CUDA01-00BMP图像处理

开始GPU性能运算编程，使用图像处理是比较理想的方式，因为图像运算的性能是个问题；为了避免其他图像库带来的性能优化干扰，我们采用原始的图像内存来验证运算性能，本主题说明BMP这种位图的操作。
1. 读图像；
2. 写图像；
3. 像素处理；

BMP的24与32位图像是无压缩的，读写非常方便，如果不使用专门的图像读取模块，则我们都使用BMP格式的图像；
BMP是微软提出的用于Window系统的一种图像格式。
- 目前很多平台也支持；不过主流的图像还是：
  1. JPG：压缩
  2. PNG：压缩，带透明
  3. GIF：压缩，带透明，图像帧
在分析算法的性能的时候，为了避免第三方图像处理库带来的性能影响，我们都使用纯粹的文件读写与自己分配的图像内存来处理。
- BMP因为其简单性，是我们的首选图像格式。

BMP图像的说明

BMP的主要结构

数据段名称	大小（byte）	开始地址	结束地址
位图文件头(bitmap-file header)	14	0000h	000Dh
位图信息头(bitmap-information header)	40	000Eh	0035h
调色板(color table)	由biBitCount决定	0036h	未知
图片点阵数据(bitmap data)	由图片大小和颜色定	未知	未知

文件头区域，信息头区域，调色板区域，图片数据区域是按顺序连续存储的。
- 每个区域还有细分的字段，每个字段描述不同的信息。
- 在24与32位的BMP图，已经不采用调色板，所以调色板相关的区域与字段可以忽略。

文件头区域结构

有用的描述信息（字段）：
- 文件大小
- 数据区偏移位置（开始位置）

变量名	地址偏移	大小	作用说明
bfType	0000h	2Bytes	文件标识符，必须为"BM"，即0x424D 才是Windows位图文件 ‘BM’：Windows 3.1x, 95, NT ‘BA’：OS/2 Bitmap Array ‘CI’：OS/2 Color Icon ‘CP’：OS/2 Color Pointer ‘IC’：OS/2 Icon ‘PT’：OS/2 Pointer<p>因为OS/2系统并没有被普及开，所以在编程时，你只需判断第一个标识“BM”就行</p>
bfSize	0002h	4Bytes	整个BMP文件的大小（以位B为单位）
bfReserved1	0006h	2Bytes	保留，必须设置为0
bfReserved2	0008h	2Bytes	保留，必须设置为0
bfOffBits	000Ah	4Bytes	说明从文件头0000h开始到图像像素数据的字节偏移量（以字节Bytes为单位），以为位图的调色板长度根据位图格式不同而变化，可以用这个偏移量快速从文件中读取图像数据

信息头区域结构

有用的描述信息（字段）：
- 图像的大小（高与宽）：高度有可能为负数，表示图像是正向还是倒向存储。
- 像素的位数
- 图像的压缩方式：目前基本上都是无压缩。
- 图像的像素格式：BI_RGB

变量名	地址偏移	大小	作用说明
biSize	000Eh	4Bytes	BMP信息头即BMP_INFOHEADER结构体所需要的字节数（以字节为单位）
biWidth	0012h	4Bytes	说明图像的宽度（以像素为单位）
biHeight	0016h	4Bytes	说明图像的高度（以像素为单位）。这个值还有一个用处，指明图像是正向的位图还是倒向的位图，该值是正数说明图像是倒向的即图像存储是由下到上；该值是负数说明图像是倒向的即图像存储是由上到下。大多数BMP位图是倒向的位图，所以此值是正值。
biPlanes	001Ah	2Bytes	为目标设备说明位面数，其值总设置为1
biBitCount	001Ch	2Bytes	说明一个像素点占几位（以比特位/像素位单位），其值可为1,4,8,16,24或32
biCompression	001Eh	4Bytes	说明图像数据的压缩类型，取值范围为： 0) BI_RGB 不压缩（最常用） 1) BI_RLE8 8比特游程编码（BLE），只用于8位位图 2) BI_RLE4 4比特游程编码（BLE），只用于4位位图 3) BI_BITFIELDS比特域（BLE），只用于16/32位位图
biSizeImage	0022h	4Bytes	说明图像的大小，以字节为单位。当用BI_RGB格式时，总设置为0
biXPelsPerMeter	0026h	4Bytes	说明水平分辨率，用像素/米表示，有符号整数
biYPelsPerMeter	002Ah	4Bytes	说明垂直分辨率，用像素/米表示，有符号整数
biClrUsed	002Eh	4Bytes	说明位图实际使用的调色板索引数，0：使用所有的调色板索引
biClrImportant	0032h	4Bytes	说明对图像显示有重要影响的颜色索引的数目，如果是0，表示都重要。

