利用Java实现读写bmp文件的示例代码_Java

一、项目背景详细介绍

位图（bitmap，bmp）是一种最原始、最简单的图像文件格式，由微软和 ibm 在 1980 年代联合制定，用于 windows 操作系统。与 jpeg、png 等压缩格式相比，bmp 文件存储的是未经压缩的原始像素数据，文件头结构也相对简单，包含 bmp 文件头（14 字节）和 dib 信息头（通常 40 字节）的元数据，后面直接跟随像素数据。由于无压缩且像素排列规则，bmp 文件成为图像处理入门的首选格式，也是许多学习图像算法、文件格式解析的范例。

在 java 生态中，虽然 imageio 支持读取和写入 bmp，但其实现并不支持所有 bmp 变种（如带调色板的 8 位 bmp、压缩的 rle 格式、位域 bi_bitfields）。更重要的是，通过手写 bmp 解析与生成，可以深入理解二进制文件结构、字节对齐、像素存储顺序、色彩通道排列、大小端问题，以及 java nio、bytebuffer、datainputstream/dataoutputstream 等 api 的使用。

本项目旨在用纯 java 从零实现一个轻量级的 bmp 文件读写库，支持以下功能：

读取常见的 24 位真彩色 bmp 文件，解析文件头、信息头、像素数据；
将内存中的像素数据（argb 或 rgb 数组）写出为标准 bmp 文件；
支持带调色板的 8 位灰度 bmp 读写；
支持行字节对齐与填充；
提供简单易用的 api：bmpimage read(file)、void write(bmpimage, file)；
包含单元测试与示例，便于学习和集成。

通过本项目，您将掌握二进制文件解析、内存与磁盘数据映射、图像像素处理、文件 i/o、字节序与对齐等核心技术，既可用于图像算法学习，也可在不依赖第三方库的情况下完成基础图像处理需求。

二、项目需求详细介绍

核心功能
- bmp 读取
  - 解析 bmp 文件头（14 字节），获取文件大小、像素数据偏移；
  - 解析 dib 信息头（至少 bitmapinfoheader，40 字节），获取宽度、高度、位深、压缩方式、像素数据大小；
  - 支持 24 位（无调色板）和 8 位（带调色板）两种常见格式；
  - 读取调色板数据（8 位 bmp）；
  - 读取像素数据，并根据行对齐规则计算实际字节长度，转换为 int[][] 或 byte[][] 数组表示。
- bmp 写入
  - 将内存中像素数据构造 bmp 文件头和 dib 头，计算文件大小与偏移；
  - 支持将 int[][]（24 位真彩）或 byte[][]（8 位灰度）像素数据写入文件；
  - 自动填充行尾对齐字节（行长度必须是 4 的倍数）；
  - 写入调色板（灰度表），写入像素数据。
api 设计
- class bmpimage：封装宽度、高度、位深、调色板（可选）、像素数据；
- class bmpreader：静态方法 bmpimage read(file) throws ioexception, bmpparseexception；
- class bmpwriter：静态方法 void write(bmpimage, file) throws ioexception；
- 自定义异常 bmpparseexception 用于格式错误。
扩展需求
- 支持 32 位带 alpha 通道 bmp（可选扩展）；
- 支持 rle 压缩的 8 位 bmp（高阶扩展）；
- 提供 bmpimage tobufferedimage() 方法转换为 java.awt.image.bufferedimage；
- 提供从 bufferedimage 构建 bmpimage 的工厂方法；
性能与健壮性
- 使用 bufferedinputstream、bufferedoutputstream 或 nio filechannel 进行高效 i/o；
- 对所有读取步骤进行合法性校验，格式不符时抛出 bmpparseexception；
- 单元测试覆盖宽高、位深、对齐、调色板、异常路径。
文档与测试
- 完整 javadoc 注释；
- junit 5 单元测试，测试案例包括小尺寸 bmp、大尺寸 bmp、无效文件、非 bmp 文件；
- 示例主程序演示读取 bmp 文件并保存为另一个 bmp。

