WPF开发-扫描仪Twain协议Bitmap图片解析

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扫描仪Twain协议Bitmap图片解析

前言

Twain协议扫描图片的时候，图片是以Bitmap的格式存储在内存中，我们需要从内存中把图片给复制出来。

小知识：

1字节 = 8位

首先我们要了解Bitmap的结构

Bitmap结构

BMP文件由文件头、位图信息头、颜色信息和图形数据四部分组成。

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文件头

位图文件头BITMAPFILEHEADER，是一个结构，其定义如下:

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typedef struct tagBITMAPFILEHEADER{
    WORD bfType;
    DWORD bfSize;
    WORD bfReserved1;
    WORD bfReserved2;
    DWORD bfOffBits;
} BITMAPFILEHEADER;

位图信息头

其中位图的信息头对应的结构体如下

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[StructLayout(LayoutKind.Sequential, Pack = 2)]
public class Bitmapinfoheader
{
    public uint biSize;
    public int biWidth;
    public int biHeight;
    public ushort biPlanes;
    public ushort biBitCount;
    public uint biCompression;
    public uint biSizeImage;
    public int biXPelsPerMeter;
    public int biYPelsPerMeter;
    public uint biClrUsed;
    public uint biClrImportant;
}

字段说明

  • biSize：指定这个结构的长度，为40，单位字节
  • biWidth：指定图象的宽度，单位是像素
  • biHeight：指定图象的高度，单位是像素
  • biPlanes：必须是1，不用考虑
  • biBitCount：指定表示颜色时要用到的位数，常用的值为1(黑白二色图),4(16色图),8(256色图),24(真彩色图),新的.bmp格式支持32位图
  • biCompression：指定位图是否压缩，有效的值为BI_RGB，BI_RLE8，BI_RLE4，BI_BITFIELDS(都是一些Windows定义好的常量)。要说明的是，Windows位图可以采用RLE4，和RLE8的压缩格式，但用的不多。我们今后所讨论的只有第一种不压缩的情况，即BI_RGB。
  • biSizeImage：指定实际的位图数据占用的字节数，如果biCompression为BI_RGB，则该项可能为零
  • biXPelsPerMeter：指定目标设备的水平分辨率，单位是每米的象素个数，关于分辨率的概念，我们将在打印部分详细介绍。
  • biYPelsPerMeter：指定目标设备的垂直分辨率，单位同上。
  • biClrUsed：指定本图像实际用到的颜色数，如果该值为0，则用到的颜色数为2的biBitCount次方
  • biClrImportant：指定本图象中重要的颜色数，如果该值为零，则认为所有的颜色都是重要的。

颜色信息

所占字节 = 颜色数 * 4

调色板实际上是一个数组，共有biClrUsed个元素，每个元素占4字节，如果该值为零，则有2的biBitCount次方个元素。

真彩色图，是不需要调色板的，颜色数为0。

代码示例

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int colorNum = 0;
if (bi.biClrUsed != 0)
{
    colorNum = (int)bi.biClrUsed;
}
else
{
    switch (bi.biBitCount)
    {
        case 1:
            colorNum = 2;
            break;
        case 4:
            colorNum = 16;
            break;
        case 8:
            colorNum = 256;
            break;
        case 24:
            {
                colorNum = 0; //对于真彩色图，没用到调色板
                break;
            }
    }
}
int paletteSize = colorNum * 4;

图形数据

字节数为 biSizeImage 的值。

Windows规定一个扫描行所占的字节数必须是4的倍数(即以long为单位)，不足的以0填充，

所以图片的尺寸计算公式为

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biSizeImage = ((((bi.biWidth * bi.biBitCount) + 31) & ~31) / 8) * bi.biHeight;

其中

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((bi.biWidth * bi.biBitCount) + 31) & ~31

这行代码的含义是将一个图像的每行像素数据的字节数补齐至32位对齐。也就是4字节对齐。

在这段代码中，bi.biWidth 表示图像的宽度，bi.biBitCount 表示每个像素所占的位数。

首先，将每行像素数据的字节数计算为 (bi.biWidth * bi.biBitCount)。然后，加上31，并将结果与31进行与运算，相当于向上取整至32的倍数，以确保每行像素数据结束时是32位对齐的。

TWain扫描的图片

TWain协议保存在内存的Bitmap是不包含文件头的。

只包含位图信息头、颜色信息和图形数据。

内存操作

获取图像句柄的内存指针

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[DllImport("kernel32.dll", ExactSpelling = true)]
public static extern IntPtr GlobalLock(IntPtr handle);

[DllImport("kernel32.dll", ExactSpelling = true)]
public static extern IntPtr GlobalUnlock(IntPtr handle);

