Відтворення графічних зображень з файлів ВМР-формату

Міністерство освіти і науки України

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра автоматизованих систем управління

Курсова  робота

з дисципліни  «Проблемно-орієнтовані мови програмування»

на тему

ВІДТВОРЕННЯ ГРАФІЧНИХ ЗОБРАЖЕНЬ З ФАЙЛІВ

ВМР-ФОРМАТУ

Виконала:

студентка гр. КН-10

Кітлінська Анастасія

Керівник:

доцент кафедри АСУ

Шпак З.Я. 

Львів – 2010

Міністерство освіти і науки України

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра автоматизованих систем управління

Завдання на курсову роботу

з дисципліни «Проблемно-орієнтовані мови програмування»

Спеціальна частина завдання:

1.   Ознайомитись з варіантами структур ВМР-формату.

2.   Ознайомитись з поняттям палітри і керування палітрами.

3.   Ознайомитись з алгоритмами стиснення, що застосовуються для ВМР-файлів.

4.   Реалізувати відтворення зображення (невеликого розміру) в режимі 12h.

5.   Термін завершення роботи – 6 червня 2010 року.

Зміст

Вступ…………………………………………………………………………….4

1.      Огляд літератури

1.1.           Загальна характеристика ВМР-формату………………………….....5

1.2.           Варіанти структур ВМР-формату……………………………………6

1.2.1.     BITMAPFILEHEADER……………………………………………7

1.2.2.     BITMAPINFOHEADER, BITMAPV4HEADER, BITMAPV5HEADER………………………………………………..8

1.2.3.     Збереження даних у форматі BMP. Палітра……………………14

1.3.           Типи стиснення даних у зображеннях BMP формату…………….16

1.3.1.     Метод стиснення RLE8…………………………………………..17

1.3.2.     Метод стиснення RLE4…………………………………………..18

1.4.           Графіка в мові програмування С……………………………………19

2.      Формулювання задачі………………………………………………………20

3.      Опис алгоритму……………………………………………………………..21

3.1.           Загальний алгоритм розв’язку………………………………………21

3.2.           Блок-схема загального алгоритму програми ………………………23

4.      Програмна реалізація алгоритму ………………………………………….25

5.      Інструкція користувачеві програми ………………………………………27

6.      Контрольні приклади та аналіз результатів їх реалізації…..…………….28

Висновок………………………………………………………………………..30

Список літератури   .…………………………………………………………...31

Додатки…………………………………………………………………………32

Додаток 1. Код програми …………………………………………………32

Додаток 2. Зображення rainbow.bmp …………………………………….40

Вступ

Мета курсової роботи – практичне закріплення, поглиблення та розширення знань та навичок, набутих у процесі вивчення мови програмування С. З цією метою було поставлено конкретну задачу: розглянути варіанти структур ВМР-формату, ознайомитись з поняттям палітри і її керуванням, алгоритмами стиснення, що застосовуються для ВМР-файлів і користуючись набутою теоретичною базою відтворити невелике зображення ВМР-формату в режимі 12h за допомогою засобів мови програмування С.

Формат ВМР використовується для збереження даних без втрат якості. Це власний формат Windows, який використовується для цілей системи. Наприклад, саме у цьому форматі зображення включаються у склад виконуючих файлів і виводяться на екран. Будь-яка програма, яка використовує графічний інтерфейс Windows, містить засоби для відкриття, редагування та збереження ВМР-файлів. Цей формат зберігає зображення з достатньою якістю і глибиною кольору, однак має ряд недоліків, наприклад, не дозволяє використовувати корекцію кольору, зберігати шари і інші елементи зображення. Саме тому він використовується досить рідко, в основному як кінцевий формат при підготовці графіки для Windows.

Для здійснення поставленої задачі необхідно докладно розглянути структуру ВМР-формату

1. Огляд літератури

1.1 Загальна характеристика ВМР-формату

ВМР (від англ. Bitmap Picture – бітовий масив) – формат для збереження растрових зображень [1]. Початково формат міг зберігати лише апаратно-залежні растри (англ.. Device Dependent Bitmap, DDB), але з розвитком технологій відображення графічних даних формат ВМР став переважно зберігати апаратно-незалежні растри (англ.. Device Independent Bitmap, DIB).

