FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

Transcrição

1 SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA SEMINAR IZ RAČUNALNE FORENZIKE BMP format (.bmp) Marina Krček Zagreb, siječanj, 2016.

2 Sadržaj BMP format datoteka...3 Rasterska grafika...3 Formati slikovnih datoteka (image file formats)...3 Device-independent bitmap i BMP format...3 Struktura datoteke...4 DIB datoteke u memoriji...4 Bitmap zaglavlje...5 DIB zaglavlje...5 Tablica boja...6 Pohrana piksela...6 Polje piksela (bitmap podaci)...7 Format piksela...7 Primjer.bmp slike...8 Literatura... 11

3 BMP format datoteka BMP format poznat još kao bitmap ili DIB device independent bitmap format je rasterska grafika za spremanje digitalnih slika neovisno o uređaju za prikazivanje. BMP format može spremati 2D digitalne slike različitih širina, visina i rezolucije, jednobojne ili u više boja, prozirne, itd. BMP format upravlja grafičkim datotekama unutar Microsoft Windows OS-a. Tipično datoteke nisu kompresirane, što ih čini velikima i bez gubitaka. Prednost BMP formata je jednostavna struktura i široka prihvaćenost u Windows programima. Ekstenzija datoteka BMP formata je.bmp ili.dib. Rasterska grafika Rasterska grafika je slika podatkovne strukture kao točkasta matrica, te predstavlja pravokutnu mrežu piksela (točke u boji), koje se mogu vidjeti na monitoru, papiru ili nekom drugom uređaju za prikaz. Bitmapa, single-bit raster, odgovara bit na bit sa slikom na ekranu, općenito u istom formatu za pohranu u memoriji uređaja za prikaz ili kao device-independent bitmap, što znači da je neovisna o uređaju i njegovoj internoj reprezentaciji slike. Raster je opisan širinom i visinom slike u pikselima i brojem bitova po pikselu (tj. color depth broj bitova koji označava boju). Formati slikovnih datoteka (image file formats) Formati slika su standardizirani načini organiziranja i pohranjivanja digitalnih slika. Slike se sastoje od digitalnih podataka u nekom od standardnih formata koji se mogu rasterizirati kako bi se na kraju mogli prikazivati na ekranima ili printerima i drugim uređajima za prikaz. Rasterizirati sliku znači da se iz nekog zapisa digitalnih podataka slike (kompresirani ili ne, ili vektorski zapis) dobije mreža piksela opisanih bojom za prikaz. Device-independent bitmap i BMP format Microsoft je definirao specifičnu reprezentaciju bitmapa u boji kao pomoć pri dijeljenju bitmapa između uređaja i aplikacija s različitim internim reprezentacijama. Nazvali su takve bitmape deviceindependent bitmap (DIBs), a format datoteke je DIB ili BMP format za slike. Device-independent bitmap (DIB) je format koji definira neovisne bitmape u različitim rezolucijama boje. Glavna uloga DIB-a je da dopušta razmijenu između dva ili više uređaja, neovisno o njihovim internim reprezentacijama. U nastavku je dan opis strukture datoteke BMF formata te je svaka struktura, tj. blok podataka ukratko opisan, a u zadnjem poglavlju dan je primjer.bmp datoteke te su opisani dijelovi datoteke pokazani i označeni na primjeru.