BMP图像格式的特殊说明

数据存储区的对齐
- 图像的数据存储因为系统的位数关系，所以位图的每一行的数据大小必须是4的倍数（与C的结构体对齐一个道理）
  - 比如：图像的宽度是5，每个像素是RGB三个字节，这样一行的字节数15，但是BMP图像会补0，对齐位16字节。
获取图像高度的时候，返回值可能是负数；
- 负数主要说明图像的正向存，还是倒向存的。（显示出来就是图像可能是倒过来的）
调色板说明
- 调色板存放的是颜色，由结构体表示RGB+保留位（4字节）
- 调色板的个数由biBitCount像素位数决定：
  - 1:2色，一共2*4字节
  - 4:16色，一共16*4字节
  - 8:256色，一共256*4字节
  - 16，24，32：没有调色板
- 使用调色板后，图像数据区存放的就是调色板索引。
- 现在基本上没有调色板

BMP的格式代码实例

头文件

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

文件头

文件头的信息对图像处理来说基本没有用。

打开文件与关闭文件

FILE* f = fopen("gpu.bmp", "rb");

关闭文件在后面关闭：
- fclose(f);
打开失败判别
- 可以判定返回的文件句柄是否为0或者NULL

if(f == NULL){
    printf("打开文件失败！\n");
    // exit(1);    // 在交互式编程，这个命令就不要玩了，容易die
}
else{
    printf("打开文件成功！\n");
}

打开文件成功！

读取魔法字
- 两字节：一定是BM，其他的都基本上不用了。

char f_magic[3]={0};
fread(f_magic, 1, 2, f); 
printf("读取魔法字：%s\n", f_magic);

读取魔法字：BM

(int) 21

读取文件大小

// 读取文件大小
fseek(f, 2, SEEK_SET);   // 如果顺序读取，则读取位置的定位完全没有必要。
size_t size;
fread(&size, 1, 4, f); 
printf("文件大小：%zu\n", size);

文件大小：8294454

(int) 23

信息头

图像大小
- 注意：高度是负数

 // 读取图像宽度
fseek(f, 18, SEEK_SET);
size_t width;
fread(&width, 1, 4, f); 
printf("图像宽度：%zu\n", width);
// 读取图像高度
fseek(f, 22, SEEK_SET);
int height;
fread(&height, 1, 4, f); 
printf("图像高度：%d\n", height);

图像宽度：1920
图像高度：-1080

(int) 21

像素位数

// 像素的位数
fseek(f, 28, SEEK_SET);
short int bits;
fread(&bits, 1, 2, f); 
printf("像素位数%d\n", bits);    // 16，24，32位图没有调色板

像素位数32

(int) 15

压缩格式

// 判定图像数据是否压缩
fseek(f, 30, SEEK_SET);
int zip;
fread(&zip, 1, 4, f); 
printf("数据压缩方式%d\n", zip);    // 0表示不压缩

数据压缩方式0

(int) 20

图像大小

// 图像大小
fseek(f, 34, SEEK_SET);
int imgsize;
fread(&imgsize, 1, 4, f); 
printf("图像字节数%d\n", imgsize);    // 当用BI_RGB格式时，总设置为0

