情報画像工学実験I-1

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1 情報画像工学実験 I-1 第二週 : 画像ファイル

2 レポートについて ( 概要 ) 情報画像工学実験レポート 実験項目 : 実験 1 提出先 :1 号棟 501 室前ポスト 期 限 : 次の実験の開始前まで 表 紙 : 学科所定の表紙 実験実施日 : レポート提出日 : 提出者 : サイズ : A4レポート用 ( 印刷の場合は白紙 ) 製本 : 左閉じ (2 箇所 ) Tex, Wordなどのツールを使っての作成が望ましい ( 手書きの場合, 鉛筆書きは不可 )

3 レポートについて ( 内容 ) 実験の目的 課題の表題 課題の目的 ソースプログラム ( コメント文は必須 ) 情報画像工学実験レポート 指定と異なる点 改良点 /* kadai2.c */ #include <stdio.h> 左が上になるように綴じる プログラムソースは2カラム印刷 計算機室で印刷すること などの説明 課題の考察 実験の考察 実験 1 に対する意見 感想

4 レポートについて ( 注意点 ) 各課題について, 表題から考察までを記載すること 追加機能や仕様変更がある場合は, その旨を記載すること 読みやすいプログラムとレポートは好印象 サンプルプログラムの丸写しは不可 人のプログラムの丸写しも不可 必修課題については必ず提出すること

5 本日の内容

6 バイナリ形式 バイナリー (Binary) とは 0 と 1 の 2 種類の数字で表現する 2 進数の意味 2 進数で表されたデータ ( バイナリー データ ) や実行形式のプログラム ( バイナリー コード ) をバイナリー形式と言う 計算機で扱うデータは テキスト形式でなければバイナリー形式である

7 バイナリ形式の長所 短所 長所 : - 保存するデータに制約がない - 多彩な表現の情報を保存 交換することが可能 ( 任意のヘッダ情報を付加することができる ) 短所 : - ファイルフォーマットが分からないと内容を読むことができない - 互換性に劣る ( テキスト形式に比較して )

8 バイナリデータとは ( 8 bit の例 ) 10 進数 : 人が理解しやすい 16 進数 : 計算機が考えやすい C F 21 3F 0B E B FF 2 進数 : 実際のメモリ内容 8 bit = 1 byte 進数を示す箱が 8 個 (8 桁分 ) ある 0 ~ 255 を表現できる

9 バイナリデータとは ( 8 bit の例 ) 10 進数 16 進数 C 0x49 = =73 2 進数 下位のデータ上位のデータ 最上位のデータ 最下位のデータ = =73 = 0x ( ), 0x ( ) =0x 49

10 fread/ fwrite 関数 fread( buf, サイズ, カウント, fp); 引数に指定したファイルポインタの初期位置からサイズ ( byte 単位 ) 毎にカウント ( 最大値 ) までデータを読み込む 実際に読み込まれたデータの数を返す例. size = fread( buf, sizeof(long), 100, fp); int や long など, 計算機環境によってサイズ ( byte 数 ) が異なることがあるため,sizeof 演算子でデータ型の大きさ ( バイト単位 ) を計算するのがよい fwrite( buf, サイズ, カウント, fp); 引数に指定したファイルポインタの初期位置からサイズ毎にカウントまでデータを書き込む

11 例題 : 簡単な画像を扱ってみる は 1 画素をあらわしている (0,0) (0,31) 32 画素 32 画素の二次元画像がバイナリ形式で保存されている ( imgsample.img ) 各画素の中身は char 型 0 1 byte 125 のいづれか 255 fread 関数を使って一次元の配列にデータを読み込む (31,0) (31,31)

12 例題 : 簡単な画像を扱ってみる /* img_read.c */ #include <stdio.h> int main(void) { FILE *fp; char data[2000]; /* ファイルから読み込むデータを格納 */ if(( fp = fopen( imgsample.img", "rb" )) == NULL ){ puts( " 入力ファイルが見つかりません " ); return (1); } fread( data, 1, 32*32, fp ); /* 2 次元のデータを一次元配列に */ /* 1byte ( 1 画素,1 文字 ) ずつ読み込み */ fclose( fp ); /* data には画像データが保存されているので 各種の処理ができる */ } return (0);

