はじめに

Bitmapファイル(*.bmp)は、画像データの先頭に画像の幅や高さ、ビット数などの情報を付加し、バイナリデータとしてファイルに保存されたファイルなので、画像データをプログラムから扱うのは、非常に便利なフォーマットです。

また、Bitmapファイルは、Jpegファイルのように画像ファイルに保存→読込をすることで、保存前の画像データとの誤差も生じないため、画像処理をする画像データを保存するには、Bitmapファイルフォーマットが良く用いられます。

最近では、C++ではOpenCV、C#では.NETのBitmapクラスなどがあるので、Bitmapファイルの中身を意識することなく、Bitmapファイルに保存／読込ができます。

工業用のカメラでは、１画素あたり10bit、12bitのグレースケールに対応したカメラがかなり普及してきていますが、OpenCVや.NETのライブラリでは、10bitや12bitの画像に対応していないことの方が多いのですが、ビットフィールと呼ばれる少々特殊な設定をすることで、Bitmapファイルでも対応することが可能となります。

そのため、Bitmapファイルの中身の構造を理解しておくことが重要となります。

Bitmapファイルの内部構造

Bitmapファイルは、決まった位置に特定の情報が配置されたメモリを、バイナリファイルとして保存することで、Bitmapファイル(*.bmp)となります。

この配置位置と、それぞれの意味について説明します。

Bitmapファイル全体の構造

まず、Bitmapファイルがどのようなブロックで構成されているか、全体像を把握しましょう。

BITMAPFILEHEADER	ビットマップファイルヘッダーファイル全体の情報を格納	14バイト
BITMAPINFOHEADER	ビットマップインフォヘッダー幅、高さ、ビット数などの画像データに関する情報を格納	40バイト
カラーパレット（無い場合もあり）	画像データをどの色でモニタ上に表示するか？の設定	4 x index数
画像データ	画像データが、通常、画像の左下を原点として格納されている。 24bitカラー画像の場合は、B, G, R, B, G, R・・の順番

それでは、各ブロックの詳細を見ていきましょう。

1. ファイルヘッダー (BITMAPFILEHEADER): 14バイト固定

ファイルの先頭に必ず存在し、ファイルがBMPであることや、ピクセルデータまでのオフセットなどを示します。

オフセット(byte)	サイズ(byte)	フィールド名	説明
0	2	`bfType`	ファイルタイプ。必ず "BM" (0x4D42)
2	4	`bfSize`	ファイル全体のサイズ (バイト)
6	2	`bfReserved1`	予約領域 (通常 0)
8	2	`bfReserved2`	予約領域 (通常 0)
10	4	`bfOffBits`	ファイル先頭からピクセルデータの開始位置までのオフセット (バイト)

2. 情報ヘッダー (BITMAPINFOHEADER): 40バイト固定

画像の詳細情報（幅、高さ、色深度、圧縮形式など）を格納します。

オフセット(byte)	サイズ(byte)	フィールド名	説明
14	4	`biSize`	この情報ヘッダーのサイズ (バイト)。通常 40 (0x28)。
18	4	`biWidth`	画像の幅 (ピクセル)
22	4	`biHeight`	画像の高さ (ピクセル)。正の値はボトムアップ形式 (左下原点) 負の値はトップダウン形式 (左上原点) 使用するプログラムによっては、負の値に対応していない場合もあります。
26	2	`biPlanes`	プレーン数 (常に 1)
28	2	`biBitCount`	1ピクセルあたりのビット数 (色深度)。1, 4, 8, 16, 24, 32 など。
30	4	`biCompression`	圧縮形式 (下記参照)
34	4	`biSizeImage`	ピクセルデータ部分のサイズ (バイト)。無圧縮(BI_RGB)の場合、0でも可 (パディング込みで計算可能)。
38	4	`biXPelsPerMeter`	水平解像度 (ピクセル/メートル)。通常 0。
42	4	`biYPelsPerMeter`	垂直解像度 (ピクセル/メートル)。通常 0。
46	4	`biClrUsed`	カラーパレット内の色数。 0の場合、`biBitCount`に基づいて最大色数が使われる (例: 8bitなら256色)。
50	4	`biClrImportant`	重要な色の数。0の場合、全ての色が重要。

