BMP的“数据4字节对齐”以及像素定位算法的个人探究
BMP的“数据4字节对齐”以及像素定位算法的个人探究
首先对于一个BMP图片，其扫描方式为
从下至上，从左至右，直到顶端
但是真正在写代码的过程中却因为这个对齐的问题，导致了像素数组的空间不足。故在此研究BMP数据并找寻解决的方案。
对于BMP格式的图片来说，一定是4字节对齐，这个所谓的4字节对齐不仅在于图片显示时的以4对齐，更在于图片数据的4字节对齐。以下内容将分为两部分：第一部分将探究BMP具体数据结构层面的“4字节对齐”，第二部分则基于Windows系统的BMP图片显示方式和像素定位/像素区域选取时易出现的——行列像素不对齐的问题进行算法上的研究。
Part1：
这里以一个100X100(宽X高)24位真彩色（RGB三通道）的BMP为例子，基于大量的实验发现：
如果是100X100，则取出的像素数为10000，字节数为30000 bytes
但是图片改变为101X100之后，如果仍以原方案取数据，则理应读取10100个数据。可将这些数据放入另一个自建的BMP文件中会发现根本无法显示。
检查之后发现一个有趣的现象：（由于0x76f6和0x76f7的两个00 00是可以忽略的，所以认为是0x76f5截止）
图 1 101X100的图像末尾数据
而新的BMP，理应是原封不动的，但是实际上是这样的：
图 2 新的BMP末尾数据
也就是说，新的图片在0x7691时已经结束，而原图像则在0x76f5结束
这时候便出现了惊人的一幕：
新图片与原图片整整少了100字节。少了100X1的字节
同样使用103x100重复步骤发现：
少了整整300个字节，也就是说少了100X3的字节。
再使用531X485的图片同样得出，确实缺少了1455字节，即485X3字节。
综合上述可见，（103*3bytes）mod4 = 1
（101*3bytes）mod4 = 3
（531*3bytes）mod4 = 1
P.S.这里*3计算字节数，531像素（RGB）有531*3字节的数据
暂且把这些余数称为 剩余行量A
可以发现 （（4-A）*Height） = 丢失字节量
这也就说明了必须保证4字节对齐，不足的情况
那么现在找到这个量，开始分析问题所在，
在实际拿数据的过程中，我使用的二维数组大小为10100x3,也就是说可以容纳10100个像素共30300字节的数据，但是通过上面的实验发现，需要扩大((4-A)*Height)bytes的空间
即扩大至30400字节，为了方便，一次性扩大Height像素的字节量，也就是（100*3）=300字节，最终的数组大小应该为30600字节，也就是10200像素。
而对于A = 1的状况，即上面531X485的状况，理论上应该使用的字节数为 772605 ，即257535像素（RGB）大小，实际应该增补（4-A）*485 = (4-1)*485 = 1455字节，即485像素的大小，即531->532，直接增加1455的量即可。
倘若A = 2，实际应该增补2*Height，这样的情况下，为了方便，则直接增加 3*height字节的量，从而实现补齐。
所以综合上述表达：
如果数据量不能满足被4整除，则可以在定义取用数组时多加3*Height的数据量，保证数据全部拿出。至于BMP文件中多余的字节，内容均为00，系统读取显示时会自动忽略，无需担心。
如果不计内存容量，仅从方便起见，则可以在每个数组初始化之时，都可以多加3*Height的数据量（即1Height像素）
Part2：
那么接下来说的是第二个点，关于实际显示时的问题
大量实验中发现，以100X100(Width*Height)的BMP图片为例子，由于BMP从下至上，从左至右的扫描方式，如果我想只显示最下面两行的图像，而将之后的图像屏蔽，理论上我需要取出 2*Width的像素，即3*2*Width字节（RGB）的数据，
即200像素，600字节的数据，实验结果是正常的：
图 3 100X100只显示最开始的两行数据
，可以看到均成功。而且任何行数均可以成功（包括0.25行）。
但是如果采用的图片为101X100（RGB），如果想要取出5行数据，理论上需要取出101*5 =505个像素，即1515个字节的数据，但是此时发现如下的现象：
图 4这连正常显示都做不到
图 5 这连正常显示都做不到
505个像素，即1515个字节。拥有先前的经验，第一时间可以想到是否也是4字节对齐的锅：
所以开始计算：
1515mod4 = 3
计算A = 3
则可以在此基础至上提升到最近的能被4整除的值，即1516，但是这也出现了问题，RGB是三通道的，所以又必须被3整除，所以我尝试使用能被6整除的且向左最接近1516的字节1518，即506个像素来显示，可以发现
图 6 最起码可以看到拿满了5行
此时虽然显示的数据不太正常，但是最起码拿满了5行的像素，没有多余也没有不足。
但是此时出现了问题：数据并不正确，在这里每个显示的像素应该是粉色，这就意味着，至少相邻的像素之间发生了糟糕的错位，理论上应该是不存在错位的，不过实际图中没有发现任何影响，所以之后再探究这个问题。
现在的问题是，成功地拿出了完整的5行数据；
那如果拿50行呢？
50*101 = 5050像素，即15150像素，
15150mod6 = 0，所以据此理论应该是能拿满50行不多不少，但是出现了问题
图 7 没有拿满
明显看出没有拿满50行，反而少了一些，所以此时进行进一步的尝试最终发现。
假如取3行，则出现了缺少一个像素未满3行的状况，此时主动加1个像素，即304像素时，是可以成功填满的，同理我尝试了取5行的状况，如果仍旧使用505像素，则会发现缺少一个像素未满的状况，此时如果沿用第三行添加的像素，则实际应该使用506像素。
然而到了6行的时候，却仍然发现了缺少一个像素未满的状况，所以，此时也应该主动增加一个像素，即608像素，此时发现成功填满。
图 8 取6行且主动加2（606+2）的情况
然后当我取7行之时，继承6行，使用709像素，成功地填满了7行，不多不少：
图 9 取7行像素且继承6行的加2（707+2） 的情况
8行也是如此，
但是到9行时，突然发现出现了缺少一个像素未满的状况，所以仍需主动加1个像素。
图 10 9行时出现错误(差一个像素恰好填满9行)
所以综上，我猜测，每读3行，必须主动加一个像素，从而对齐，
此时返回50行的问题，假如取50行，则会有 [50/3] = 16像素不能取满，即主动添加16像素，达到5066像素，最终成功拿出了满50行的数据：
图 11 满50行数据
假如BMP为102X100，则经过实验，在3行时应该主动加2像素。
于是我就这样实验了下去，但是当BMP为104X100时，似乎无论加不加都不会影响。
此时满足条件：
104mod4 = 0
此时将余数暂称为 剩余像素数Pb
如果想取满任何一行，则每行应该添加的像素数为 Pb*[Height/3]
P.S [ ]表示取整
归纳上述，假如每行的像素数（Width）为X（这里为101），则需要在每3行提取之下多加((Xmod4)*Height*3) 个像素。
这种算法可以辅助实现像素定位和块状提取。
写者：QYZ
2021/5/19 22:39