Wikipedia: BMP File Format (BITMAPV5HEADER의 DIB형식을 가진 Bitmap 파일의 구조 예시이다.)
역시 wikipedia랑 나무위키만한게 없다.
1. Bitmap: DDB와 DIB
Bitmap file은 크게 DDB와 DIB로 나누어진다.
DDB(Device Dependent Bitmap)
- 윈도우즈 3.0이전에 주로 쓰임.
- 이미지의 크기, 색상 등 기본적인 정보와 이미지 데이터로 구성
- 출력장치에 의존적이다.
DIB(Device Independent Bitmap)
- 윈도우즈 3.0부터 지원.
- 이미지의 크기, 색상 등 기본적인 정보와 이미지 데이터, 뿐 아니라 색상테이블, 해상도 등의 추가 정보를 포함.
- 출력장치로부터 독립적이다.
때문에 우리가 생각하는 현재 저장되고 사용되는 bmp파일은 DIB이다. 하지만 DIB형식은 그만큼 복잡하기 때문에 출력장치에 직접 출력하거나, 프로그램에서 사용하는 임시 파일로 적절하지 않아 이러한 용도로 DDB 형식이 여전히 쓰인다고 볼 수 있다.
어쨌거나, 우리가 지금 관심을 가지는 부분은 그림판으로 작업하고 나면 남는 흔히 .bmp으로 끝나는 그 비트맵 파일이고, 어느 장치로 복사해도 읽을 수 있는 이 파일은 DIB 형식이다.
2. DIB Bitmap File Overall Structure
그러니 DIB Bitamp file을 좀 더 살펴보자. DIB Bitmap file의 구조는 일반적으로
- Bitmap File Header
- Bitmap Info Header (DIB Header)
- Color Table (Palette, Semi-Optional)
- Pixel Array
- ICC Color Profile (Optional)
의 순서로 구성되어 있다. 파일의 속성에 따라 일부 요소가 다르거나 없기도 하다.
File Header(BITMAPFILEHEADER)는 고정되어 있으나, DIB header(Info Header)는 7가지나 된다. 물론 이 중에 3가지는 현재 잘 쓰이지 않고, 나머지 중
가 가장 많이 쓰인다고 봐야 할 것이다.
3. Bitmap Header Structure
우선 BITMAPINFOHEADER가 가장 대중적이니 여기에 집중하고자 한다. MSDN문서를 링크해놨는데, 해당 구조체를 거의 그대로 가져와봤다. (bf, bi 접두어는 각각 BITMAPFILE, BITMAPINFO의 약자여서 생략했다. 어차피 구조체멤버로 접근할때 뭐가뭔지 다 아는데 쓸데없이 길다.)
//file: bitmap.h
#ifndef __BITMAP_H__
#define __BITMAP_H__
#pragma pack(push, 1) // Align structure by 1-byte
typedef struct _BITMAPFILEHEADER{ // BMP file header Structure
unsigned short type; // The File Type(aka Magic Number), must be BM
unsigned int size; // This BMP File Size, in bytes
unsigned short reserved1; // Reserved
unsigned short reserved2; // Reserved
unsigned int offBits; // The offset to Bitmap bits(Pixel Array)
} BITMAPFILEHEADER;
typedef struct _BITMAPINFOHEADER{ // BMP info header Structure(DIB header)
unsigned int size; // The size(byte) of this Structure
int width; // The Width of Bitmap
int height; // The Height of Bitmap
unsigned short planes; // The # of planes (must be set to 1)
unsigned short bitCount; // The # of bits per pixel (24 for 24bit bitmap)
unsigned int compression; // The type of compression for bottom-up bitmap
unsigned int sizeImage; // The size(byte) of image data only (Pixel Array)
int xPelsPerMeter; // The horizonatal resolution (pixel per meter)
int yPelsPerMeter; // The vertical resolution (pixel per meter)
unsigned int clrUsed; // The # of color indexed in color table.
unsigned int clrImportant; // The # of color required for displaying.