3. カラーパレット (Color Palette) またはビットマスク: オプション、可変長

biBitCount が 1, 4, 8 の場合に存在します (インデックスカラー)。
- biClrUsed で指定された数、または biBitCount から計算される最大色数分の RGBQUAD 構造体の配列です。
- RGBQUAD 構造体 (4バイト): 青(B), 緑(G), 赤(R), 予約(通常0) の順で各1バイト。
カラーパレット: BMPファイル、特に色数が少ない画像（1bit, 4bit, 8bit）を効率的に格納するために「カラーパレット」という仕組みを利用します。これは「インデックスカラー」方式とも呼ばれます。

カラーパレットが存在する条件:
- 情報ヘッダーの biBitCount (1ピクセルあたりのビット数) が 1, 4, 8 のいずれかであり、かつ biCompression が BI_RGB または BI_RLE8, BI_RLE4 の場合に、カラーパレットが必須となります。
- biBitCount が 16, 24, 32 の場合は、基本的にピクセルデータに直接色情報が含まれるため、カラーパレットは通常使用しません。
カラーパレットの構造:
- カラーパレットは、情報ヘッダー (BITMAPINFOHEADER など) の直後、かつピクセルデータの前に配置されます。
- パレットは、RGBQUAD という構造体の配列で構成されます。RGBQUAD は1つの色を定義するための4バイトのデータです。
```
typedef struct tagRGBQUAD {
  BYTE rgbBlue;      // 青成分 (0-255)
  BYTE rgbGreen;     // 緑成分 (0-255)
  BYTE rgbRed;       // 赤成分 (0-255)
  BYTE rgbReserved;  // 予約領域 (通常は 0)
} RGBQUAD;
```
  - rgbBlue, rgbGreen, rgbRed で色の三原色を各8ビット(0-255)で指定します。
  - rgbReserved は通常0ですが、ファイル形式やアプリケーションによってはアルファ値（不透明度）として解釈される可能性もゼロではありません（ただしBMPの標準的な仕様ではありません）。
パレットのサイズ (色数):
- パレットに格納される RGBQUAD 構造体の数（＝パレットの色数）は、情報ヘッダーの biClrUsed フィールドによって決まります。
  - biClrUsed が 0 より大きい値の場合: その値がパレットの色数となります。例えば biClrUsed が 100 なら、100個の RGBQUAD (計 400バイト) がパレットとして存在します。ただし、biBitCount で表現可能な最大色数を超えることはできません (例: 4bit画像なら biClrUsed は16以下)。
  - biClrUsed が 0 の場合: biBitCount が示す最大の色数がパレットサイズとなります。
    - biBitCount = 1 : 2色 (2^1) のパレット (通常、白と黒)
    - biBitCount = 4 : 16色 (2^4) のパレット
    - biBitCount = 8 : 256色 (2^8) のパレット
      この場合、パレットの合計バイト数は (2^biBitCount) * sizeof(RGBQUAD) となります。
ピクセルデータとの関係:
- biBitCount が 1, 4, 8 の場合、ピクセルデータには実際のRGB値ではなく、**カラーパレットのインデックス（番号）**が格納されています。
- 例えば、8bit画像 (biBitCount=8) の場合、ピクセルデータは1バイト単位で読み込まれ、そのバイト値 (0～255) がそのままカラーパレットのインデックスとなります。値が 10 であれば、カラーパレットの11番目 (0から数えるため) の RGBQUAD で定義された色が、そのピクセルの色となります。
- 4bit画像 (biBitCount=4) の場合、1バイトに2ピクセル分の情報が含まれます。通常、上位4ビットが1ピクセル目のインデックス (0～15)、下位4ビットが2ピクセル目のインデックス (0～15) となります。
- 1bit画像 (biBitCount=1) の場合、1バイトに8ピクセル分の情報が含まれます。各ビットがインデックス (0または1) に対応します。
ビットマスク (BI_BITFIELDS 指定時):
- 情報ヘッダーの biCompression フィールドに BI_BITFIELDS (値: 3) が指定されている場合、これは通常 16bpp または 32bpp のダイレクトカラーモードで使用されます。
- このモードでは、ピクセルデータ内のビットがどの色成分（赤、緑、青、場合によってはアルファ）に対応するかを定義するためのビットマスクが必要となります。
- 重要: BI_BITFIELDS が指定された場合、カラーパレットは存在しません。カラーパレットが配置されるべき場所（情報ヘッダーの直後）には、代わりに RGB のビットマスクが配置されます。
- 具体的には、情報ヘッダーの直後に、以下の3つの DWORD (符号なし4バイト整数、計12バイト) がこの順序で格納されます。
  1. Red Mask: ピクセルデータ内の赤成分に対応するビットを示すマスク (例: 16bit 5-6-5 なら 0xF800)。
  2. Green Mask: ピクセルデータ内の緑成分に対応するビットを示すマスク (例: 16bit 5-6-5 なら 0x07E0)。
  3. Blue Mask: ピクセルデータ内の青成分に対応するビットを示すマスク (例: 16bit 5-6-5 なら 0x001F)。
- これらのマスクがあるため、ソフトウェアはピクセルデータ（16bit または 32bit の値）から正確な RGB 値を抽出できます。