4 Struktura datoteke U ovom poglavlju bit će opisan standardni BMF format datoteka, no neke aplikacije stvaraju bitmap slike koje ne odgovaraju Microsoftovoj dokumentaciji. Također, nisu sva polja uvijek korištena, te se u njima nalazi vrijednost 0 ukoliko se ne koriste. Bitmap slikovna datoteka sastoji se od struktura (headera/zaglavlja) konstantne veličine i struktura varijablinih veličina koje se pojavljuju u unaprijed određenim slijedovima. S obzirom da je nastajanje ovog formata datoteka dugo trajalo, moguće su mnoge različite verzije nekih od tih struktura u datotekama. Tablica 1 prikazuje strukture i njihove karakteristike. Naziv strukture Bitmap zaglavlje DIB zaglavlje Dodatni bitovi maske Tablica boja Opcionalno Veličina Uloga Dodatne informacije Ne 14B Spremanje općenitih podataka o bitmap slici Ne 7 različitih verzija fiksne veličine Spremanje detaljnih podataka o datoteci i definiranje piksel formata Da 12 ili 16 B Definiranje piksel formata Poluopcionalna Varijabilna veličina Praznina 1 Da Varijabilna veličina Polje Ne Varijabilna piksela veličina Praznina 2 Da Varijabilna veličina ICC profil Da Varijabilna boja veličina Definira boje korištene u bitmapi Poravnavanje stukture Definira prave vrijednosti piksela Poravnanje strukture Definiranje profila boja za upravljanje bojama Tablica 1: Struktura BMP datoteke Nije potreban nakon što se datoteka učita u memoriju Slijedi odmah nakon bitmap zaglavlja Pristuni samo ako je DIB zaglavlje BITMAPINFOHEADER i ako je metoda kompresije BI_BITFIELDS ili BI_ALPHABITFIELDS Obavezno za označavanje boja s 8 ili manje bitova Odmak do polja piksela Format piksela definira DIB zaglavlje ili dodatni bitovi Odmak do ICC profila Može sadržavati put do vanjske datoteke s profilom boja DIB datoteke u memoriji Bitmapa slike učitana u memoriju postaje DIB podatkovna struktura. Ta podatkovna struktura gotovo je identična BMP formatu, ali ne sadrži 14 B veliko bitmap zaglavlje, nego počinje s DIB zaglavljem. Također, tablica boja može se sastojati od 16-bitnih vrijednosti koje su indeksi za ostvarenu paletu boja, umjesto da pišu eksplicitne RGB boje. U svim slučajevima, polje piksela mora početi na adresi koja je višekratnik broja 4 (4 B). Profil boja koji je opcionalan mora se u memoriji nalaziti nakon tablice boja i prije prve praznine i polja piksela što se razlikuje od napisanog u tablici 1.

5 Kada praznina 1 i 2 zapravo ne postoje (veličina im je 0), DIB podatkovna struktura u memoriji naziva se packed DIB i može se referencirati s jednim pokazivačem na početak DIB zaglavlja. Bitmap zaglavlje Bitmap zaglavlje je blok bajtova na samom početku datoteke koji se koristi za identifikaciju datoteke. Uobičajene aplikacije pročitaju prvi blok da se uvjere da je datoteka zaista BMP datoteka i da nije oštećena. Prva 2B BMP datoteke su redom znakovi B, pa M u ACSII kodu. Svi su brojevi pohranjeni u little-endian formatu (najmanje značajni bajtovi pišu se prvi). Tablica 2 prikazuje zapis bitmap zaglavlja. Odmak Odmak Veličina Uloga (hex) (dek) B Polje u zaglavlju koje služi za identifikaciju BMP i DIB datoteka. 0x42 0x4D (heksadekadski) jednako je BM u ASCII kodu. Moguće vrijednosti prva dva bajta: BM Windows BA OS/2 bitmap polje CI OS/2 ikona boje CP OS/2 pokazivač na boje IC OS/2 ikona PT OS/2 pokazivač B Veličina BMP datoteke u bajtovima B Vrijednost ovisi o aplikaciji koja kreira sliku B Vrijednost ovisi o aplikaciji koja kreira sliku 0A 10 4B Odmak, npr. početna adresa od koje počinje polje piksela Tablica 2: Bitmap zaglavlje DIB zaglavlje DIB zaglavlje je blok bajtova koji daje aplikaciji detaljne informacije o slici za prikaz slike na ekran. Postoje različite verzije zaglavlja jer je Microsoft nekoliko puta proširivao DIB format. Aplikacije koje učitavaju bitmap datoteke podržavaju BMP format koji podržava verzija Windowsa na kojem se pokreće aplikacija. U tablici 3 može se vidjeti više o verzijama zaglavlja po Windowsima. Naziv zaglavlja Veličina OS BITMAPCOREHEADER OS21XBITMAPHEADER 12 Windows 2.0 ili kasniji OS/2 1.x OS22XBITMAPHEADER 64 OS/2 BITMAPCOREHEADER2 OS22XBITMAPHEADER 16 BITMAPINFOHEADER 40 Windows NT, 3.1x ili kasniji BITMAPV2INFOHEADER 52 Nije dokumentirano BITMAPV3INFOHEADER 56 Nije službeno dokumentirano BITMAPV4HEADER 108 Windows NT 4.0, 95 ili kasniji BITMAPV5HEADER 124 Windows NT 5.0, 98 ili kasniji Tablica 3: Zaglavlja na operacijskim sustavima