} BITMAPINFOHEADER;
#pragma pack(pop) // Disable alignment option
#endif
주석으로 대충 설명해놓긴 했지만, 속성이나 임의로 정해놓은 값들 등 자세한 설명이 필요한 부분들이 보인다.
먼저 비트맵 파일을 HxD, HEX Editor와 같은 Hex Editor로 살펴보면, Bitmap File Header부터 나온다.
| Offset | Size | Var. Name | Description |
|---|---|---|---|
| 0x00 | 2 byte | type |
BMP 파일 식별에 쓰이는 ‘매직넘버’: 0x4D42(little endian) |
| 0x02 | 4 byte | size |
BMP 파일의 실제 크기 (Byte 단위) |
| 0x06 | 2 byte | reserved1 |
예약공간1 |
| 0x08 | 2 byte | reserved2 |
예약공간2 |
| 0x0A | 4 byte | offBits |
BMP data (Pixel Array)가 시작되는 Offset |
이 다음에 Bitmap Info Header가 나온다. 앞서 BITMAPINFOHEADER를 사용하기로 했으니 이 기준으로 보자.
| Offset | Size | Var. Name | Description |
|---|---|---|---|
| 0x0E | 4 byte | size |
이 헤더의 크기 (BITMAPINFOHEADER는 40byte) |
| 0x12 | 4 byte | width |
비트맵의 가로 pixel 수 (signed integer) |
| 0x16 | 4 byte | hight |
비트맵의 세로 pixel 수 (signed integer) |
| 0x1A | 2 byte | planes |
사용하는 색상 판의 수 (1개) |
| 0x1C | 2 byte | bitCount |
pixel 당 bit 수 (1, 4, 8, 16, 24, 32) |
| 0x1E | 4 byte | compression |
압축 방식 (0~5에 해당하는 압축방식) |
| 0x22 | 4 byte | sizeImage |
Bitmap data(Pixel Array)의 크기(byte) |
| 0x26 | 4 byte | xPelsPerMeter |
그림의 가로 해상도 (미터당 픽셀, signed integer) |
| 0x2A | 4 byte | yPelsPerMeter |
그림의 세로 해상도 (미터당 픽셀, signed integer) |
| 0x2E | 4 byte | clrUsed |
팔레트(색상 테이블)의 색 수 (테이블이 없는 경우 0) |
| 0x32 | 4 byte | clrImportant |
출력시 반드시 필요한 색 수(?) |
위와 같이 binary bitmap file은 2 byte 단위로 변수들을 촘촘히 빼곡히 배정해 놓는다.
size_t fread (void * DstBuf, size_t ElementSize, size_t Count, FILE * FileStream)
fread함수로 해당 구조체에 바로 집어 넣기 위해서 헤더 구조체들도 오프셋 순서대로, 같은 크기로 선언하였다. 또한 기본설정으로 4 byte 정렬 후 남는 공간에 padding을 넣으면 변수에 제대로 데이터가 들어가지 않으므로,
#pragma pack(push, 1)
를 통해 1 byte씩 정렬하도록 했다. [Wikipedia: Data Structure Alignment], [코딩도장: 구조체 멤버 정렬 사용하기]를 참고하였다. 구조체 정렬이 있다는 것을 배울 때 한 귀로 듣고 한 귀로 흘렸던 기억이 난다. 임의로 정렬하는 법과 그 필요성에 대해서 한 번도 생각해본적이 없었는데 이럴 때 필요한 거 구나 또 잘 알아간다.
4. Color Data & Pixel Data
자, 그 다음 무얼 살펴볼까. 앞서 살펴본 바에 따르면 Color Table과 Pixel Array가 있을 것이다. 근데 이 구성이 bitCount, pixel당 bit수에 따라 다르게 구성되어 있다. (사실 생각해보면 당연한 일이다. pixel당 bit수가 다르니 저장할 수 있는 정보도 다르고, 너무 작거나 크면 저장할 수 있는 방식도 달라질 것이다.)
앞서 하이퍼 링크를 달았지만, BITINFOHEADER MSDN 문서의 bitCount 설명부분에 자세히 나와있다. 영어로 쓰여있기도 하고, 필요한 정보를 집약적으로 보여주지 않아서 여기저기서 찾은 정보들을 정리해봤다.