Формат ВМР початково розроблявся двома корпораціями Intel і Microsoft, і в той час був однаковим для обох операційних систем Intel OS/2 Warp і Microsoft Windows 2.x. Далі фірма Microsoft розширила формат, розширивши структури (при цьому зберігши як зворотню, так і пряму сумісність для нестиснених різновидів) і додавши підтримку компресії.

З форматом ВМР працює велика кількість програм, так як його підтримка інтегрована в операційні системи Windows і OS/2. Файли формату ВМР можуть мати розширення .bmp, .dib і .rle. Крім того, дані цього формату включаються в двійкові файли ресурсів RES і в PE-файли.

Глибина кольору у даному форматі може бути від 1 до 48 біт на піксель, максимальний розмір зображення 65535*65535 пікселів.

В форматі ВМР є підтримка стиснення по алгоритму RLE, однак тепер існують формати з сильнішим стисненням, і через великий об’єм ВМР рідко застосовується в Інтернеті, де для стиснення без втрат використовується PNG і більш старий GIF.

Апаратно-залежні або DDB бітмапи використовуються в Windows для збереження зображень в пам’яті різноманітних графічних пристроїв (відеопам’яті). Фактично такий бітмап являє собою урізану версію апаратно-незалежного. Його дані формуються таким чином, щоб відповідати конкретному графічному режиму, крім того, такий бітмап містить спрощений заголовок. Наприклад, для старого 16 кольорового EGA/VGA відеоадаптера такий бітмап буде являти собою 3-х колірні матриці (для кожного з кольорів), апаратно-незалежний бітмап буде містити всього одну матрицю розрядністю 4 біти на піксель.

Оскільки структура DDB бітмапу змінюється в залежності від пристрою до пристрою, то він, як правило, створюється прямо в пам’яті і не зберігається у файл. Для збереження у файл DDB конвертується у DIB.

1.2 Варіанти структур ВМР-формату

Встановлений формат бітмапу складається зі структури BITMAPFILEHEADER, за якою слідують структури BITMAPINFOHEADER, BITMAPV4HEADER або BITMAPV5HEADER [2]. Далі за головною інформаційною структурою бітмапу йде масив структур RGBQUAD (що називається палітрою). Палітра завершується другим масивом індексів кольорів палітри (фактичні дані бітмапу).

Структуру файлу можна умовно зобразити так (Табл. 1):

   Таблиця 1

Складові структури BITMAPFILEHEADER ідентифікують файл, визначають розмір файлу в байтах і визначають положення першого байта даних по бітмап відносно першого байта заголовку.

Складові структур BITMAPINFOHEADER, BITMAPV4HEADER або BITMAPV5HEADER визначають ширину і довжину зображення в пікселях, чи було до зображення застосоване стиснення і якого типу, кількість байтів даних зображення, початкова роздільна здатність зображення, кількість кольорів, використана в зображенні. Структура RGBQUAD визначає інтенсивність значень RGB для кожного кольору з палітри.

У наступній таблиці (Табл. 2) показані байти даних, які зв’язані зі структурами в ВМР-файлі.             

Таблиця 2

Розглянемо докладніше окремі компоненти структури.

1.2.1 BITMAPFILEHEADER

На початку розташований заголовок файлу (BITMAPFILEHEADER)[3]. Структура BITMAPFILEHEADER містить інформацію про типе, розмір і представлення даних у файлі [2]. Цей заголовок файлу описаний наступним чином:

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {

  WORD  bfType;

  DWORD bfSize;

  WORD  bfReserved1;

  WORD  bfReserved2;

  DWORD bfOffBits;

} BITMAPFILEHEADER, *PBITMAPFILEHEADER;

Тип WORD повинен мати розмір 16 біт, типи DWORD i LONG – 32 біти, тип LONG – знаковий [1].

bfType визначає тип файлу [3]. Тут він повинен бути ВМ. Якщо відкриєте будь-який файл ВМР у текстовому редакторі, то видно, що перші два символи – це ВМ (від слова BitMap). Символи «ВМ» в шістнадцятковій системі числення мають представлення: 0х42 0х4d [1].

bfSize – це розмір самого файлу в байтах. Більшість програм для того, щоб впевнитись, що перед ними справді ВМР, а не «підробка» повинні, по-перше, перевірити, що bfType містить «ВМ» (без лапок), і, по-друге, що bfSize дорівнює розміру файлу.

