BMP位图原理深度解析及编程实现RGB565图片格式转换

1、前言

在Windows的画图软件中可以看到，常见的BMP有如下图所示的几种：单色位图、16色位图、256色位图和24位位图，其颜色深度分别为1、4、8、24。

在一些单片机设备中的LCD显示屏幕中，仅仅支持RGB565这一类的16位颜色深度图像，否则图片显示会有异常。但是在Windows中，并没有直接提供16位颜色深度的BMP图片，需要通过特殊的方式去生成。对于非专业人士，可以使用如PS、GIMP等软件导出RBG565格式的16色位BMP位图。

但为了生成16位的BMP位图去下载大型的图像处理软件比较费时，对于有程序代码经验的开发者，往往使用编程等方式会更加的方便。因此，本文除了对BMP图片进行讲解外，还将以C语言编程的方式，实现RBG565格式的BMP位图生成转换。

2、BMP位图解析

(1)、BMP基础铺垫

BMP：BMP（位图）是一种没有经过压缩的图像格式。图片的大小取决于图像的分辨率和颜色深度。例如，一个分辨率为1024x768像素，颜色深度为24位（每个像素8位红色、8位绿色、8位蓝色）的BMP图像，其大小约为：1024 * 768 * 3 = 2,359,296字节 ≈ 2.3MB。

BMP位图因为没有任何的压缩，因此文件尺寸都比较大，不适合在互联网上传播，优点是数据读取出来即可使用，无需任何解码器支持。

虽然BMP格式文件内部存储的就是RGB数据，无需任何解码，但毕竟RGB数据是纯数据，没有任何图片尺寸、色深等具体信息，因此我们需要了解BMP的格式头，在BMP格式头中获取图片的相关信息，然后才能正确处理内涵的RGB数据。

另外通过研究BMP格式会发现，其RGB的存储遵从一定的规则，比如上下颠倒（扫描方式是从下往上）、4字节行距等，这些在编写程序代码时，都必须要弄清楚，否则图片不能正常显示。

(2)、BMP 格式头解析

BMP文件开头部分是BMP格式头，里面存放了RGB数据的尺寸、分辨率、色深等重要信息。

BMP格式头中包含了如下三个结构体：

bitmap_header（必有）
bitmap_info（必有）
rgb_quad（可选，一般没有）

BMP位图结构体具体定义如下：

struct bitmap_header  // 文件头
{int16_t type; //位图文件的类型，必须为BM(1-2字节）int32_t size; //位图文件的大小，以字节为单位（3-6字节，低位在前）int16_t reserved1;//位图文件保留字，必须为0(7-8字节）int16_t reserved2;//位图文件保留字，必须为0(9-10字节）int32_t offbits; //位图数据的起始位置，以相对于位图（11-14字节，低位在前），文件头的偏移量表示，以字节为单位
}__attribute__((packed));  // 14 字节struct bitmap_info   //　信息头
{int32_t size;   //本结构所占用字节数（15-18字节）int32_t width;  //位图的宽度，以像素为单位（19-22字节）int32_t height; //位图的高度，以像素为单位（23-26字节）int16_t planes; //目标设备的级别，必须为1(27-28字节）int16_t bit_count; //每个像素所需的位数，必须是1（双色),（29-30字节）//4(16色），8(256色）16(高彩色)或24（真彩色）之一int32_t compression;//位图压缩类型，必须是0（不压缩），（31-34字节） //1(BI_RLE8压缩类型）或2(BI_RLE4压缩类型）之一int32_t size_img; //位图的大小(其中包含了为了补齐列数是4的倍数而添加的空字节)，以字节为单位（35-38字节）int32_t X_pel;    //位图水平分辨率，每米像素数（39-42字节）int32_t Y_pel;    //位图垂直分辨率，每米像素数（43-46字节)int32_t clrused;  //位图实际使用的颜色表中的颜色数（47-50字节）int32_t clrImportant; //位图显示过程中重要的颜色数（51-54字节）
}__attribute__((packed));// 以下结构体不一定存在于BMP文件中，除非：
// bitmap_info.compression为真
struct rgb_quad
{int8_t blue;    //蓝色的亮度（值范围为0-255)int8_t green;   //绿色的亮度（值范围为0-255)int8_t red;     //红色的亮度（值范围为0-255)int8_t reserved;//保留，必须为0
}__attribute__((packed));