6 Strukturu zaglavlja BITMAPCOREHEADER predstavlja tablica 4. Odmak (hex) Odmak (dek) Veličina (byte) OS/2 1.x BITMAPCOREHEADER 0E 14 4 Veličina zaglavlja (12 B) Širina bitmape u pikselima (16-bit pozitivni) Visina bitmape u pikselima (16-bit pozitivni) Broj plana boja, mora biti Broj bitova po pikselu Tablica 4: BITMAPCOREHEADER zaglavlje Verzije nakon BITMAPCOREHEADER samo dodaju polja (blokove) na kraj zaglavlja prethodne verzije. Primjerice, BITMAPV2INFOHEADER dodaje polje na verziju BITMAPINFOHEADER, a BITMAPV3INFOHEADER dodaje polje na BITMAPV2INFOHEADER. Za sada najčešći Windows format je BITMAPINFOHEADER, pa sljedeća tablica daje opis tog zaglavlja. Sve su vrijednosti zapisane kao pozitivni cijeli brojevi (unsigned integer), osim ako nije drugačije eksplicitno navedeno. Odmak Odmak Veličina Windows BITMAPINFOHEADER (hex) (dek) (byte) 0E 14 4 Veličina zaglavlja (40 bytes) Širina bitmape u pikselima (signed integer) Visina bitmape u pikselima (signed integer) 1A 26 2 Broj paleta boja (mora biti 1) 1C 28 2 Broj bitova po pikselu, što je jednako broju bitova za oznaku boje, tipične vrijednosti su: 1, 4, 8, 16, 24 i 32 1E 30 4 Metoda kompresije Veličina slike (bez zaglavlja, veličina polja piksela) Horizontalna rezolucija slike (piksel po metru, signed integer) 2A 42 4 Vertikalna rezolucija slike (piksel po metru, signed integer) 2E 46 4 Broj boja u paleti boja, ili 0, pa se uzima 2 n Broj važnih korištenih boja, ili 0 kad su sve boje bitne, uglavnom se ignorira Tablica 5: Zaglavlje BITMAPINFOHEADER Tablica boja Tablica boja (paleta) nalazi se u BMP slikama nakon DIB zaglavlja i, ako postoje, dodatnih bitova maske. Dakle, odmak je veličina BITMAPFILEHEADER-a i veličine DIB zaglavlja (te opcionalnih 12 bajtova za 3-bitnu masku ako se koristi). Tablica boja je blok bajtova koji navodi sve boje korištene u slici. Svaki piksel je opisan je brojem bitova (1, 4 ili 8 bitova) koji indeksiraju jednu boju u tablici boja. Pohrana piksela Bitovi koji predstavljaju piksele bitmape spremljeni su u retcima. Veličina svakog retka zaokružena je na višekratnik broja 4 (4B) popunjavanjem (padding). Za slike čija je visina veća od 1, višestruki popunjeni retci spremaju se uzastopno, tvoreći polje piksela (pixel array). Broj bajtova potreban za pohranu jednog retka piksela računa se po formuli:

7 RowSize = BitsPerPixel ImageWidth Ukupni broj bajtova potreban za pohranu polja piksela za n-bitova po pikselu (bits per pixel - bpp), s 2 n boja, može se izračunati po formuli: PixelArraySize = RowSize ImageHeight. Polje piksela (bitmap podaci) Polje piksela opisuje piksel po piksel slike. Uobičajeno su pikseli pohranjeni naopako, krečući od donjeg lijevog kuta rastera, s lijeva na desno, od dna prema vrhu redak po redak, do gornjeg desnog kuta. To nije slučaj ako se koristi BITMAPCOREHEADER gdje se može pohranjivati od vrha prema dnu kad je Image Height negativna. Bajtovi za popunjavanje (padding bytes) nisu nužno 0, dodaju se na kraj retka kako bi dužina retka bila višekratnik 4 bajta. Kada se polje piksela učita u memoriju, svaki redak mora početi na memorijskoj adresi koja je višekratnik broja 4. Za pohranu datoteke, samo veličina svakog retka mora biti višekratnik broja 4, dok odmak može biti proizvoljan. Format piksela U bitmap datoteci u memoriji, pikseli mogu biti definirani s različitim brojem bitova: 1 bit po pikselu (1bpp) dopušta dvije različite boje (npr. crno-bijelo) 2 bita po pikselu (2bpp) dopušta 4 različite boje i pohranjuje 4 piksela po 1 bajtu 4 bita po pikselu (4bpp) dopušta 16 različitih boja i pohranjuje 2 piksela po 1 bajtu 8 bita po pikselu (8bpp) dopušta 256 različitih boja i pohranjuje 1 piksel po 1 bajtu 16 bita po pikselu (16bpp) dopušta različitih boja i pohranjuje 1 piksel na 2-bajta (WORD) 24 bita po pikselu (24bpp) dopušta različitih boja i pohranjuje 1 piksel na 3 bajta 32 bita po pikselu (32bpp) dopušta različitih boja i pohranjuje 1 piksel na 4 bajta (DWORD) Za piksele opisane s 8 ili manje bitova koristi se tablica boja, dok za veći broj bitova tablice su prevelike da bi se koristilo indeksiranje tablice. Kod piksela opisanih sa 16 bita svaki WORD definira alfu (prozirnost), i boje crvenu, zelenu i plavu (RGB). Kod 24bpp koristi se 8 bita po svakoj boji i redoslijed zapisa boja je plava, zelena, pa crvena. 32bpp format u DWORD upisuje alfu (prozirnost), i boje crvenu, zelenu i plavu kao i kod 16bpp.