또 이해를 돕기위해, 앞서 본 bitmap.h 파일에 다음과 같이 구조체를 pragma pack push pop 사이에 미리 추가하였다.
#define BM 0x4D42 //Read "BM" by 2-byte of LittleEndian (B: 0x42, M: 0x4D)
#define BI_SIZE 40 // size of BITMAPINFOHEADER is 40
#define BI_RGB 0 // biCompression default value: Not Compressed
#define BI_BITFIELDS 3 // biCompression value: Manipulated by bitfield
#define PIXEL_ALIGN 4 // Pixel Array will be aligned by 4
typedef unsigned short RGB16; // 2byte of 16bit bitmap color data carrier
#define R555(P) (((P)&0x7C00)>>10) // read Red value from RGB16 of 16bit 555
#define G555(P) (((P)&0x3E0)>>5) // read Green value from RGB16 of 16bit 555
#define B555(P) ((P)&0x1F) // read Blue value from RGB16 of 16bit 555
#define RGB555(R,G,B) (((R)<<10)|((G)<<5)|(B)) // write RGB16 from each channel value of 16bit 555
#define R565(P) (((P)&0xF800)>>11) // read Red value from RGB16 of 16bit 565
#define G565(P) (((P)&0x7E0)>>5) // read Green value from RGB16 of 16bit 565
#define B565(P) ((P)&0x1F) // read Blue value from RGB16 of 16bit 565
#define RGB565(R,G,B) (((R)<<11)|((G)<<5)|(B)) // write RGB16 from each channel value of 16bit 565
typedef struct _RGBTRIPLE{
unsigned char rgbtBlue;
unsigned char rgbtGreen;
unsigned char rgbtRed;
} RGBTRIPLE;
typedef struct _RGBQUAD{
unsigned char rgbBlue;
unsigned char rgbGreen;
unsigned char rgbRed;
unsigned char rgbAlpha;
} RGBQUAD;
bitCount 기준 (색심도: Color Depth 라고한다.)
4-0.공통 사항
- Pixel Array의 원소 1개의 크기는
bitCount크기이다. - Pixel Array는 4바이트로 정렬된다.
예를들어
width==75,bitCount==24이면, (75*(24/8))=225byte가 한 행을 위해 필요한 저장공간이다. 이때, 4바이트로 정렬하기 위해 225byte뒤의 3byte는 예약되어 있게된다. 즉, 이 경우 모든 행마다 마지막에 3byte의padding을 가진다.
4-1. 8bit 이하
- Info Header 다음에 Color Table이 있다.
- Color Table의 색상 수는 \(2^{bitCount}\) 이다.
- Color Table 배열은
RGBQUAD구조체를 원소로 가지며, 이 구조체에 색상 정보가 담겨있다. offBits부터 나오는 Pixel Array에는 Color Table의 인덱스가 저장 되어 있으며, 이 인덱스가 가리키는 색상이 해당 pixel의 색상이다.
4-1-1. 8bit 미만의 경우 (1, 4bit)
- 1byte가 안되는 크기이기 때문에 한 바이트를 8개, 2개로 나누어 점유한다. (Pixel Data를 읽어오는데부터 Bit Operation이 필요하다.)
- Pixel Array의 원소를
unsigned char로 읽은 뒤, 비트연산으로 해당 비트만 읽어와 인덱스를 구한 뒤, Color Table의 해당 인덱스를 읽는 방법으로 비트맵을 읽어야 한다.골때린다.이걸 굳이 해야할까
4-1-2. 8bit
- Pixel Array의 원소를
unsigned char로 읽어 색상 인덱스를 얻어낸 뒤, Color Table의 해당 인덱스를 읽는 방법으로 비트맵을 읽어야 한다.
4-2. 16bit 이상
- Info Header 다음엔 Pixel Array가 있다. (Color Table 없음)
- Pixel Array의 각 원소가 가지고 있는 값 그 자체가 색상 정보이다.
bitCount에 따라 Pixel Array의 원소의 형태, 저장 방식이 상이하다.
