.^[8] (дополнительный уровень косвенности) вместо явных определений цветов RGB. Во всех случаях массив пикселей должен начинаться с адреса памяти, кратного 4 байтам. В неупакованных DIB, загруженных в память, необязательные данные цветового профиля должны располагаться сразу после таблицы цветов и перед промежутком1 и массивом пикселей.^[7] (в отличие от рис. 1).

Когда размер gap1 и gap2 равен нулю, структура данных DIB в памяти обычно упоминается как «упакованный DIB» и может упоминаться одним указателем, указывающим на начало заголовка DIB. Во всех случаях массив пикселей должен начинаться с адреса памяти, кратного 4 байтам. В некоторых случаях может потребоваться настроить количество записей в таблице цветов, чтобы заставить адрес памяти массива пикселей быть кратным 4 байтам.^[8] Для «упакованных DIB», загруженных в память, необязательные данные цветового профиля должны сразу следовать за массивом пикселей, как показано на диаграмме diag. 1 (с разрывом 1 = 0 и разрывом 2 = 0).^[7]
«Упакованные DIB» требуются Windows функции API буфера обмена, а также некоторые функции кисти и ресурсов Windows с рисунком.^[9]

Заголовок файла растрового изображения

Этот блок байтов находится в начале файла и используется для идентификации файла. Типичное приложение сначала читает этот блок, чтобы убедиться, что файл на самом деле является файлом BMP и не поврежден. Первые 2 байта формата файла BMP - это символ «B», затем символ «M» в ASCII кодирование. Все целые значения хранятся в прямой порядок байтов формат (т.е. сначала младший байт).

Заголовок DIB (заголовок информации о битовой карте)

Этот блок байтов сообщает приложению подробную информацию об изображении, которое будет использоваться для вывода изображения на экран. Блок также соответствует заголовку, используемому внутри Windows и OS / 2, и имеет несколько различных вариантов. Все они содержат поле dword (32-битное) с указанием их размера, чтобы приложение могло легко определить, какой заголовок используется в изображении. Причина того, что существуют разные заголовки, заключается в том, что Microsoft несколько раз расширяла формат DIB. Новые расширенные заголовки могут использоваться с некоторыми функциями GDI вместо старых, обеспечивая большую функциональность. Поскольку GDI поддерживает функцию загрузки файлов растровых изображений, типичные приложения Windows используют эту функцию. Одним из следствий этого является то, что для таких приложений поддерживаемые ими форматы BMP соответствуют форматам, поддерживаемым запущенной версией Windows. См. Дополнительную информацию в таблице ниже.

Windows 2.x BITMAPCOREHEADER отличается от OS / 2 1.x BITMAPCOREHEADER (показанного в таблице выше) тем, что поля ширины и высоты изображения являются целыми числами со знаком, а не беззнаковыми.^[13]

Версии после BITMAPCOREHEADER только добавляйте поля в конец заголовка предыдущей версии. Например: BITMAPV2INFOHEADER добавляет поля в BITMAPINFOHEADER, и BITMAPV3INFOHEADER добавляет поля в BITMAPV2INFOHEADER.

Был введен интегрированный альфа-канал с недокументированными BITMAPV3INFOHEADER и с задокументированными BITMAPV4HEADER (поскольку Windows 95 ) и используется в Windows XP система входа и темы, а также Microsoft Office (с v2000); это поддерживается некоторыми редактирование изображений программное обеспечение, такое как Adobe Photoshop начиная с версии 7 и Adobe Flash начиная с версии MX 2004 (тогда известной как Macromedia Flash). Это также поддерживается GIMP, Гугл Хром, Microsoft PowerPoint и Microsoft Word.

По соображениям совместимости большинство приложений используют старые заголовки DIB для сохранения файлов. Поскольку OS / 2 больше не поддерживается после Windows 2000, на данный момент распространенным форматом Windows является BITMAPINFOHEADER заголовок. См. Описание в следующей таблице. Все значения сохраняются как целые числа без знака, если явно не указано иное.

Метод сжатия (смещение 30) может быть:

OS / 2 2.x OS22XBITMAPHEADER (BITMAPINFOHEADER2 в документации IBM) содержит 24 дополнительных байта:^[3]

Алгоритм полутонового изображения (смещение 60) может быть:

Таблица цветов

Таблица цветов (палитра) находится в файле изображения BMP сразу после заголовка файла BMP, заголовка DIB (и после дополнительных трех красных, зеленых и синих битовых масок, если BITMAPINFOHEADER заголовок с опцией BI_BITFIELDS или BI_ALPHABITFIELDS). Следовательно, его смещение - это размер BITMAPFILEHEADER плюс размер заголовка DIB (плюс дополнительные 12 байтов для трех битовых масок).
Примечание: на Windows CE в BITMAPINFOHEADER заголовок можно использовать с BI_ALPHABITFIELDS^[6] опция в элементе biCompression.

