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音视频入门04BMP图像四字节对齐的问题

jiezi

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BMP 图像四字节对齐

表示 BMP 位图中像素的位元是以行为单位对齐存储的，每一行的大小都向上取整为 4 字节（32 位 DWORD）的倍数。如果图像的高度大于 1，多个经过填充实现对齐的行就形成了像素数组。

完整存储的一行像素所需的字节数可以通过这个公式计算：

  • 每一行的末尾通过填充若干个字节的数据（并不一定为 0）使该行的长度为 4 字节的倍数。像素数组读入内存后，每一行的起始地址必须为 4 的倍数。这个限制仅针对内存中的像素数组，针对存储时，仅要求每一行的大小为 4 字节的倍数，对文件的偏移没有限制。
  • 例如：对于 24 位色的位图，如果它的宽度为 1 像素，那么除了每一行的数据（蓝、绿、红）需要占 3 字节外，还会填充 1 字节；而如果宽为 2 像素，则需要 2 字节的填充；宽为 3 像素时，需要 3 字节填充；宽为 4 像素时则不需要填充。
  • 图像相同的条件下，位图图像文件通常比使用其它压缩算法的图像文件大很多。

四字节对齐问题 - 发现

没有四字节对齐的 700×700 BMP 文件

之前，用 RGB 拼出一张 700×700 的彩虹图片，并成功保存成 BMP 文件。

当时并没有进行四字节对齐，保存成的 BMP 文件也没有问题。

<br/>

原因：
根据四字节对齐的要求，700 x 3 = 2100，2100 / 4 = 525，行像素数据已经四字节对齐了。

如果没有对齐会怎么样

将图片尺寸改成 711×711：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 彩虹的七种颜色
u_int32_t rainbowColors[] = {
        0XFF0000, // 红
        0XFFA500, // 橙
        0XFFFF00, // 黄
        0X00FF00, // 绿
        0X007FFF, // 青
        0X0000FF, // 蓝
        0X8B00FF  // 紫
};

/*bmp file header*/
typedef struct {
    unsigned int   bfSize;           /* Size of file */
    unsigned short bfReserved1;      /* Reserved */
    unsigned short bfReserved2;      /* ... */
    unsigned int   bfOffBits;        /* Offset to bitmap data */
} BitmapFileHeader;

/*bmp info header*/
typedef struct {
    unsigned int   biSize; /* Size of info header */
    int            biWidth; /* Width of image */
    int            biHeight; /* Height of image */
    unsigned short biPlanes; /* Number of color planes */
    unsigned short biBitCount; /* Number of bits per pixel */
    unsigned int   biCompression; /* Type of compression to use */
    unsigned int   biSizeImage; /* Size of image data */
    int            biXPelsPerMeter; /* X pixels per meter */
    int            biYPelsPerMeter; /* Y pixels per meter */
    unsigned int   biClrUsed; /* Number of colors used */
    unsigned int   biClrImportant; /* Number of important colors */
} BitmapInfoHeader;

void writeRGBToBmp(char *filename, int width, int height) {FILE *bitmapFile = fopen(filename, "wb");
    if(!bitmapFile) {printf("Could not write file \n");
        return;
    }

    uint16_t bfType = 0x4d42;

    BitmapFileHeader fileHeader;
    fileHeader.bfReserved1 = 0;
    fileHeader.bfReserved2 = 0;
    fileHeader.bfSize = 2 + sizeof(BitmapFileHeader) + sizeof(BitmapInfoHeader) + width*height*3;
    fileHeader.bfOffBits = 0x36;