三、相关技术详细介绍

bmp 文件结构
- bitmap file header（bitmapfileheader）：14 字节
  - bftype (2 bytes): 固定为 “bm” (0x42 0x4d)；
  - bfsize (4 bytes): 文件总大小（字节）；
  - bfreserved1、bfreserved2 (各 2 bytes)：保留，通常为 0；
  - bfoffbits (4 bytes): 像素数据在文件中的偏移量（字节位置）。
- dib header（bitmapinfoheader）：40 字节
  - bisize (4 bytes): dib 头大小，通常为 40；
  - biwidth (4 bytes)、biheight (4 bytes)：图像宽度、高度（像素）；
  - biplanes (2 bytes): 颜色平面数，固定为 1；
  - bibitcount (2 bytes): 每像素位数，如 1、4、8、16、24、32；
  - bicompression (4 bytes)：压缩方式（0 = bi_rgb 无压缩；1 = bi_rle8；2 = bi_rle4；3 = bi_bitfields）；
  - bisizeimage (4 bytes)：像素数据大小（字节），可为 0；
  - bixpelspermeter、biypelspermeter (各 4 bytes)：水平/垂直分辨率；
  - biclrused (4 bytes)：调色板中颜色数，0 表示默认；
  - biclrimportant (4 bytes)：重要颜色数，0 表示全部重要。
- color table（可选）：当 bibitcount ≤ 8 时存在，每条 4 字节（b, g, r, reserved）
- pixel array：按行从下到上（bmp 默认），每行左到右；每行长度需填充到 4 字节对齐。
java i/o 与 nio
- datainputstream / dataoutputstream：方便读取/写入基本类型大端或小端；
- bytebuffer：调整字节序（order(byteorder.little_endian)）；
- filechannel + mappedbytebuffer：可选内存映射加速；
- bufferedinputstream / bufferedoutputstream：缓冲字节流提高效率。
字节对齐
- bmp 每行像素数据占用字节数 = ((width * bitsperpixel + 31) / 32) * 4
- 对齐后每行末尾填充 0x00。
错误处理
- 当 bftype 不是 “bm” 或 bibitcount 不支持时，抛出 bmpparseexception；
- 当文件过短、偏移超出或数据不完整时，抛出异常。
java2d 互操作
- 将 bmpimage 转为 bufferedimage：

bufferedimage img = new bufferedimage(width, height, bufferedimage.type_int_rgb);
for (y,h) ... img.setrgb(x,y,pixel);

从 bufferedimage 构造 bmpimage：

int rgb = img.getrgb(x,y);
// 分离 r,g,b 通道

四、实现思路详细介绍

数据模型定义
- class bmpimage：

public class bmpimage {
    int width, height;
    short bitcount;           // 8 或 24
    int[][] pixels24;         // [row][col] 每像素 0x00rrggbb
    byte[][] pixels8;         // [row][col] 调色板索引
    int[] palette;            // 8 位调色板，length = colorsused
}

只存储必要字段，其它 dib 信息头字段可忽略或保留。
读取流程（bmpreader）
打开文件，使用 datainputstream 包装 bufferedinputstream；
读取并校验 bmp 文件头：readunsignedshortle()（小端），检查 “bm”；
读取文件大小、保留字段、像素偏移；
读取 dib 头长度，判断格式，仅处理 bisize == 40；
读取宽、高、平面数、位深、压缩方式；
计算行占用字节数 rowbytes = ((width * bitcount + 31) / 32) * 4；
若 bitcount == 8，读取 colorsused 条调色板，每条 4 字节，存入 palette；
根据 height 正负判断存储方向（正值从下往上，负值自顶向下）；
分行读取像素数据，解码 24 位真彩色或 8 位索引，存入 pixels24 或 pixels8；

写入流程（bmpwriter）
- 根据 bmpimage 字段，计算 rowbytes 与 pixeldatasize = rowbytes * abs(height)；
- bfsize = 14 + dibsize + palettesize + pixeldatasize；
- 使用 dataoutputstream，按小端顺序写入 bitmapfileheader；
- 写入 bitmapinfoheader 各字段；
- 若 8 位，写入调色板；
- 按行填充写入像素数据，注意 4 字节对齐，写入行尾填充字节；
辅助方法
- readunsignedshortle()、readintle()：读取小端数；
- writeshortle()、writeintle()：写入小端；
- padzeros(int count)：写入指定数量的 0；
与 bufferedimage 互操作
- bmpimage tobufferedimage()：构造 bufferedimage 并填充像素；
- static bmpimage frombufferedimage(bufferedimage img, boolean usepalette)；
异常与校验
- 在各读取阶段检查可用字节数；
- 对不支持的格式或参数，立即抛 bmpparseexception；
- 在写入前验证 bitcount、数据数组与宽高一致。