Количество записей в палитре - либо 2^п (где n - количество бит на пиксель) или меньшее число, указанное в заголовке (в OS / 2 BITMAPCOREHEADER формат заголовка, поддерживается только полноразмерная палитра).^[3][5] В большинстве случаев каждая запись в таблице цветов занимает 4 байта в следующем порядке: синий, зеленый, красный, 0x00 (исключения см. Ниже). Это индексируется в BITMAPINFOHEADER под функцией biBitCount.

Таблица цветов - это блок байтов (таблица), в котором перечислены цвета, используемые изображением. Каждый пиксель в индексированном цветном изображении описывается числом битов (1, 4 или 8), которое является индексом одного цвета, описанного в этой таблице. Целью цветовой палитры в индексированных цветных растровых изображениях является информирование приложения о фактическом цвете, которому соответствует каждое из этих значений индекса. Назначение таблицы цветов в неиндексированных (не палитрах) растровых изображений - перечислить цвета, используемые растровым изображением, для целей оптимизации на устройствах с ограниченными возможностями отображения цвета и облегчить будущее преобразование в различные форматы пикселей и палитру.

Цвета в таблице цветов обычно указываются в 4 байтах на запись. RGBA32 формат. Таблица цветов, используемая с OS / 2 BITMAPCOREHEADER использует 3 байта на запись RGB24 формат.^[3][5] Для DIB, загруженных в память, таблица цветов может дополнительно состоять из 2-байтовых записей - эти записи представляют собой индексы к текущей реализованной палитре.^[8] вместо явных определений цветов RGB.

Microsoft не запрещает наличие допустимой битовой маски альфа-канала^[15] в BITMAPV4HEADER и BITMAPV5HEADER для индексированных цветных изображений 1bpp, 4bpp и 8bpp, что указывает на то, что записи таблицы цветов могут также указывать альфа-компонент с помощью 8.8.8.[0-8].[0-8] формат через RGBQUAD.rgbReserved^[16] член. Однако некоторые версии документации Microsoft запрещают эту функцию, заявляя, что член RGBQUAD.rgbReserved «должен быть равен нулю».

Как упоминалось выше, таблица цветов обычно не используется, если пиксели имеют формат 16 бит на пиксель (16 бит на пиксель) (и выше); в этих файлах растровых изображений обычно нет записей таблицы цветов. Однако документация Microsoft (на веб-сайте MSDN с 16 ноября 2010 г.^[17]) указывает, что для 16 бит на пиксель (и выше) может присутствовать таблица цветов для хранения списка цветов, предназначенных для оптимизации на устройствах с ограниченными возможностями цветного отображения, а также указывает, что в таких случаях нет записей проиндексированной палитры в эта таблица цветов. Это может показаться противоречием, если не делается различий между обязательными записями палитры и дополнительным списком цветов.

Пиксельное хранилище

Биты, представляющие пиксели растрового изображения, упакованный рядами. Размер каждой строки округляется до значения, кратного 4 байтам (32-битное DWORD ) путем заполнения.

Для изображений с высотой выше 1 несколько заполненных строк сохраняются последовательно, образуя массив пикселей.

Общее количество байтов, необходимых для хранения одной строки пикселей, можно рассчитать как:

${ displaystyle { text {RowSize}} = left lceil { frac {{ text {BitsPerPixel}} cdot { text {ImageWidth}}} {32}} right rceil cdot 4 = left lfloor { frac {{ text {BitsPerPixel}} cdot { text {ImageWidth}} + 31} {32}} right rfloor cdot 4,}$

ImageWidth выражается в пикселях. В приведенном выше уравнении используется функции пола и потолка.

Общее количество байтов, необходимое для хранения массива пикселей в п бит на пиксель (bpp) изображения, с 2^п цветов, можно рассчитать, учитывая эффект округления размера каждой строки до кратного 4 байтам следующим образом:

PixelArraySize = RowSize · |ImageHeight|

ImageHeight выражается в пикселях. Абсолютное значение необходимо, потому что ImageHeight выражается как отрицательное число для изображений сверху вниз.