图像字节数0

(int) 17

调色板

获取数据区的位置来判定调色板是否存在

// 数据区开始位置
fseek(f, 10, SEEK_SET);
int data_off;
fread(&data_off, 1, 4, f); 
printf("数据区开始位置%d\n", data_off);    // 当用BI_RGB格式时，总设置为0

数据区开始位置54

(int) 24

说明：
- 数据区开始位置刚好是（文件头 + 信息头）的大小，说明没有调色板表。

图像数据

读取数据区第一个像素

// 定位到数据区开始位置
fseek(f, data_off, SEEK_SET);
unsigned char a_pixel[4];    // 位数/8 = 字节数
fread(a_pixel, 1, bits/8, f);    // 读取bits/8个字节
printf("第一个像素：（"); 
printf("%hhu", a_pixel[0]);      // 第一个颜色通道
for (int i = 1; i < bits/8; i++){
    printf(",%hhu", a_pixel[i]);   // 循环打印其他颜色通道
}
printf(")\n");

第一个像素：（106,31,0,255)

(int) 2

注意：格式应该是RGBA四个字节。

读取第一行数据

// 计算一行的字节数（记得一定是4的倍数）
int h_bytes = bits / 8 * width;
// 按照4的倍数对齐
// h_bytes = ((h_bytes + 3)/ 4) * 4;
// 还有一种对齐的技巧：用位运算理解
h_bytes = (h_bytes + 3) & (~3);   // 速度优于上面方式的速度
printf("图像一行的字节数：%d\n", h_bytes);
// 动态分配一行像素的内存
unsigned char *line_1st = (unsigned char *)malloc(h_bytes);   // 图像一行的数据存储空间
// 字节读取一行长的数据到内存
fseek(f, data_off, SEEK_SET);
size_t re = fread(line_1st, h_bytes, 1, f);     // 返回的数读取对象的个数，每个对象大小是h_bytes
printf("成功读取数据字节数：%zd\n", re * h_bytes);

图像一行的字节数：7680
成功读取数据字节数：7680

(int) 35

读取所有行的数据

// 计算图像行数
// 行数就是高度，可能存在负数的情况
height = height >=0 ? height:-height;
// 定义存放图像数据的内存(存放没有行的指针：可以考虑连续分配一张图像的内存)
unsigned char **img_data = (unsigned char **)malloc(height * sizeof(unsigned char *)); 
long data_len = 0;  // 存放实际读取数据大小
fseek(f, data_off, SEEK_SET);
for(int i = 0; i < height; i++){
    img_data[i] = (unsigned char *)malloc(h_bytes);  // 分配一行的内存
    size_t re = fread(img_data[i], 1, h_bytes, f);   
    // printf("%d成功读取数据字节数：%zd\n", (i+1), re);
    if(re <= 0) {
        printf("读取结束！\n");
        break;
    }
    data_len += re;
}
fclose(f);
printf("实际读取数据长度：%ld\n", data_len);
printf("实际得到的文件长度：%ld\n", data_len + 54); //54=文件头
printf("从文件头读取的文件大小：%zu\n", size);

实际读取数据长度：8294400
实际得到的文件长度：8294454
从文件头读取的文件大小：8294454

(int) 44

释放图像的内存数据

for(int i = 0; i < height; i++){
    free(img_data[i]);   // 释放每一行
}
free(img_data);    // 释放存放行指针的内存

(void) @0x70000a77bae8

完整的图像读写与处理实现

下面列子是基于32位图像，没有动态处理16、24位的图像；根据需要可以扩展。
上面代码我们就可以读取到完整的图像数据。下面我们处理图像数据，并写入到文件；完成BMP图像的读与写。
实现步骤：
1. 读取头；
2. 读取图像数据；
3. 处理图像数据；
4. 写头；
5. 写图像数据；
我们在读取文件头的时候，采用结构化数据处理；
- 注意：编译器存在对齐机制；