8 Primjer.bmp slike Preuzela sam sliku s interneta kako bi na njoj pokazala opisane karakteristike BMP formata. Slika 1: Slika u BMP formatu Na sljedećim slikama datoteka u BMP formatu otvorena je u programu HxD Hex Editor kako bi se proučili bajtovi koji čine zaglavlja. Na slici 2 različitim bojama označeni su bajtovi bitmap zaglavlja. Prvo što se uočava je heksadekadski zapis 0x42 0x4D što označava BM i BMP format kao takav, dakle možemo reći da je to stvarno slika u BMP formatu. Slika 2: Bitmap zaglavlje Idući zeleni pravokutnik označava veličinu BMP datoteke u bajtovima, na primjeru slika je velika B 576KB, što provjerom u Properties/General možemo potvrditi (slika 3). Slika 3: Veličina slike (Properties/General)

9 Iduća 4 bajta su rezervirana za vrijednosti koje ovise o aplikaciji koja je kreirala sliku, ovdje su na 0. Zadnji podatak iz bitmap zaglavlja (plavi pravokutnik) je adresa na kojoj počinju pixel array, što je u ovom primjeru adresa 0x36. Zaista, od adrese 0x36 kreću ponavljajući podaci (DA C2 04 DA C2...) koji predstavljaju boje piksela. Sljedećih 40 bajtova čine DIB zaglavlje, BITMAPINFOHEADER, također njegovi manji dijelovi označeni su raznim bojama na slici 4. Podaci u DIB zaglavlju redom su: Veličina zaglavlja 0x28 = 40B Slika 4: DIB zaglavlje Širina u pikselima 0x0200 = 512 (provjereno u Properties/Details, slika 5) Visina u pikselima 0x0180 = 384 (provjereno u Properties/Details, slika 5) Broj paleta boja 0x01 = 1 (i mora biti 1) Broj bitova po pikselu (boja) 0x18 = 24 (provjereno u Properties/Details, slika 5) Metoda kompresije 0x00 = 0 (nema kompresije, BI_RGB) Veličina slike (raw) 0x = B (izračun u nastavku) Horizontalna rezolucija 0x0B13 = 2835 Vertikalna rezolucija - 0x0B13 = 2835 Broj boja u tablici boja 0 (default) Broj bitnih boja 0 (sve su bitne) Slika 5: Širina, visina i broj bitova po pikselu U ovom primjeru nema dodatnih bitova za definiranje formata piksela, niti tablice boja (pa ni praznina 1), već odmah kreće zapis piksel polja. Također, na kraju datotekene nema praznine 2 ni ICC profil boje. Izračunajmo potrebnu memoriju za polje piksela. BitsPerPixel ImageWidth RowSize = 4 = 4 = 1536B 32 32

10 PixelArraySize = RowSize ImageHeight = = B Ukoliko zbrojimo veličine dvaju zaglavlja koji prethode i veličinu potrebnu za pohranu piksela dobit će se upravo veličina cijele datoteke. FileSize = BitmapHeaderSize + DIBHeaderSize + PixelArraySize = = B Jedan piksel je opisuje se pomoću 24 bita, a to je 3 bajta. Boja prvog piksela, na adresi 0x36 je 0xDAC204 te bi on trebao predstavljati prvi piksel u donjem lijevom kutu slike. 0xDA = 218, 0xC2 = 194, 0x04 = 4 su vrijednosti za redom plavu, zelenu, pa crvenu boju točan redoslijed kako i piše za 24bpp formate. Provjerila sam u MS Paint programu je li zaista to boja donjeg lijevog kuta. Slika 6 prikazuje dohvaćanje boje u paintu pomoću Color picker alata. Slika 6: Provjera boje u donjem lijevom kutu (Red, Green, Blue podaci)

11 Literatura (1) BMP file format Wikipedia, (2) Raster graphics Wikipedia, (3) Image file format Wikipedia, (4) BMP file format,