    BitmapInfoHeader infoHeader;
    infoHeader.biSize = sizeof(BitmapInfoHeader);
    infoHeader.biWidth = width;
    infoHeader.biHeight = -height;
    infoHeader.biPlanes = 1;
    infoHeader.biBitCount = 24;
    infoHeader.biSizeImage = 0;
    infoHeader.biCompression = 0;
    infoHeader.biXPelsPerMeter = 5000;
    infoHeader.biYPelsPerMeter = 5000;
    infoHeader.biClrUsed = 0;
    infoHeader.biClrImportant = 0;

    fwrite(&bfType, sizeof(bfType), 1, bitmapFile);
    fwrite(&fileHeader, sizeof(fileHeader), 1, bitmapFile);
    fwrite(&infoHeader, sizeof(infoHeader), 1, bitmapFile);

    for (int i = 0; i < width; ++i) {

        // 当前颜色
        u_int32_t currentColor = rainbowColors[0];
        if(i < 100) {currentColor = rainbowColors[0];
        } else if(i < 200) {currentColor = rainbowColors[1];
        } else if(i < 300) {currentColor = rainbowColors[2];
        } else if(i < 400) {currentColor = rainbowColors[3];
        } else if(i < 500) {currentColor = rainbowColors[4];
        } else if(i < 600) {currentColor = rainbowColors[5];
        } else if(i < 700) {currentColor = rainbowColors[6];
        }
        // 当前颜色 R 分量
        u_int8_t R = (currentColor & 0xFF0000) >> 16;
        // 当前颜色 G 分量
        u_int8_t G = (currentColor & 0x00FF00) >> 8;
        // 当前颜色 B 分量
        u_int8_t B = currentColor & 0x0000FF;

        for (int j = 0; j < height; ++j) {
            // 按 BGR 顺序写入一个像素 RGB24 到文件中
            fwrite(&B, 1, 1, bitmapFile);
            fwrite(&G, 1, 1, bitmapFile);
            fwrite(&R, 1, 1, bitmapFile);
        }
    }

    fclose(bitmapFile);
}

int main() {writeRGBToBmp("/Users/hubin/Desktop/rainbow-711x711.bmp", 711, 711);
    return 0;
}

<br/>

彩虹图片已经无法显示出来了：

四字节对齐问题 - 解决

计算一行像素，四字节对齐后的字节数 

// 计算每一行像素 4 字节对齐后的字节数
int caculateLineBytes(int width) {
    //******* 四字节对齐 *******
    return (24 * width + 31)/32 *4;
    //******* 四字节对齐 *******
}

写入一行像素的数据 

// 计算一行像素四字节对齐所需字节数
int lineBytes = caculateLineBytes(width);

for (int i = 0; i < width; ++i) {u_int32_t currentColor = rainbowColors[i];
    u_int8_t R = (currentColor & 0xFF0000) >> 16;
    u_int8_t G = (currentColor & 0x00FF00) >> 8;
    u_int8_t B = currentColor & 0x0000FF;

    // 存储一行像素数据的数组
    u_int8_t lineBytesArray[lineBytes];

    for (int j = 0; j < height; ++j) {
        int currentIndex = 3*j;
        lineBytesArray[currentIndex] = B;
        lineBytesArray[currentIndex+1] = G;
        lineBytesArray[currentIndex+2] = R;
    }

    // 将四字节对齐后的一行像素数据写入文件
    fwrite(lineBytesArray, sizeof(lineBytesArray), 1, file);
}

完整的代码 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 彩虹的七种颜色
u_int32_t rainbowColors[] = {
        0XFF0000, // 红
        0XFFA500, // 橙
        0XFFFF00, // 黄
        0X00FF00, // 绿
        0X007FFF, // 青
        0X0000FF, // 蓝
        0X8B00FF  // 紫
};

/*bmp file header*/
typedef struct {
    unsigned int   bfSize;           /* Size of file */
    unsigned short bfReserved1;      /* Reserved */
    unsigned short bfReserved2;      /* ... */
    unsigned int   bfOffBits;        /* Offset to bitmap data */
} BitmapFileHeader;

