BMP图像旋转

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这应该算是我的第一篇技术型文章吧。仅仅是试个水，看看贴上代码的效果，其实并没有什么技术含量。刚好昨晚我和旋转图像的大作业搏斗了一个晚上，说来也挺搞笑的，我废寝忘食地研究了好几个小时，就为了把一张破图片顺时针旋转90度……之前不是有新闻说吗，某地区负责健康码维护的技术人员花了老大的劲把二维码图片从1M压缩到100K。我对他们也有点感同身受了，或许压缩图片的操作真的隐藏着很多技术上的问题。有没有可能是，他们之前维护系统时一直使用1M的图片，然后很多别的功能都基于这种规格的图片开发出来，产生了极高的耦合。然后他们不得不花大量的时间进行解耦，为了让领导能听懂，就只提了一下压缩图片的事。以上纯属瞎猜。

BMP文件格式有很多坑，其中一个就是文件对齐。在24位BMP图像的像素矩阵中，一个像素用3个字节存储，存储内容是该像素的颜色信息，即rgbBlue、rgbGreen、rgbRed。然而，为了让像素矩阵的大小刚好是4的倍数，这个矩阵最后还会加上那么几列！旋转90度后，这个列数可能会变！变了的话又会影响到前面信息头中的数据。

还有就是24位BMP和32位BMP的信息头大小是不一样的！这些不去了解根本不知道。有些时候，bug的产生，并不是因为我们不够谨慎，而是因为还存在未知。很多人调侃自己是“面向百度编程”，“CV工程师”，我不认为这是一件可耻的事情。计算机领域是一个人为构建起来的学科，前人的经验至关重要。善于搜索和查阅先辈遗留下来的知识也是CS技能树中不可或缺的一部分。

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// BmpClass.h
#pragma once
#pragma pack(2)

typedef unsigned char Byte;		// 1字节
typedef unsigned short Word;	// 2字节
typedef unsigned long Dword;	// 4字节
typedef long Long;				// 4字节

// BMP文件头，12字节
struct BitMapFileHeader
{
	//Word	bfType;			// 位图文件类型 "BM"
	Dword	bfSize;			// 位图文件大小，以字节为单位
	Word	bfReserved1;	// 位图文件保留字
	Word	bfReserved2;	// 位图文件保留字
	Dword	bfOffBits;		// 位图数据起始位置，以相对位图文件头的偏移量表示
};

// DIB信息头，40字节
struct BitMapInfoHeader
{
	Dword	biSize;				// 本结构占用字节数
	Long	biWidth;			// 位图宽度，单位像素
	Long	biHeight;			// 位图高度
	Word	biPlanes;			// 1
	Word	biBitCount;			// 每个像素所需的位数，必须是1、4、8、24之一
	Dword	biCompression;		// 位图压缩类型，必须是0、1、2之一
	Dword	biSizeImage;		// 位图的大小，单位字节
	Long	biXPelsPerMeter;	// 位图水平分辨率，每米像素数
	Long	biYPelsPerMeter;	// 位图垂直分辨率
	Dword	biClrUsed;			// 实际使用颜色数，24位为0
	Dword	biClrImportant;		// 重要颜色数
};

// DIBV5信息头，124字节
struct BitMapInfoHeader32bit
{
	Dword	biSize;				// 本结构占用字节数
	Long	biWidth;			// 位图宽度，单位像素
	Long	biHeight;			// 位图高度
	Word	biPlanes;			// 1
	Word	biBitCount;			// 每个像素所需的位数，必须是1、4、8、24之一
	Dword	biCompression;		// 位图压缩类型，必须是0、1、2之一
	Dword	biSizeImage;		// 位图的大小，单位字节
	Long	biXPelsPerMeter;	// 位图水平分辨率，每米像素数
	Long	biYPelsPerMeter;	// 位图垂直分辨率
	Dword	biClrUsed;			// 实际使用颜色数，24位为0
	Dword	biClrImportant;		// 重要颜色数
	Long	extras[21];			// 补足124字节
};