4-2-1. 16bit
- 16bit에 R,G,B 세 정보를 저장하기는 상당히 구리다.
- 결국에 16비트를 비트별로 5:5:5, 5:5:5:1, 5:6:5로 나누는 방식이 있다.
RGB16으로 재정의 된unsigned short로 한 픽셀을 읽어온 후 비트 연산으로 각 색상 정보를 읽어와야 한다.- 때문에 편의를 위해
RGB16을 인자로하여 각 채널 값을 읽거나 채널 값을 넣어RGB16을 구하는 매크로함수를 추가하였다.
4-2-1-1. 16bit 555
-
최상위 1비트는 무시하고 그 다음 5비트를
R, 그 다음 5비트를G, 그 다음 5비트를B에 할당한다. 때문에 다음과 같이 정보를 읽어야 한다.r=(pixel&0x7C00)»10; g=(pixel&0x3E0)»5; b=(pixel&0x1F);
-
때문에 각 채널당 32색씩 가지니, 32×32×32=32768색을 가진다.
4-2-1-2. 16bit 5551
- R:G:B=5:5:5로 부여하고, 잔여 1비트를 A(알파채널, 투명)에 할당하였다.
- 비트맵 이미지의 투명도는
BITMAPV3INFOHEADER이후에 추가 되었기때문에 고려하지 않겠다.
4-2-1-3. 16bit 565
-
R:G:B=5:6:5로 비트를 부여하였다. 따라서 다음과 같이 정보를 읽는다.
r=(pixel&0xF800)»11; g=(pixel&0x7E0)»5; b=(pixel&0x1F);
- 때문에
R,B채널은 32색씩, G채널은 64색을 가지니, 32×64×32=65536색을 가진다. - 이 경우
compression이BI_BITFIELDS로 3 값을 가진다. 이게 꽤나 골때리는게, 여기 문서의 파일구조 표에서 DIB헤더 다음 Extra bit mask에 주목하라. 어차피 Pixel Array를 찾는건 FileHeader의offBits를 통해 offset을 참조하면 되므로 크게 문제가 되지 않는다. 문제는 InfoHeader의sizeImage에 이 Extra bit mask가 해당된다는 점이다. 즉,sizeImage는 Pixel Array의 사이즈 뿐 아니라 Extra bit mask의 사이즈도 포함한다.(Extra bit mask가 존재하는 경우) (이러한 점을 간과하여 16bit 565 조작에 애를 먹었다.)
4-2-2. 24bit
- Pixel Array의 원소는
RGBTRIPLE구조체 이다. - Pixel Array에
RGBTRIPLE이 여백없이 붙어서 들어있다. (탐색시 3byte씩 이동해야한다.) RGBTRIPLE은 3byte이므로 4byte align시padding을 고려해야 한다.
4-2-3. 32bit
- Pixel Array의 원소는
RGBQUAD구조체 이다. RGBTRIPLE은 4byte이므로 4byte align시padding이 고려될 필요가 없다.
5. 알아두어야 할 bitmap file 속성
여러 비트맵 파일을 가지고 장난치면서 꽤 신경 써주어야 할 부분이 많다고 느꼈는데 막상 쓰려니 뭘 써야할지 기억이 나지 않는다. 생각나는 것부터 생각날때마다 하나씩 정리해보고자 한다.
- Pixel Array에 접근할 때 평소 프로그래밍 시 다른 좌표접근하듯 접근해서 프로세싱하면 뭔가 상하 반전된 결과물을 얻을 수도 있다. bitmap 파일은 bottom-up 방식으로 저장되어 있다. 관련 kldp 글 때문에 순서대로 프린트 한다면 아래와 같이 접근해야 한다.