/*bmp info header*/
typedef struct {
    unsigned int   biSize; /* Size of info header */
    int            biWidth; /* Width of image */
    int            biHeight; /* Height of image */
    unsigned short biPlanes; /* Number of color planes */
    unsigned short biBitCount; /* Number of bits per pixel */
    unsigned int   biCompression; /* Type of compression to use */
    unsigned int   biSizeImage; /* Size of image data */
    int            biXPelsPerMeter; /* X pixels per meter */
    int            biYPelsPerMeter; /* Y pixels per meter */
    unsigned int   biClrUsed; /* Number of colors used */
    unsigned int   biClrImportant; /* Number of important colors */
} BitmapInfoHeader;

// 计算每一行像素 4 字节对齐后的字节数
int caculateLineBytes(int width) {
    //******* 四字节对齐 *******
    return (24 * width + 31)/32 *4;
    //******* 四字节对齐 *******
}

void writeRGBToBmp(char *filename, int width, int height) {FILE *bitmapFile = fopen(filename, "wb");
    if(!bitmapFile) {printf("Could not write file \n");
        return;
    }

    uint16_t bfType = 0x4d42;

    int lineBytes = caculateLineBytes(width);

    BitmapFileHeader fileHeader;
    fileHeader.bfReserved1 = 0;
    fileHeader.bfReserved2 = 0;
    fileHeader.bfSize = 2 + sizeof(BitmapFileHeader) + sizeof(BitmapInfoHeader) + lineBytes*height;
    fileHeader.bfOffBits = 0x36;

    BitmapInfoHeader infoHeader;
    infoHeader.biSize = sizeof(BitmapInfoHeader);
    infoHeader.biWidth = width;
    infoHeader.biHeight = -height;
    infoHeader.biPlanes = 1;
    infoHeader.biBitCount = 24;
    infoHeader.biSizeImage = 0;
    infoHeader.biCompression = 0;
    infoHeader.biXPelsPerMeter = 5000;
    infoHeader.biYPelsPerMeter = 5000;
    infoHeader.biClrUsed = 0;
    infoHeader.biClrImportant = 0;

    fwrite(&bfType, sizeof(bfType), 1, bitmapFile);
    fwrite(&fileHeader, sizeof(fileHeader), 1, bitmapFile);
    fwrite(&infoHeader, sizeof(infoHeader), 1, bitmapFile);

    for (int i = 0; i < width; ++i) {

        // 当前颜色
        u_int32_t currentColor = rainbowColors[0];
        if(i < 100) {currentColor = rainbowColors[0];
        } else if(i < 200) {currentColor = rainbowColors[1];
        } else if(i < 300) {currentColor = rainbowColors[2];
        } else if(i < 400) {currentColor = rainbowColors[3];
        } else if(i < 500) {currentColor = rainbowColors[4];
        } else if(i < 600) {currentColor = rainbowColors[5];
        } else if(i < 700) {currentColor = rainbowColors[6];
        }
        // 当前颜色 R 分量
        u_int8_t R = (currentColor & 0xFF0000) >> 16;
        // 当前颜色 G 分量
        u_int8_t G = (currentColor & 0x00FF00) >> 8;
        // 当前颜色 B 分量
        u_int8_t B = currentColor & 0x0000FF;

        u_int8_t lineBytesArray[lineBytes];

        for (int j = 0; j < height; ++j) {
            int currentIndex = 3*j;
            lineBytesArray[currentIndex] = B;
            lineBytesArray[currentIndex+1] = G;
            lineBytesArray[currentIndex+2] = R;
        }

        fwrite(lineBytesArray, sizeof(lineBytesArray), 1, bitmapFile);
    }
    fclose(bitmapFile);
}

int main() {writeRGBToBmp("/Users/staff/Desktop/rainbow-711x711-fix.bmp", 711, 711);
    return 0;
}

<br/>
711×711 的彩虹图片也显示出来了：

代码：

04-rgb-to-bmp-fix

参考资料：

BMP 图像四字节对齐的问题

维基百科 -BMP

non-dword-aligned-pixel-to-dword-aligned-bitmap

generate-bmp-file-from-array-of-rgb-values

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