// 颜色类型，4字节
struct RgbQuad
{
	Byte rgbRed;		// 0~255
	Byte rgbGreen;
	Byte rgbBlue;
	Byte rgbReserved;	// 0
};

struct PixelInfo
{
	Byte blue;
	Byte green;
	Byte red;
};

struct Image
{
	int width;
	int height;
	Byte* imageData;
};
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// Bmp.cpp
#pragma pack(2)
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include <iostream>
#include <fstream>
#include "BmpClass.h"
//#define channel 3
using namespace std;
typedef PixelInfo* PMatrix;


BitMapFileHeader        fileHeader;     // 文件头
BitMapInfoHeader        infoHeader;     // 信息头
BitMapInfoHeader32bit   infoHeader32bit;//
int                     channel;        // 通道数
//RgbQuad             palette[256];   // 调色板   
//PMatrix             matrix, rotateMatrix;


void PrintLog()
{
    clog << "位图文件大小: " << fileHeader.bfSize << endl;
    clog << "位图宽度: " << infoHeader.biWidth << endl;
    clog << "位图高度: " << infoHeader.biHeight << endl;
    clog << "每个像素所需的位数: " << infoHeader.biBitCount << endl;
    clog << "像素矩阵的大小：" << infoHeader.biSizeImage << endl;
    //clog << "实际使用颜色数: " << infoHeader.biClrUsed << endl;
    clog << "DIB信息头大小：" << infoHeader.biSize << endl;
    
}

Image* LoadBMPImage(string path)
{
    int height, width, padding = 0;
    Image* image = new Image();
    Word bfType;
    Byte rgbColor;

    ifstream inFile(path.c_str(), ios::in | ios::binary);
    if (!inFile)
    {
        delete image;
        return NULL;
    }

    // 读取文件类型
    inFile.read((char*)&bfType, sizeof(Word));      

    if (bfType != 0x4D42)
    {
        cerr << "Loading...It's not a BMP File!" << endl;
        inFile.close();
        delete image;
        return NULL;
    }
    else clog << "Loading...It's a BMP File!" << endl;

    // 读取文件头与信息头
    inFile.read((char*)&fileHeader, sizeof(BitMapFileHeader));
    inFile.read((char*)&infoHeader, sizeof(BitMapInfoHeader));

    PrintLog();


    width = infoHeader.biWidth;
    height = infoHeader.biHeight;
    image->width = width;
    image->height = height;


    if (infoHeader.biBitCount == 24)
    {
        clog << "Loading...It's a 24-bit Image!" << endl;
        channel = 3;
        padding = (channel * width) % 4;
        if (padding) 
            padding = 4 - padding;
    }  
    else if (infoHeader.biBitCount == 32)
    {
        clog << "Loading...It's a 32-bit Image!" << endl;
        channel = 4;
        padding = 0;

        inFile.seekg(sizeof(BitMapFileHeader) + sizeof(Word), ios::beg);
        inFile.read((char*)&infoHeader32bit, sizeof(BitMapInfoHeader32bit));
    }
    else // 不符合位数要求
    {
        cerr << "Loading...It's neither a 24-bit nor a 32-bit BMP File!" << endl;
        inFile.close();
        delete image;
        return NULL;
    }
    
    image->imageData = new Byte[sizeof(Byte) * width * height * channel];

    inFile.seekg(fileHeader.bfOffBits, ios::beg); // 定位读指针到像素矩阵区
    
    for (int i = 0; i < height; i++)
    {
        for (int j = 0; j < width; j++)
        {
            for (int k = 0; k < channel; k++)
            {
                inFile.read((char*)&rgbColor, sizeof(Byte));
                image->imageData[(height - i - 1) * channel * width + j * channel + k] = rgbColor;
                // 还原成习惯数组表示（从左到右从上到下）
            }
        }
        if (padding) // 如果需要对齐
        {
            for (int j = 0; j < padding; j++)
                inFile.read((char*)&rgbColor, sizeof(Byte));
        }
    }

    inFile.close();

    return image;
}

void RotateAndSaveBMPImage(string path, Image* image)
{
    Word bfType = 0x4D42;

    ofstream outFile(path.c_str(), ios::out | ios::binary);
    if (!outFile)
    {
        cerr << "Ready to rotate...New file Open error!" << endl;
        return;
    }