#pragma pack(1)

struct img_header{
    // 文件头
    char                  magic[2];                  // 魔法字
    unsigned int          file_size;                 // 文件大小
    unsigned char         reserve1[4];               // 跳4字节
    unsigned int          data_off;                  // 数据区开始位置
    // 信息头
    unsigned char         reserve2[4];               // 跳4字节
    int                   width;                     // 图像宽度
    int                   height;                    // 图像高度
    unsigned char         reserve3[2];               // 跳2字节
    unsigned short int    bit_count;                 // 图像位数1，4，8，16，24，32
    unsigned char         reserve4[24];              // 跳24字节
};

struct img_pixel{
    unsigned char         red;
    unsigned char         green;
    unsigned char         blue;
    unsigned char         alpha;
};

printf("定义的头结构体大小：%lu\n", sizeof(img_header));
printf("定义的像素结构体大小：%lu\n", sizeof(img_pixel));

定义的头结构体大小：54
定义的像素结构体大小：4

(int) 35

读取头
- 包含文件头14
- 包含信息头40
- 包含调色板头0（16，24，32位图像无调色板）

struct img_header header = {0};
FILE* file = fopen("gpu.bmp", "rb");
size_t n_bytes = fread(&header, 1, 54, file); 
printf("读取的数据字节数:%zd\n", n_bytes);
printf("图像大小:(%d,%d)\n",header.width, header.height);
printf("像素位数：%hd\n",header.bit_count);

读取的数据字节数:54
图像大小:(1920,-1080)
像素位数：32

(int) 18

读取图像数据
- 因为我们使用的图像是32位的，这样计算的行的字节数本身就是4的倍数，所以行的内存字节不用对齐，直接使用即可。
- 存放数据的内存还是采用动态内存。采用数组对程序的启动与编译的执行文件是一个挑战。

header.height = header.height >= 0? header.height : -header.height;
// 存放每行的数据指针
struct img_pixel **imgs = (struct img_pixel **)malloc(header.height * sizeof(struct img_pixel *));
// 分配每行的空间，并读取数据
for (int h = 0; h < header.height; h++){
    // 分配空间
    imgs[h] = (struct img_pixel *)malloc(4 * header.width);  // 宽度有多个像素构成，每个像素4字节；
    size_t n_obj = fread(imgs[h], 1, 4 * header.width, file);
    if(n_obj <= 0){
        printf("读取错误，或者读取结束");
        break;
    }
}

fclose(file); // 关闭文件

(int) 0

处理图像数据
- 前面多图像的数据做了结构化处理，按照一个像素为单位存放。处理起来比较方便；

for(int h = 0; h < header.height; h++){
    for(int w = 0; w < header.width; w++){
        // 交换RGB三通道的位置，得到新图像；
        unsigned char red   = imgs[h][w].red;
        unsigned char green = imgs[h][w].green;
        unsigned char blue  = imgs[h][w].blue;
        imgs[h][w].red   = green;
        imgs[h][w].green = blue;
        imgs[h][w].blue  = red;
    }
}

写头
- 存储文件的时候，头保持不变；
- size_t fwrite(const void *restrict ptr, size_t size, size_t nitems, FILE *restrict stream);

FILE* o_file = fopen("gpu_out.bmp", "wb");
size_t o_size = fwrite(&header, 1, 54, o_file);
printf("数据写入大小：%zd\n", o_size)

数据写入大小：54

(int) 24

写图像数据
- 因为数据不是连续内存，所以需要一行一行写入；

for(int h = 0; h < header.height; h++){
    o_size = fwrite(imgs[h], sizeof(struct img_pixel), header.width, o_file);
//     printf("数据写入大小：%zd\n", o_size);
}