五、完整实现代码

// ===================================================
// 文件：src/main/java/com/example/bmp/bmpimage.java
// ===================================================
package com.example.bmp;
 
import java.awt.image.bufferedimage;
 
/**
 * bmp 图像数据模型
 */
public class bmpimage {
    public int width;
    public int height;
    public short bitcount;       // 8 或 24
    public int[][] pixels24;     // 每像素 0x00rrggbb
    public byte[][] pixels8;     // 每像素调色板索引
    public int[] palette;        // 调色板，length = colorsused
 
    /** 转换为 bufferedimage */
    public bufferedimage tobufferedimage() {
        bufferedimage img = new bufferedimage(width, math.abs(height),
            bitcount == 24 ? bufferedimage.type_int_rgb : bufferedimage.type_byte_indexed);
        if (bitcount == 24) {
            for (int y = 0; y < math.abs(height); y++) {
                for (int x = 0; x < width; x++) {
                    img.setrgb(x, y, pixels24[y][x]);
                }
            }
        } else {
            // 8 位，需创建 indexcolormodel（此处略）
            // 简单填充为灰度图
            for (int y = 0; y < math.abs(height); y++) {
                for (int x = 0; x < width; x++) {
                    int idx = pixels8[y][x] & 0xff;
                    int c = palette[idx];
                    img.setrgb(x, y, c);
                }
            }
        }
        return img;
    }
}
 
// ===================================================
// 文件：src/main/java/com/example/bmp/bmpparseexception.java
// ===================================================
package com.example.bmp;
 
/** bmp 解析异常 */
public class bmpparseexception extends exception {
    public bmpparseexception(string msg) { super(msg); }
}
 
// ===================================================
// 文件：src/main/java/com/example/bmp/bmpreader.java
// ===================================================
package com.example.bmp;
 
import java.io.*;
import java.nio.byteorder;
 
/**
 * bmp 文件读取器
 */
public class bmpreader {
    public static bmpimage read(file file) throws ioexception, bmpparseexception {
        try (datainputstream dis = new datainputstream(new bufferedinputstream(new fileinputstream(file)))) {
            // 1. 读取文件头
            int bftype = readunsignedshortle(dis);
            if (bftype != 0x4d42) throw new bmpparseexception("非 bmp 文件");
            int bfsize = readintle(dis);
            dis.skipbytes(4); // reserved
            int bfoffbits = readintle(dis);
 
            // 2. 读取 dib 头
            int dibsize = readintle(dis);
            if (dibsize != 40) throw new bmpparseexception("不支持的 dib 头大小: " + dibsize);
            int width = readintle(dis);
            int height = readintle(dis);
            short planes = readshortle(dis);
            short bitcount = readshortle(dis);
            int compression = readintle(dis);
            if (compression != 0) throw new bmpparseexception("不支持压缩: " + compression);
            int imagesize = readintle(dis);
            dis.skipbytes(16); // 跳过分辨率与颜色信息
            int colorsused = readintle(dis);
            if (colorsused == 0 && bitcount <= 8) {
                colorsused = 1 << bitcount;
            }
 
            // 构造 bmpimage
            bmpimage img = new bmpimage();
            img.width = width;
            img.height = height;
            img.bitcount = bitcount;
 
            // 3. 读取调色板（8 位）
            if (bitcount == 8) {
                img.palette = new int[colorsused];
                for (int i = 0; i < colorsused; i++) {
                    int b = dis.readunsignedbyte();
                    int g = dis.readunsignedbyte();
                    int r = dis.readunsignedbyte();
                    dis.readunsignedbyte(); // 保留
                    img.palette[i] = (r << 16) | (g << 8) | b;
                }
                img.pixels8 = new byte[math.abs(height)][width];
            } else if (bitcount == 24) {
                img.pixels24 = new int[math.abs(height)][width];
            } else {
                throw new bmpparseexception("仅支持 8 位和 24 位 bmp");
            }
 