(3)、BMP位图数据体

BMP位图中，这部分的内容根据BMP位图使用的位数不同而不同，在24位图中直接使用RGB，而其他的小于24位的使用调色板中颜色索引值。

位图数据记录了位图的每一个像素值，记录顺序是在扫描行内是从左到右，扫描行间是从下到上。

位图的一个像素值所占的字节数：

当bit_count = 1时，8个像素占1个字节；

当bit_count = 4时，2个像素占1个字节；

当bit_count = 8时，1个像素占1个字节；

当bit_count = 24时，1个像素占3个字节,按顺序分别为B,G,R；

3、RGB565转换代码

(1)、bmp_convert.h

#ifndef __BMP_CONVERT
#define __BMP_CONVERT#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>typedef struct bitmap_header  // BMP文件头
{int16_t type;       //文件的类型，必须为BM(1-2字节）int32_t size;       //文件的大小，字节为单位（3-6字节，低位在前）int16_t reserved1;  //文件保留字，必须为0(7-8字节）int16_t reserved2;  //文件保留字，必须为0(9-10字节）int32_t offbits;    //文件头的偏移量，以字节为单位（11-14字节，低位在前）
}__attribute__((packed))BMPHeader;  // 14 字节typedef struct bitmap_info   //　BMP信息头
{int32_t size;   //本结构所占用字节数（15-18字节）int32_t width;  //位图的宽度，以像素为单位（19-22字节）int32_t height; //位图的高度，以像素为单位（23-26字节）int16_t planes; //目标设备的级别，必须为1(27-28字节）int16_t bit_count;  //每个像素所需的位数（29-30字节）//4(16色），8(256色）16(高彩色)或24（真彩色）之一int32_t compression;//位图压缩类型，必须是0（不压缩），（31-34字节） //1(BI_RLE8压缩类型）或2(BI_RLE4压缩类型）之一int32_t size_img;   //位图的大小(其中包含了为了补齐列数是4的倍数而添加的空字节)，以字节为单位（35-38字节）int32_t X_pel;      //位图水平分辨率，每米像素数（39-42字节）int32_t Y_pel;      //位图垂直分辨率，每米像素数（43-46字节)int32_t clrused;    //位图实际使用的颜色表中的颜色数（47-50字节）int32_t clrImportant; //位图显示过程中重要的颜色数（51-54字节）
}__attribute__((packed))BMPInfoHeader;// 以下结构体不一定存在于BMP文件中，除非：
// bitmap_info.compression为真
typedef struct rgb_quad 
{int8_t blue;    //蓝色的亮度（值范围为0-255)int8_t green;   //绿色的亮度（值范围为0-255)int8_t red;     //红色的亮度（值范围为0-255)int8_t reserved;//保留，必须为0
}__attribute__((packed))BMPRgb;typedef struct {unsigned char blue;unsigned char green;unsigned char red;
} RGB24;typedef struct {unsigned short blue : 5;unsigned short green : 6;unsigned short red : 5;
} RGB16;void rgb24_to_rgb16(RGB24 *src, RGB16 *dst, int numPixels);
int bmp24_to_bmp16(char *file_src, char *file_dst);#endif

在 C 语言中，结构体或联合体的成员通常会按照其自然对齐（natural alignment）进行排列。这意味着编译器会在成员之间插入填充字节，以确保每个成员都位于其对齐要求的边界上。这种对齐可以提高内存访问速度，但也可能导致结构体或联合体占用更多的内存空间。

使用 __attribute__((packed)) 可以避免这种默认的内存填充，使得结构体或联合体的成员紧密排列。这在处理硬件寄存器或其他需要紧凑布局的场景中非常有用。

(2)、bmp_convert.c

#include "bmp_convert.h"void rgb24_to_rgb16(RGB24 *src, RGB16 *dst, int numPixels)
{for (int i = 0; i < numPixels; i++) {dst[i].red = (src[i].red >> 3) & 0x1F;dst[i].green = (src[i].green >> 2) & 0x3F;dst[i].blue = (src[i].blue >> 3) & 0x1F;}
}int bmp24_to_bmp16(char *file_src, char *file_dst)
{FILE *infile = fopen(file_src, "rb");if (!infile) {perror("Error opening input file");return -1;}BMPHeader header;fread(&header, sizeof(header), 1, infile);if (header.type != 0x4D42) {printf("Invalid BMP file\n");return -1;}BMPInfoHeader infoHeader;fread(&infoHeader, sizeof(infoHeader), 1, infile);printf("biBit:%d\n", infoHeader.bit_count);if (infoHeader.bit_count != 24) {printf("Input file is not 24-bit BMP\n");fclose(infile);return -1;}fseek(infile, header.offbits, SEEK_SET);int width = infoHeader.width;int height = infoHeader.height;int numPixels = width * height;RGB24 *rgb24 = (RGB24 *)malloc(numPixels * sizeof(RGB24));fread(rgb24, sizeof(RGB24), numPixels, infile);fclose(infile);RGB16 *rgb16 = (RGB16 *)malloc(numPixels * sizeof(RGB16));rgb24_to_rgb16(rgb24, rgb16, numPixels);FILE *outfile = fopen(file_dst, "wb");if (!outfile) {perror("Error opening output file");free(rgb24);free(rgb16);return -1;}fwrite(&header, sizeof(header), 1, outfile);infoHeader.bit_count = 16;fwrite(&infoHeader, sizeof(infoHeader), 1, outfile);fwrite(rgb16, sizeof(RGB16), numPixels, outfile);fclose(outfile);free(rgb24);free(rgb16);return 0;
}