4. ピクセルデータ (Pixel Data):

実際の画像データが格納されます。
この開始位置はファイルヘッダーの bfOffBits で示されます。
格納順序:
- biHeight が正の場合: ボトムアップ形式。画像の一番下の行から一番上の行へ、各行は左から右へ格納されます。基本的にこちらを使う
- biHeight が負の場合: トップダウン形式。画像の一番上の行から一番下の行へ、各行は左から右へ格納されます。（比較的新しい形式で、biCompression が BI_RGB または BI_BITFIELDS の場合にのみ有効）

負の値に対応していないプログラムもあるので注意

パディング (Padding):
- 各行のデータサイズ（バイト数）は、必ず4バイトの倍数になるように、末尾に0x00などのパディングデータが付加されます。これはメモリアクセス効率のためです。
- 計算式: stride = floor((biBitCount * biWidth + 31) / 32) * 4
- ピクセルデータ全体のサイズ (biSizeImage) は、無圧縮の場合 stride * abs(biHeight) で計算できます。
  (例) 8bitモノクロ 802 x 600画素の画像の場合
  メモリ上は 804 x 600画素分用意し、行の最後（右側）の２画素分の値は０にします。
色深度ごとのデータ形式:
- 1-bit: 1ピクセルを1ビットで表現。8ピクセルで1バイト。値はカラーパレットのインデックス0または1に対応。バイト内のビット順は通常、最上位ビット(MSB)が左端のピクセルに対応。
- 4-bit: 1ピクセルを4ビットで表現。2ピクセルで1バイト。通常、1バイトの上位4ビットが左側のピクセル、下位4ビットが右側のピクセルのインデックス(0-15)に対応。
- 8-bit: 1ピクセルを8ビット(1バイト)で表現。値はカラーパレットのインデックス(0-255)。
- 16-bit: 1ピクセルを16ビット(2バイト)で表現。
  - biCompression = BI_RGB: 通常 RGB 5-5-5 形式 (最上位ビットは予約)。赤・緑・青各5ビット。
  - biCompression = BI_BITFIELDS: ヘッダー直後のビットマスクに従って RGB 値を格納。一般的なのは RGB 5-6-5 形式（赤5, 緑6, 青5ビット）。
- 24-bit: 1ピクセルを24ビット(3バイト)で表現。B, G, R の順で各8ビット。カラーパレットは使用しない (フルカラー)。
- 32-bit: 1ピクセルを32ビット(4バイト)で表現。
  - biCompression = BI_RGB: 通常 B, G, R, 予約(未使用, A) の順で各8ビット。予約バイトはC言語では0を指定する場合が多かったか、.NETではアルファ値（透過率）として使われ、不透明の場合255を指定する。
  - biCompression = BI_BITFIELDS: ヘッダー直後のビットマスクに従って RGB(A) 値を格納。
圧縮形式 (biCompression フィールドの値):
- 0 (BI_RGB): 無圧縮 (最も一般的)
- 1 (BI_RLE8): 8-bit Run-Length Encoding (8bppボトムアップ画像用)
- 2 (BI_RLE4): 4-bit Run-Length Encoding (4bppボトムアップ画像用)
- 3 (BI_BITFIELDS): ビットフィールド指定 (16bpp, 32bpp画像用)。
  カラーマスクが情報ヘッダ直後 (カラーパレットの代わり) に配置される。トップダウン形式も可能。
- 4 (BI_JPEG): JPEG圧縮されたデータを含む (埋め込みJPEG、稀)
- 5 (BI_PNG): PNG圧縮されたデータを含む (埋め込みPNG、稀)