            // 4. 跳转到像素数据偏移
            long skipped = dis.skip(bfoffbits - 14 - dibsize - (bitcount==8 ? colorsused*4 : 0));
            // 5. 计算行长度（字节）对齐到 4 字节
            int rowbytes = ((width * bitcount + 31) / 32) * 4;
 
            // 6. 读取像素数据
            boolean bottomup = height > 0;
            int absheight = math.abs(height);
            for (int row = 0; row < absheight; row++) {
                int y = bottomup ? absheight - 1 - row : row;
                byte[] rowdata = new byte[rowbytes];
                dis.readfully(rowdata);
                bytearrayinputstream rowin = new bytearrayinputstream(rowdata);
                for (int x = 0; x < width; x++) {
                    if (bitcount == 24) {
                        int b = rowin.read();
                        int g = rowin.read();
                        int r = rowin.read();
                        img.pixels24[y][x] = (r << 16) | (g << 8) | b;
                    } else {
                        int idx = rowin.read();
                        img.pixels8[y][x] = (byte) idx;
                    }
                }
            }
            return img;
        }
    }
 
    // 小端读取辅助
    private static int readunsignedshortle(datainputstream dis) throws ioexception {
        int b1 = dis.readunsignedbyte();
        int b2 = dis.readunsignedbyte();
        return (b2 << 8) | b1;
    }
    private static short readshortle(datainputstream dis) throws ioexception {
        int u = readunsignedshortle(dis);
        return (short) u;
    }
    private static int readintle(datainputstream dis) throws ioexception {
        int b1 = dis.readunsignedbyte();
        int b2 = dis.readunsignedbyte();
        int b3 = dis.readunsignedbyte();
        int b4 = dis.readunsignedbyte();
        return (b4 << 24) | (b3 << 16) | (b2 << 8) | b1;
    }
}
 
// ===================================================
// 文件：src/main/java/com/example/bmp/bmpwriter.java
// ===================================================
package com.example.bmp;
 
import java.io.*;
 
/**
 * bmp 文件写入器
 */
public class bmpwriter {
    public static void write(bmpimage img, file file) throws ioexception {
        try (dataoutputstream dos = new dataoutputstream(new bufferedoutputstream(new fileoutputstream(file)))) {
            int width = img.width;
            int absheight = math.abs(img.height);
            int bitcount = img.bitcount;
            int rowbytes = ((width * bitcount + 31) / 32) * 4;
            int imagesize = rowbytes * absheight;
            int palettesize = (bitcount == 8 ? img.palette.length * 4 : 0);
            int bfoffbits = 14 + 40 + palettesize;
            int bfsize = bfoffbits + imagesize;
 
            // 1. 写文件头
            writeshortle(dos, 0x4d42); // "bm"
            writeintle(dos, bfsize);
            writeshortle(dos, 0);
            writeshortle(dos, 0);
            writeintle(dos, bfoffbits);
 
            // 2. 写 dib 头（bitmapinfoheader）
            writeintle(dos, 40);
            writeintle(dos, width);
            writeintle(dos, img.height);
            writeshortle(dos, 1);         // planes
            writeshortle(dos, bitcount);
            writeintle(dos, 0);           // bi_rgb
            writeintle(dos, imagesize);
            writeintle(dos, 0); writeintle(dos, 0); // 分辨率
            writeintle(dos, bitcount == 8 ? img.palette.length : 0);
            writeintle(dos, 0);
 
            // 3. 写调色板
            if (bitcount == 8) {
                for (int c : img.palette) {
                    int r = (c >> 16) & 0xff;
                    int g = (c >> 8) & 0xff;
                    int b = c & 0xff;
                    dos.writebyte(b);
                    dos.writebyte(g);
                    dos.writebyte(r);
                    dos.writebyte(0);
                }
            }
 
            // 4. 写像素数据
            byte[] pad = new byte[rowbytes - (width * bitcount / 8)];
            for (int row = absheight - 1; row >= 0; row--) {
                if (bitcount == 24) {
                    for (int x = 0; x < width; x++) {
                        int rgb = img.pixels24[row][x];
                        dos.writebyte(rgb & 0xff);          // b
                        dos.writebyte((rgb >> 8) & 0xff);   // g
                        dos.writebyte((rgb >> 16) & 0xff);  // r
                    }
                } else {
                    for (int x = 0; x < width; x++) {
                        dos.writebyte(img.pixels8[row][x]);
                    }
                }
                dos.write(pad);
            }
        }
    }
 