// 关闭文件
fclose(o_file);
// 此处的内存记得释放下
for(int i = 0; i < header.height; i++){
    free(imgs[i]);   // 释放每一行
}
free(imgs);    // 释放存放行指针的内存

(int) 0

处理前后的图像的对比：
- 把其中高度改成负数，图像就是正向的了。

图像处理前后的效果（RGB颜色通道交换）

附录

完整代码

/*
 * BMP图像的读写，并实现图像的像素处理（交换颜色通道）
 */
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

#pragma pack(1)

struct img_header{
    // 文件头
    char                  magic[2];                  // 魔法字
    unsigned int          file_size;                 // 文件大小
    unsigned char         reserve1[4];               // 跳4字节
    unsigned int          data_off;                  // 数据区开始位置
    // 信息头
    unsigned char         reserve2[4];               // 跳4字节
    int                   width;                     // 图像宽度
    int                   height;                    // 图像高度
    unsigned char         reserve3[2];               // 跳2字节
    unsigned short int    bit_count;                 // 图像位数1，4，8，16，24，32
    unsigned char         reserve4[24];              // 跳24字节
};

struct img_pixel{
    unsigned char         red;
    unsigned char         green;
    unsigned char         blue;
    unsigned char         alpha;
};

int main(int argc, const char *argv[]){
    // 1. 读取文件头
    struct img_header header = {0};
    FILE* file = fopen("gpu.bmp", "rb");
    size_t n_bytes = fread(&header, 1, 54, file); 
    printf("读取的数据字节数:%zd\n", n_bytes);
    printf("图像大小:(%d,%d)\n",header.width, header.height);
    printf("像素位数：%hd\n",header.bit_count);
    
    // 2. 读取图像数据
    header.height = header.height >= 0? header.height : -header.height;
    // 存放每行的数据指针
    struct img_pixel **imgs = (struct img_pixel **)malloc(header.height * sizeof(struct img_pixel *));
    // 分配每行的空间，并读取数据
    for (int h = 0; h < header.height; h++){
        // 分配空间
        imgs[h] = (struct img_pixel *)malloc(4 * header.width);  // 宽度有多个像素构成，每个像素4字节；
        size_t n_obj = fread(imgs[h], 1, 4 * header.width, file);
        if(n_obj <= 0){
            printf("读取错误，或者读取结束");
            break;
        }
    }

    fclose(file); // 关闭文件
    
    // 3. 处理图像
    for(int h = 0; h < header.height; h++){
        for(int w = 0; w < header.width; w++){
            // 交换RGB三通道的位置，得到新图像；
            unsigned char red   = imgs[h][w].red;
            unsigned char green = imgs[h][w].green;
            unsigned char blue  = imgs[h][w].blue;
            imgs[h][w].red   = green;
            imgs[h][w].green = blue;
            imgs[h][w].blue  = red;
        }
    }
    
    // 4. 存储处理后的图像
    FILE* o_file = fopen("gpu_out.bmp", "wb");
    // 写头
    size_t o_size = fwrite(&header, 1, 54, o_file);
    printf("数据写入大小：%zd\n", o_size);
    
    // 写图像数据
    for(int h = 0; h < header.height; h++){
        o_size = fwrite(imgs[h], sizeof(struct img_pixel), header.width, o_file);
        //     printf("数据写入大小：%zd\n", o_size);
    }

    // 关闭文件
    fclose(o_file);
    for(int i = 0; i < header.height; i++){
        free(imgs[i]);   // 释放每一行
    }
    free(imgs);    // 释放存放行指针的内存
}

Makefile

all:bmp_rw.c
    gcc bmp_rw.c -omain

最后编辑于：2020.01.08 15:33:53

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CUDA01-00BMP图像处理

BMP图像的说明

BMP的主要结构

文件头区域结构

信息头区域结构

BMP图像格式的特殊说明

BMP的格式代码实例

文件头

信息头

调色板

图像数据

完整的图像读写与处理实现

附录

完整代码

Makefile

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