bfReserved1 и bfReserved2 – зарезервовані і повинні бути нулями.

bfOffBits – одне з найважливіших полів в цій структурі. Воно містить інформацію про те, де починається сам бітовий масив відносно початку файлу (від початку структури BITMAPFILEHEADER [2]), який описує зображення. Тобто, щоб гарантовано потрапити на початок масиву потрібно писати:

fsetpos (hFile, bfh.bfOffBits);

1.2.2 BITMAPINFOHEADER, BITMAPV4HEADER BITMAPV5HEADER

Після заголовку файлу стоїть одна з трьох варіантів структур: BITMAPINFOHEADER, BITMAPV4HEADER або BITMAPV5HEADER [1].

BITMAPINFOHEADER – найпростіший варіант заголовку. Додатки для Windows NT3.51 і більш ранніх можуть використовувати лише цю структуру. Вона оголошена наступним чином:

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER

{

   DWORD  biSize;

   LONG   biWidth;

   LONG   biHeight;

   WORD   biPlanes;

   WORD   biBitCount;

   DWORD  biCompression;

   DWORD  biSizeImage;

   LONG   biXPelsPerMeter;

   LONG   biYPelsPerMeter;

   DWORD  biClrUsed;

   DWORD  biClrImportant;

} BITMAPINFOHEADER, *PBITMAPINFOHEADER;

biSize – це розмір самої структури BITMAPINFOHEADER, тобто інформація про кожен піксель [3]. Її потрібно ініціалізувати наступним чином : bih.biSize = sizeof (BITMAPINFOHEADER); тут і далі ми вважаємо, що bih оголошена наступним чином: BITMAPINFOHEADER bih;

biWidth – ширина зображення в пікселях [1]. Для Win98/Me і Win200/XP: якщо поле biCompression містить BI_JPEG або BI_PNG – тут вказана ширина розпакованого зображення.

biHeight – задає висоту зображення у пікселях. Якщо містить додатне значення – зображення записане у порядку знизу догори, нульовий піксель в нижньому правому кутку. Якщо значення від’ємне – зображення записане згори донизу, нульовий піксель – у верхньому лівому кутку зображення. Поле biCompression повинно містити значення BI_RGB або BI_BITFIELDS. Таке зображення не може бути стиснуте.

biPlanes – задає кількість площин. Поки що це поле завжди містить 1.

biBitCount – кількість біт на один піксель. На цьому полі зупинимось докладніше. Всі різновиди ВМР умовно можна поділити на два типи: палітрові і безпалітрові [3], тобто, використовується вона у даному форматі чи ні (палітра може бути навіть в безпалітрових форматах, але вона не використовується в них). В безпалітрових форматах ВМР колір вираховується прямо з тих бітів, які йдуть у файлі, починаючи з певної позиції. Вигляд зображення (палітровий чи безпалітровий) залежить від значення biBitCount.

Далі наведена таблиця (Табл. 3) порівняння можливих варіантів вигляду зображення [1,3]:                                                                                         

                                                                                                     Таблиця 3

biCompression – вказує на тип стиснення для стиснених зображень. Таблиця цих значень подана нижче (Табл. 4) :

           Таблиця 4

biSizeImage – вказує на розмір зображення у байтах.

biXPelsPerMeter вказує горизонтальне розширення в пікселях на метр для цільового пристрою.

biYPelsPerMeter – вказує вертикальне розширення в пікселях на метр для цільового пристрою.

biClrUsed – вказує кількість індексів кольорів у палітрі, які використовуються. Якщо значення дорівнює нулю – зображення використовує максимально допустиму кількість індексів, відповідно до значення biBitCount и методом стиснення, вказаним в biCompression.

biClrImportant – вказує кількість індексів, необхідних для відображення зображення. Якщо містить нуль – всі індекси однаково важливі.