for (int y=height-1; y>=0; --y){
for (int x=0; x<width; ++x){
//processing
}
}
BITMAPINFOHEADER에 의외로 있어야 할 정보가 0으로 지정되어 있거나, 틀린 경우도 있다.sizeImage는compression==0인 경우 0으로 저장되기도 한다. 이때는 어렵진 않지만 손수 계산해주어야 한다.compression!=0인 경우에도sizeImage가 맞지 않는 경우를 보았다.sizeImage는 그냥 무시하고width,height로 계산하기로 했다.근데 이게 왜 그런가 했더니…앞서 언급한 16bit565의 특징을 살펴보아라.sizeImage에 Extra bit mask의 공간까지 포함되어서이다. 이러한 경우 때문에sizeImage는 Pixel Array의 크기와 항상 같지 않고, Pixel Array크기는 결국width와height로 구해야 한다.clrUsed도 비어있는 경우가 있었다. 앞서 언급했듯, \(2^{bitCount}\)임을 이용해 계산할 수밖에 없다.clrUsed=(1<<bitCount);이것도 뭔가 그럴듯한 이유가 있으려나
- 위에 것 하나 쓰는동안 하나를 잊어버렸다.
6. bitmap.h
bitmap.h라 이름지은 사용자 커스텀 헤더가 완성되었다.
//file: bitmap.h
#ifndef __BITMAP_H__
#define __BITMAP_H__
#pragma pack(push, 1) // Align structure by 1-byte
typedef struct _BITMAPFILEHEADER{ // BMP file header Structure
unsigned short type; // The File Type(aka Magic Number), must be BM
unsigned int size; // This BMP File Size, in bytes
unsigned short reserved1; // Reserved
unsigned short reserved2; // Reserved
unsigned int offBits; // The offset to Bitmap bits(Pixel Array)
} BITMAPFILEHEADER;
typedef struct _BITMAPINFOHEADER{ // BMP info header Structure(DIB header)
unsigned int size; // The size(byte) of this Structure
int width; // The Width of Bitmap
int height; // The Height of Bitmap
unsigned short planes; // The # of planes (must be set to 1)
unsigned short bitCount; // The # of bits per pixel (24 for 24bit bitmap)
unsigned int compression; // The type of compression for bottom-up bitmap
unsigned int sizeImage; // The size(byte) of image data only (Pixel Array)
int xPelsPerMeter; // The horizonatal resolution (pixel per meter)
int yPelsPerMeter; // The vertical resolution (pixel per meter)
unsigned int clrUsed; // The # of color indexed in color table.
unsigned int clrImportant; // The # of color required for displaying.
} BITMAPINFOHEADER;
#define BM 0x4D42 //Read "BM" by 2-byte of LittleEndian (B: 0x42, M: 0x4D)
#define BI_SIZE 40 // size of BITMAPINFOHEADER is 40
#define BI_RGB 0 // biCompression default value: Not Compressed
#define BI_BITFIELDS 3 // biCompression value: Manipulated by bitfield
#define PIXEL_ALIGN 4 // Pixel Array will be aligned by 4
typedef unsigned short RGB16; // 2byte of 16bit bitmap color data carrier
#define R555(P) (((P)&0x7C00)>>10) // read Red value from RGB16 of 16bit 555
#define G555(P) (((P)&0x3E0)>>5) // read Green value from RGB16 of 16bit 555
#define B555(P) ((P)&0x1F) // read Blue value from RGB16 of 16bit 555
#define RGB555(R,G,B) (((R)<<10)|((G)<<5)|(B)) // write RGB16 from each channel value of 16bit 555
#define R565(P) (((P)&0xF800)>>11) // read Red value from RGB16 of 16bit 565
#define G565(P) (((P)&0x7E0)>>5) // read Green value from RGB16 of 16bit 565
#define B565(P) ((P)&0x1F) // read Blue value from RGB16 of 16bit 565
#define RGB565(R,G,B) (((R)<<11)|((G)<<5)|(B)) // write RGB16 from each channel value of 16bit 565
typedef struct _RGBTRIPLE{
unsigned char rgbtBlue;
unsigned char rgbtGreen;
unsigned char rgbtRed;
} RGBTRIPLE;
typedef struct _RGBQUAD{
unsigned char rgbBlue;
unsigned char rgbGreen;
unsigned char rgbRed;
unsigned char rgbAlpha;
} RGBQUAD;
#pragma pack(pop)
#endif
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