モノクロ10～16bit画像の場合

ビットフィールドの設定を用います。

BITMAPFILEHEADERのbfOffBitsを66 (= 14 + 40 + 4 x 3)
BITMAPINFOHEADERのbiBitCountを16
BITMAPINFOHEADERのbiCompressionをBI_BITFIELDS
に設定します。
さらに、カラーパレットとしてRGBQUADを3つ分使用します。
ここでは、カラーパレットというよりも、1画素のデータのビット数（16bit）に対して、どのビットが有効なのか？を示すビットマスクとして用います。

RGBQUADの３つのうち、
bmiColors[0]がR（赤）
bmiColors[1]がG（緑）
bmiColors[2]がB（青）
の画像表示色のビットマスクとなります。

例えば、モノクロ10bitの場合、16bit中下位10bitが有効データとなります。
ビットで表現すると 0000001111111111 となります。
16進数で32bitの値として表現すると 0x0003FF となります。

これをRGBQUADで表すと、RGBQUAD全体32bit中の上位ビットから順に

rgbReserved, rgbRed, rgbGreen, rgbBlue

の順番で並んでいるので、最終的にカラーパレットは

// Rのビットマスク
bmiColors[0].rgbReserved = 0x00
bmiColors[0].rgbRed = 0x00
bmiColors[0].rgbGreen = 0x03
bmiColors[0].rgbBlue = 0xFF
// Gのビットマスク
bmiColors[1].rgbReserved = 0x00
bmiColors[1].rgbRed = 0x00
bmiColors[1].rgbGreen = 0x03
bmiColors[1].rgbBlue = 0xFF
// Bのビットマスク
bmiColors[2].rgbReserved = 0x00
bmiColors[2].rgbRed = 0x00
bmiColors[2].rgbGreen = 0x03
bmiColors[2].rgbBlue = 0xFF

となります。

ビットフィールドの設定は、あまり一般的に用いられてません。
そのためビットフィールドに対応していないプログラム、ライブラリが多くありますが、Windowsのフォトアプリでは、ビットフィールドの値が反映され、画像が表示されます。

モノクロの10～16bitで保存したBitmap画像ファイルはWindowsのエクスプローラでは32bitと表示されます。

おまけ。便利ツールの紹介

Bitmapファイルは、画像データにヘッダ情報が付いたただのバイナリファイルなので、Bitmapファイルの構造を確認するには、バイナリエディタがあると便利です。

私が良くお世話になっているのは、 TSXBIN というソフト
これ、かなりおススメです。
https://www.vector.co.jp/soft/dl/winnt/util/se513258.html

下記の画像は、モノクロ10bitのBitmapファイルを、TSXBINで表示した時の画面です。