    // 调整像素矩阵
    
    clog << "Rotating...Transforming pixel matrix!" << endl;

    Byte rgbColor;
    int height = image->height;
    int width = image->width;
    int senpai;
    int padding = (channel * height) % 4;

    if (channel == 4)
        padding = 0;
    else if (channel == 3 && padding)
        padding = 4 - padding;

    outFile.seekp(fileHeader.bfOffBits, ios::beg); // 定位写指针到像素矩阵区

    for (int j = width - 1; j >= 0; j--)
    {
        for (int i = height - 1; i >= 0; i--)
        {
            for (int k = 0; k < channel; k++)
            {
                rgbColor = image->imageData[i * channel * width + j * channel + k];
                outFile.write((char*)&rgbColor, sizeof(Byte));
                //clog << i << " " << j << " " << rgbColor << endl;

                //senpai = 1919810 / 114514;
                //outFile.write((char*)&senpai, sizeof(Byte));
            }
        }
        if (padding)
        {
            for (int i = 0; i < padding; i++)
            {
                senpai = 1919810 / 114514;
                outFile.write((char*)&senpai, sizeof(Byte));
            }
        }
    }


    // 调整信息头  

    clog << "Rotating...Modifying InfoHeader!" << endl;

    if (channel == 3)
    {
        infoHeader.biWidth = height;
        infoHeader.biHeight = width;
        infoHeader.biSizeImage = width * (height * channel + padding); // 重点！！！
    }
    else if (channel == 4)
    {
        infoHeader32bit.biWidth = height;
        infoHeader32bit.biHeight = width;
        infoHeader32bit.biSizeImage = width * (height * channel); // 重点！！！
    }

    //clog << width * (height * channel + padding) << endl;

    outFile.seekp(0, ios::beg);
    outFile.write((char*)&bfType, sizeof(Word));
    outFile.write((char*)&fileHeader, sizeof(BitMapFileHeader));
    
    if (channel == 3)
        outFile.write((char*)&infoHeader, sizeof(BitMapInfoHeader));
    else if (channel == 4)
        outFile.write((char*)&infoHeader32bit, sizeof(BitMapInfoHeader32bit));

    outFile.close();
}

/*bool CopyBMPImage(string inPath, string outPath)
{
    ifstream inFile(inPath.c_str(), ios::binary | ios::in);
    if (!inFile)
    {
        cerr << "Copying...Source File Open Error." << endl;
        return false;
    }

    ofstream outFile(outPath.c_str(), ios::binary | ios::out);
    if (!outFile)
    {
        cerr << "Copying...New File Open Error." << endl;
        inFile.close();
        return false;
    }
    char c;
    while (inFile.get(c))
        outFile.put(c);
    outFile.close();
    inFile.close();
    return true;
}*/

void PrintInstruction()
{
    clog << "====================================================" << endl;
    clog << "可以旋转24位和32位BMP图像" << endl;
    clog << "请输入指令：rotatebmp src.bmp dest.bmp" << endl;
    clog << "====================================================" << endl;
    return;
}

int main()
{
    string op, src, dest;

    PrintInstruction();

    while (cin >> op)
    {
        if (op == "rotatebmp")
        {

            clog << "RotateBMP Initialized." << endl;

            cin >> src >> dest;

            Image* image = LoadBMPImage(src);

            if (image != NULL)
            {
                clog << "Load Successfully!" << endl;
                
                RotateAndSaveBMPImage(dest, image);

                clog << "Rotate Successfully!" << endl;
            }
            else
            {
                cerr << "Load Failed!" << endl;
            }
        }

        PrintInstruction();

    }
    
    return 0;
}

/*
rotatebmp 32.bmp 7.bmp
*/

发现一件怪事，VS上能正常运行的代码，在VSCode上就会segmentation fault。是编译器的问题吗？

破案了，但没有完全破。经另一位饱受困扰的同学提醒，我发现在VSCode中#pragma宏定义要放在#include头文件后面才能正常运行。但我也不知道是什么原因。这周末疯狂写码，再这样下去怕是要寄。所以我也懒得管了，还是身体要紧、好好休息。