上面的两个方法分别是使用 P/Invoke 调用 Windows API 中的 GlobalLock 和 GlobalUnlock 函数。

传入的参数都是句柄。

GlobalLock 方法：

  • GlobalLock 函数的作用是将内存对象的句柄转换为指向相应内存块的指针，并增加指定的内存对象的锁定计数。
  • 调用 GlobalLock 函数，将传入的句柄(handle)转换为指向全局内存块的指针，并返回该指针的 IntPtr 类型对象。
  • 这样可以访问和操作全局内存中的数据。

GlobalUnlock 方法：

  • GlobalUnlock 函数的作用是减小指定的内存对象的锁定计数，并将它解锁。
  • 调用 GlobalUnlock 函数，解锁之前通过 GlobalLock 锁定的全局内存块，以释放内存资源并允许其他进程访问该内存块。

这两个函数配合使用，可以在操作全局内存块时进行锁定和解锁操作，确保内存访问的正确性和资源释放的准确性。

如下代码所示

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IntPtr bmpPtr = TwainWin32.GlobalLock(dibHandle);
TwainWin32.Bitmapinfoheader bmi = new TwainWin32.Bitmapinfoheader();
Marshal.PtrToStructure(bmpPtr, bmi);

第一行是把内存对象的句柄转换为内存块指针。

解析位图信息头

Marshal.PtrToStructure(bmpPtr, bmi)方法将内存中的数据按照指定的结构体类型进行解析，并将其转换为.NET中的结构体对象。

这里之所以不用传内存的长度，是因为他会自动根据结构体中属性的类型所占字节自动计算。

所以使用Marshal.PtrToStructure获取对象的时候结构体是不能删除属性的也不能修改字段名，会造成解析错误。

图形数据指针

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IntPtr pixptr = (IntPtr)((int)bmpPtr + bi.biSize + paletteSize);

整个图片的内存指针+位图信息头偏移+颜色信息偏移就是图形数据所在的开始的指针了。

复制图形数据

这种方式复制的图形才是正常的

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int width = bi.biWidth;
int height = bi.biHeight;
int stride = (int)(bi.biSizeImage / height);
byte[] imageBytes = new byte[stride * height];
for (int i = 0, j = 0, k = (height - 1) * stride; i < height; i++, j += stride, k -= stride)
{
    Marshal.Copy(
        ((IntPtr)((int)pixptr + j)),
        imageBytes,
        k,
        stride
    );
}

下面这种方式获取的是翻转的。

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byte[] imageBytes = new byte[bi.biSizeImage];
Marshal.Copy(
    pixptr,
    imageBytes,
    0,
    (int)bi.biSizeImage
);

创建BitmapSource

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public static BitmapSource Create(
  int pixelWidth,
  int pixelHeight,
  double dpiX,
  double dpiY,
  PixelFormat pixelFormat,
  BitmapPalette palette,
  Array pixels,
  int stride)
{
  return (BitmapSource) new CachedBitmap(pixelWidth, pixelHeight, dpiX, dpiY, pixelFormat, palette, pixels, stride);
}

参数说明：

  • pixelWidth: 位图的宽度，以像素为单位。

  • pixelHeight: 位图的高度，以像素为单位。

  • dpiX: 位图的水平分辨率，即每英寸水平包含的像素数。

  • dpiY: 位图的垂直分辨率，即每英寸垂直包含的像素数。

  • pixelFormat: 位图的像素格式，指定像素的布局和颜色信息的存储方式。

  • palette: 调色板，如果不使用调色板，则传入 null。

  • pixels: 包含位图像素数据的字节数组。

  • stride: 位图的扫描行宽度，即每行像素数据所占的字节数。

小知识

句柄和指针

内存对象的句柄（handle）和内存对象的指针（pointer）是用于访问内存中对象的两种不同机制。

指针（Pointer）：

  • 指针是一个直接指向内存地址的值。它们直接包含要访问的内存地址，因此可以直接用来访问对象或数据。
  • 指针提供了直接的、实时的内存访问。

句柄（Handle）：

  • 句柄是一个间接引用的值，它本身不直接指向内存对象，而是用作访问内存对象的标识符或引用。
  • 句柄通常是一个在内存中固定位置的值，可以用来查找实际的内存地址或对象。

关系：

  • 间接性：句柄用于间接访问内存对象，而指针直接指向内存对象。
  • 安全性：句柄可以提供额外的安全性，因为它们可以隐藏实际的内存地址或对象，并且可以进行权限检查。
  • 管理：句柄有助于管理内存对象的生命周期，可以用来实现资源管理和自动化清理。

在实际应用中，句柄和指针通常根据需要和设计选择使用。

例如，Windows操作系统中使用句柄来管理GUI对象，而C语言中使用指针直接访问内存。