Массив пикселей (данные растрового изображения)

Массив пикселей представляет собой блок 32-битных DWORD, который описывает изображение пиксель за пикселем. Обычно пиксели хранятся «снизу вверх», начиная с нижнего левого угла, идя слева направо, а затем построчно снизу вверх.^[5] Пока не BITMAPCOREHEADER Несжатые растровые изображения Windows также могут храниться сверху вниз, если значение высоты изображения отрицательное.

В исходной OS / 2 DIB единственными четырьмя допустимыми значениями глубины цвета были 1, 4, 8 и 24 бита на пиксель (bpp).^[5] Современные заголовки DIB допускают форматы пикселей с 1, 2, 4, 8, 16, 24 и 32 битами на пиксель (bpp).^[18] GDI + также разрешает 64 бита на пиксель.^[19]

Байты заполнения (не обязательно 0) должны быть добавлены в конец строк, чтобы увеличить длину строк до кратной четырем байтам. Когда массив пикселей загружается в память, каждая строка должна начинаться с адреса памяти, кратного 4. Это ограничение адреса / смещения является обязательным только для массивов пикселей, загруженных в память. В целях хранения файлов только размер каждой строки должен быть кратен 4 байтам, а смещение файла может быть произвольным.^[5] 24-битное растровое изображение с Width = 1 будет иметь 3 байта данных на строку (синий, зеленый, красный) и 1 байт заполнения, тогда как Width = 2 будет иметь 6 байтов данных и 2 байта заполнения, Width = 3 будет иметь 9 байтов данных и 3 байта заполнения, а ширина = 4 будет иметь 12 байтов данных без заполнения.

Сжатие

• Проиндексировано цветные изображения могут быть сжаты с 4 или 8 битами RLE или же Хаффман 1D алгоритм.
• OS / 2 BITMAPCOREHEADER2 24bpp изображения могут быть сжаты с помощью 24-битного алгоритма RLE.
• В 16bpp и 32bpp изображения всегда хранится без сжатия.
• Обратите внимание, что изображения с любой глубиной цвета при желании можно сохранять без сжатия.

Формат пикселей

• Формат 1 бит на пиксель (1 бит на пиксель) поддерживает 2 различных цвета (например: черный и белый). Значения пикселей хранятся в каждом бите, причем первый (крайний левый) пиксель находится в самом старшем бите первого байта.^[5] Каждый бит представляет собой указатель в таблице из двух цветов. Неустановленный бит будет относиться к первой записи таблицы цветов, а установленный бит будет относиться к последней (второй) записи таблицы цветов.
• Формат 2 бита на пиксель (2bpp) поддерживает 4 различных цвета и сохраняет 4 пикселя на 1 байт, причем крайний левый пиксель находится в двух наиболее значимых битах (Windows CE Только:^[20]). Каждое значение пикселя представляет собой 2-битный индекс в таблице, содержащей до 4 цветов.
• Формат 4-бит на пиксель (4bpp) поддерживает 16 различных цветов и сохраняет 2 пикселя на 1 байт, причем крайний левый пиксель находится в более значимом грызть.^[5] Каждое значение пикселя представляет собой 4-битный индекс в таблице, содержащей до 16 цветов.
• Формат 8 бит на пиксель (8bpp) поддерживает 256 различных цветов и сохраняет 1 пиксель на 1 байт. Каждый байт является индексом в таблице, содержащей до 256 цветов.
• Формат 16 бит на пиксель (16 бит на пиксель) поддерживает 65536 различных цветов и сохраняет 1 пиксель на 2-байтовое СЛОВО. Каждое СЛОВО может определять альфа, красный, зеленый и синий образцы пикселя.
• Формат 24-битных пикселей (24bpp) поддерживает 16 777 216 различных цветов и сохраняет значение 1 пикселя на 3 байта. Каждое значение пикселя определяет образцы красного, зеленого и синего цвета пикселя (8.8.8.0.0 в нотации RGBAX). Конкретно в порядке: синий, зеленый и красный (по 8 бит на каждый отсчет).^[5]
• Формат 32 бит на пиксель (32 бит на пиксель) поддерживает 4 294 967 296 различных цветов и сохраняет 1 пиксель на 4-байтовый DWORD. Каждый DWORD может определять альфа, красный, зеленый и синий образцы пикселя.