BITMAPV4HEADER – розширена версія раніше описаної структури, яка описується таким чином:

typedef struct {

  DWORD        bV4Size;

  LONG         bV4Width;

  LONG         bV4Height;

  WORD         bV4Planes;

  WORD         bV4BitCount;

  DWORD        bV4V4Compression;

  DWORD        bV4SizeImage;

  LONG         bV4XPelsPerMeter;

  LONG         bV4YPelsPerMeter;

  DWORD        bV4ClrUsed;

  DWORD        bV4ClrImportant;

  DWORD        bV4RedMask;

  DWORD        bV4GreenMask;

  DWORD        bV4BlueMask;

  DWORD        bV4AlphaMask;

  DWORD        bV4CSType;

  CIEXYZTRIPLE bV4Endpoints;

  DWORD        bV4GammaRed;

  DWORD        bV4GammaGreen;

  DWORD        bV4GammaBlue;

} BITMAPV4HEADER, *PBITMAPV4HEADER;

Поля від початку структури і до bV4ClrImportant включно мають ті самі призначення, як і відповідні поля структури BITMAPINFOHEADER.

bV4RedMask — кольорова маска червоної компоненти кожного пікселя використовується лише коли bV4Compression містить значення BI_BITFIELDS.

bV4GreenMask — кольорова маска зеленої компоненти кожного пікселя використовується лише коли bV4Compression містить значення BI_BITFIELDS.

bV4BlueMask — кольорова маска синьої компоненти кожного пікселя використовується лише коли bV4Compression містить значення BI_BITFIELDS.

bV4AlphaMask — маска, що визначає компоненту альфа-каналу.

bV4CSType — визначає кольоровий простір зображення.

bV4Endpoints — структура CIEXYZTRIPLE, яка вказує x, y и z координати трьох кольорів які відповідають кінцевим точкам (endpoints) кольорового простору визначеного для зображення. Це поле ігнорується, якщо bV4CSType не містить значення LCS_CALIBRATED_RGB.

bV4GammaRed — крива тону червоної компоненти. Ігнорується, якщо bV4CSType не містить значення LCS_CALIBRATED_RGB. Вказується у  форматі 16^16.

bV4GammaGreen — крива тону зеленої компоненти. Ігнорується, якщо bV4CSType не містить значення LCS_CALIBRATED_RGB.

bV4GammaBlue — крива тону синьої компоненти. Ігнорується, якщо bV4CSType не містить значення LCS_CALIBRATED_RGB.

BITMAPV5HEADER :             

typedef struct {

  DWORD        bV5Size;

  LONG         bV5Width;

  LONG         bV5Height;

  WORD         bV5Planes;

  WORD         bV5BitCount;

  DWORD        bV5Compression;

  DWORD        bV5SizeImage;

  LONG         bV5XPelsPerMeter;

  LONG         bV5YPelsPerMeter;

  DWORD        bV5ClrUsed;

  DWORD        bV5ClrImportant;

  DWORD        bV5RedMask;

  DWORD        bV5GreenMask;

  DWORD        bV5BlueMask;

  DWORD        bV5AlphaMask;

  DWORD        bV5CSType;

  CIEXYZTRIPLE bV5Endpoints;

  DWORD        bV5GammaRed;

  DWORD        bV5GammaGreen;

  DWORD        bV5GammaBlue;

  DWORD        bV5Intent;

  DWORD        bV5ProfileData;

  DWORD        bV5ProfileSize;

  DWORD        bV5Reserved;

} BITMAPV5HEADER, *PBITMAPV5HEADER;             

Для полів від початку структури і до bV5GammaBlue включно будуть описані лише відмінності від попередніх версій — BITMAPINFOHEADER и BITMAPV4HEADER.

bV5CSType — визначає кольоровий простір зображення, може приймати наступні значення:

LCS_CALIBRATED_RGB

LCS_sRGB

LCS_WINDOWS_COLOR_SPACE

PROFILE_LINKED

PROFILE_EMBEDDED

bV5Intent — може приймати наступні значення:

LCS_GM_ABS_COLORIMETRIC

LCS_GM_BUSINESS

LCS_GM_GRAPHICS

LCS_GM_IMAGES

bV5ProfileData — зміщення в байтах від початку структури до початку даних профілю (ім’я файлу профілю, стрічка, що містить виключно символи кодової таблиці 1252 і закінчується нульовим байтом). Ігнорується, якщо bV5CSType містить значення, відмінне від PROFILE_LINKED і PROFILE_EMBEDDED.

bV5ProfileSize — розмір даних профілю у байтах.

bV5Reserved — зарезервовано. Містить нуль.