    // 小端写入辅助
    private static void writeshortle(dataoutputstream dos, int v) throws ioexception {
        dos.writebyte(v & 0xff);
        dos.writebyte((v >> 8) & 0xff);
    }
    private static void writeintle(dataoutputstream dos, int v) throws ioexception {
        dos.writebyte(v & 0xff);
        dos.writebyte((v >> 8) & 0xff);
        dos.writebyte((v >> 16) & 0xff);
        dos.writebyte((v >> 24) & 0xff);
    }
}
 
// 文件：src/main/java/com/example/bmp/main.java
package com.example.bmp;
 
import java.io.file;
 
public class main {
    public static void main(string[] args) throws exception {
        // 读取 bmp
        bmpimage img = bmpreader.read(new file("input.bmp"));
        system.out.println("读取完成: " + img.width + "x" + math.abs(img.height) + " 位深=" + img.bitcount);
        // 转换为 bufferedimage 并另存为 png（示例）
        // imageio.write(img.tobufferedimage(), "png", new file("out.png"));
 
        // 修改像素：反转颜色示例
        if (img.bitcount == 24) {
            for (int y = 0; y < math.abs(img.height); y++) {
                for (int x = 0; x < img.width; x++) {
                    int rgb = img.pixels24[y][x];
                    int r = 255 - ((rgb >> 16) & 0xff);
                    int g = 255 - ((rgb >> 8) & 0xff);
                    int b = 255 - (rgb & 0xff);
                    img.pixels24[y][x] = (r << 16) | (g << 8) | b;
                }
            }
        }
 
        // 写入 bmp
        bmpwriter.write(img, new file("output.bmp"));
        system.out.println("写入完成");
    }
}

六、代码详细解读

bmpimage：封装 bmp 图像的核心数据，包括宽度、高度、位深、调色板（8 位）或真彩色像素数组，以及与 bufferedimage 互操作的方法。
bmpparseexception：自定义解析异常，用于格式校验失败时抛出。
bmpreader：
- 读取 bmp 文件头（小端），检查“bm”标识；
- 读取 dib 头中的宽高、位深、压缩方式，并校验仅支持无压缩 8/24 位；
- 读取调色板（8 位），或分配像素数组；
- 跳转到像素数据偏移位置，按行读取像素并考虑 4 字节对齐；
bmpwriter：
- 计算行长度、像素数据大小和文件总大小；
- 写入文件头与 dib 头（小端），包括必要字段；
- 写入调色板（8 位）或跳过；
- 按行自下而上写入像素数据，并填充行尾对齐字节；
main：示例演示 bmp 文件读取、像素修改（反色）、bmp 写入，以及与 bufferedimage 的互操作。

七、项目详细总结

功能完整：支持读取和写入最常见的 8 位带调色板 bmp 和 24 位真彩色 bmp；
纯 java 实现：无第三方依赖，便于集成到任意 java 项目；
对齐与字节序处理：正确实现行对齐及小端字节序，确保跨平台一致性；
易用 api：提供 bmpreader.read()、bmpwriter.write() 两个静态方法，简洁明了；
性能可控：使用缓冲流和按行处理，内存占用可控；
可扩展：后续可加入 32 位 alpha 通道、rle 压缩、性能优化的 nio 实现。

八、项目常见问题及解答

q：为何 bmp 读取时要按行倒序？
a：bmp 默认自下而上存储像素，高度字段若为正值表示倒序；
q：如何支持其它 dib 头格式？
a：在解析时根据 bisize 分支处理不同头结构，如 bitmapv2infoheader（52 字节）；
q：写入 32 位带 alpha bmp？
a：将 bitcount 设为 32，写入 bgra 顺序像素，dib 头中的位域需设置 bi_bitfields；
q：如何提高大文件读写性能？
a：可使用 nio filechannel 与 mappedbytebuffer，一次映射全部或部分文件；
q：写入时如何生成灰度调色板？
a：调色板数组 palette[i] = (i << 16)|(i<<8)|i，0-255 等级灰度。