Чтобы разрешить неоднозначность того, какие биты определяют, какие выборки, заголовки DIB предоставляют определенные значения по умолчанию, а также определенные BITFIELDS, которые являются битовыми масками, которые определяют принадлежность определенной группы битов в пикселе к определенной канал. Следующая диаграмма определяет этот механизм:

Диаг. 2 - Механизм BITFIELDS для 32-битного пикселя, представленного в нотации длины выборки RGBAX

Поля выборки, определенные битовыми масками BITFIELDS, должны быть смежными и не перекрываться, но порядок полей выборки произвольный. Наиболее распространенный порядок полей: альфа, синий, зеленый, красный (от MSB к LSB). Красная, зеленая и синяя битовые маски действительны только тогда, когда элемент сжатия заголовка DIB установлен на BI_BITFIELDS. Альфа-битовая маска действительна всякий раз, когда она присутствует в заголовке DIB или когда элемент сжатия заголовка DIB установлен в BI_ALPHABITFIELDS^[6] (Windows CE Только).

Диаг. 3 - Формат пикселей с альфа-каналом для 16-битного пикселя (в обозначении длины образца RGBAX), фактически созданный Adobe Photoshop.^[21]

Все возможные форматы пикселей в DIB

Подтипы видео RGB

Описанный выше механизм BITFIELD позволяет определять десятки тысяч различных форматов пикселей, однако на практике используются только некоторые из них,^[21] все форматы палитры RGB8, RGB4 и RGB1 (отмечены желтым в таблице выше, dshow.h MEDIASUBTYPE) и:

В версии 2.1.4 FFmpeg поддерживает (в собственной терминологии) форматы пикселей BMP bgra, bgr24, rgb565le, rgb555le, rgb444le, rgb8, bgr8, rgb4_byte, bgr4_byte, серый, pal8, и моноб; т.е. бгра был единственным поддерживаемым форматом пикселей с прозрачностью.^[23]

Пример 1 растрового изображения 2 × 2 пикселя с кодировкой 24 бит / пиксель

Пример 1

Ниже приведен пример 24-битного растрового изображения размером 2 × 2 пикселя (заголовок Windows DIB BITMAPINFOHEADER) с форматом пикселей RGB24.

Пример 2 растрового изображения 4 × 2 пикселя с кодировкой 32 бит / пиксель

Пример 2

Ниже приведен пример 32-битного растрового изображения размером 4 × 2 пикселя со значениями непрозрачности в альфа-канале (заголовок Windows DIB BITMAPV4HEADER) с форматом пикселей ARGB32.

Обратите внимание, что данные растрового изображения начинаются с нижнего левого угла изображения.

Использование формата BMP

Простота формата файла BMP и его широкое распространение в Windows и других странах, а также тот факт, что этот формат относительно хорошо документирован и не защищен патентами, делают его очень распространенным форматом, который программы обработки изображений из многих операционных систем могут читать. и писать^{[нужна цитата ]}. ICO и файлы CUR содержат растровые изображения, начинающиеся с BITMAPINFOHEADER.

Много старше графический пользовательский интерфейс использовали растровые изображения в своих встроенных графических подсистемах;^[24] например, платформы Microsoft Windows и OS / 2 » GDI подсистема, где конкретным используемым форматом является Формат файлов растровых изображений Windows и OS / 2, обычно именуемые расширение файла из .BMP.^[25]

Хотя большинство файлов BMP имеют относительно большой размер из-за отсутствия какого-либо сжатия (или, как правило, с низким коэффициентом сжатия) кодирование длин серий на изображениях на поддонах), многие файлы BMP можно значительно сжать с помощью сжатие данных без потерь такие алгоритмы как ZIP потому что они содержат избыточные данные. Некоторые форматы, например RAR, даже включать процедуры, специально предназначенные для эффективного сжатия таких данных.

Связанные форматы

В X Window System использует аналогичный XBM формат для черно-белых изображений и XPM (пиксельная карта) для цветных изображений. Также существует множество «сырых» форматов, в которых необработанные данные сохраняются без какой-либо другой информации. В Portable Pixmap (PPM) и Truevision TGA форматы тоже существуют, но используются реже - или только для специальных целей; например, TGA может содержать информацию о прозрачности.

Рекомендации

внешняя ссылка

• Структура растрового файла, на digicamsoft.com
• Введение в DIB (растровые изображения, независимые от устройства), на herdsoft.com
• Класс C ++ простой загрузчик растровых изображений, на kalytta.com (A2R10G10B10 еще не^{[Обновить]} поддерживается)
• Формат файла BMP, часть 1 Дэвид Чарлэп в журнале программных средств доктора Добба (drdobbs.com), март 1995 г.