1.2.3 Збереження даних в форматі BMP. Палітра

Після структур BITMAPFILEHEADER и BITMAPINFOHEADER йде палітра. При чому, якщо формат безпалітровий, її може й не бути, однак не можна на це розраховувати. Палітра являє собою масив структур RGBQUAD які йдуть послідовно одна за одною. Навіть якщо в палітрі використовуються не всі кольори (а тільки, наприклад, 16), то часто все одно під палітру відводять 256 полів.

Одразу за палітрою йде сам растр. Пікселі тут описуються так, як написано у таблиці вище, в залежності від формату, і можуть самі містити значення компонент кольору(для безпалітрових), а можуть бути індексами масиву-палітри. Саме зображення записується по стрічково. Також зображення записано перевернуто. Тобто спочатку записана нижня стрічка, потім передостання і так далі. Якщо розмір стрічки растра не кратний 4-м, то вона доповнюється від 1 до 3 пустими (нульовими) байтами, щоб довжина стрічки залишилась кратною параграфу. Далі наведена таблиця (Табл. 5) з формулами, які показують, скільки байт для якого формату треба дописувати в кінець стрічки. Під змінною Width мається на увазі ширина зображення:

Таблиця 5

В BMP файлах з глибиною кольору 24 біти, байти кожного пікселя зберігаються у порядку BGR (Blue, Green, Red); а глибиною кольору 32 біти - BGRA (Blue, Green, Red, Alpha) [1].

В залежності від кількості кольорів на кожну крапку відводиться від 1 до 48 біт:

1 біт — монохромне зображення (два кольори).

2 біти — 4 можливих кольори (режими роботи CGA).

4 біти — 16-колірне зображення (режими роботи EGA).

8 біт (1 байт) — 256 кольорів останній з режимів, що підтримує індексовані кольори  (див. нижче).

16 біт (2 байта) — режим HiColor, 65536 можливих відтінків.

24 біти (3 байта) — TrueColor. В зв’язку з тим, що 3 байти недобре співвідносяться зі степенями двійки (особливо при збереженні даних в пам’яті, де вирівнювання даних по границі слова має значення), замість нього часто використовують 32-бітне зображення. В режимі TrueColor на кожний з трьох каналів (в режимі RGB) відводиться по 1 байту (256 можливих значень), загальна кількість кольорів - 16777216.

32 біти (4 байти) — цей режим практично аналогічний  TrueColor, четвертий байт звичайно не використовується, або у ньому розміщується альфа-канал (прозорість).

48 біт (6 байт) — рідко використовується. Формат з підвищеною точністю передачі кольору, підтримується відносно малою кількістю програм та обладнання.

Індексування кольору. При кількості біт від 1 до 8 на кожний піксель може використовуватись спеціальний режим індексованих кольорів. В цьому випадку число, що відповідає кожному пікселю, вказує не на колір, а на номер кольору в палітрі. Завдяки використанню палітри є можливість адаптувати зображення до кольорів, присутніх на зображенні. В такому випадку зображення не обмежене не заданими кольорами, а максимальною кількістю кольорів, які одночасно використовуються.

1.4 Типи стиснення даних в зображеннях BMP формату

Формат ВМР підтримує просте RLE- стиснення зображень з 4-ма та 8-ма бітами на піксель [5]. Зображення з 4-ма бітами на піксель піддаються стисненню, якщо значення поля biCompression структури BITMAPINFOHEADER дорівнює BI_RLE4 (=2), а зображення з 8-ма бітами на піксель стискаються, якщо значення biCompression дорівнює BI_RLE8 (=1). При будь якій іншій глибині кольору стиснення даних в зображення неможливе.

Кодування довжин серій (RLE) – найпростіша технологія стиснення даних. В цьому методі дані зберігаються таким чином, що значення, які повторюються, заміщуються числом, рівним їх кількості. Даний тип стиснення підходить лише для зображень, в яких є багаторазове повторення одних і тих самих кольорів, інакше кодування довжин серій (RLE) може створити файл, розмір якого більший за початковий (зворотне стиснення).

1.3.1 Метод стиснення RLE8

В методі стиснення RLE8 дані, що стискаються, розбиваються на 2-байтові пари. Перший байт рівний кількості повторюваних значень пікселів, а другий байт рівний значенню пікселя, що повторюється. В зображенні з 8-ма бітами на піксель байтова послідовність