13 例題 : 簡単な画像を扱ってみる dataの中身を元通りに二次元に並び替えて 10 進数のテキストで表示すると左のようになります どのような画像なのか分かりませんね この出力結果は 計算機環境によって異なります

14 例題 : 簡単な画像を扱ってみる プログラム img_read.c を改良し dataに読み込まれたデータのうち 0 を ( 半角スペース ) 125 を & ( 半角アンド ) ( 半角アットマーク ) で表現して標準出力に表示するとプログラムを作成しなさい 1: 一次元の配列を二次元のように扱うためには data[ ] の添え字をどうすればよいのか? 2: 記号を全角にすると2byte 使ってしまうので注意

15 本日の課題

16 課題 3: BMP ファイルの入出力 24 bit ( 1677 万色 ) の Windows Bitmap 形式で保存された画像ファイル bmpsample.bmp を読み込み, Red,Blue,Green のいづれかの色情報のみを残して他の色情報を排除した画像を作成しなさい bmpsample.bmp の画像サイズ ( 縦 横の大きさ ) はヘッダ情報を読み込むことで認識しなさい 作成するファイルは縦 横の画素数および色数 が元画像と同じままの Windows Bitmap 形式とする

17 元の画像 Red だけ Blue+Green Green だけ 2 倍

18 参考資料 Bitmap 形式について

19 BMP ファイル全体の構造 BMP フォーマットはヘッダの種類によって Windows Bitmap と OS/2 Bitmap の 2 種類に分けられる これらの 2 つのフォーマットは, ヘッダのサイズが異なっている BMP ファイル全体の構造 ファイルヘッダ 情報ヘッダ BITMAPFILEHEADER (14byte) BITMAPINFOHEADER (Windows) または BITMAPCOREHEADER (OS/2) + カラーパレット (1, 4, 8 bit の場合必要 ) 画像データ カラーパレーットがない場合 各画素に割り振られた値はそのまま色 ( または明るさ ) を示す カラーパレットがある場合は 各画素の値はパレットを参照するための値であり 色 ( または明るさ ) はパレットで定義されたものとなる

20 ファイルヘッダ [BITMAPFILEHEADER] 最初に 14 byte 固定のファイルヘッダ部分がある 最初の 2 byte が BM かどうかで ビットマップファイルが識別される bftype bfsize bfreserved1 bfreserved2 bfoffbits 2 byte 4 byte 2 byte 2 byte 4 byte BITMAPFILEHEADER ファイルタイプ ファイルサイズ (byte) 'BM' - OS/2, Windows Bitmap 予約領域常に 0 予約領域常に 0 ファイル先頭から画像データまでのオフセット (byte)

21 情報ヘッダ < Windows > [BITMAPINFOHEADER] BITMAPINFOHEADER (1) bisize 4 byte 情報ヘッダのサイズ (byte) 40 byte biwidth 4 byte 画像の幅 ( ピクセル ) biheight 4 byte 画像の高さ ( ピクセル ) biheight の値が正数なら, 画像データは下から上へ biheight の値が負数なら, 画像データは上から下へ biplanes 2 byte プレーン数常に 1 bibitcount 2 byte 1 画素あたりのデータサイズ (bit) bicopmression 4 byte 圧縮形式 1-2 色ビットマップ 4-16 色ビットマップ 色ビットマップ 色 (high color) ビットマップ 万色 (true color) ビットマップ 万色 (true color) ビットマップ 0 - BI_RGB ( 無圧縮 ) 1 - BI_RLE8 (RunLength 8 bits/pixel) 2 - BI_RLE4 (RunLength 4 bits/pixel) 3 Bitfields

22 情報ヘッダ < Windows > [BITMAPINFOHEADER] BITMAPINFOHEADER (2) bisizeimage 4 byte 画像データ部のサイズ (byte) 96dpi ならば の場合もある bixpixpermeter biypixpermeter biclrused 4 byte 4 byte 4 byte 横方向解像度 (1m あたりの画素数 ) 縦方向解像度 (1m あたりの画素数 ) 格納されているパレット数 ( 使用色数 ) 96dpi ならば の場合もある 96dpi ならば の場合もある 0 の場合もある bicirimportant 4 byte 重要なパレットのインデックス 0 の場合もある

23 情報ヘッダ < OS/2 > [BITMAPCOREHEADER ] BITMAPCOREHEADER bisize 4 byte 情報ヘッダのサイズ (byte) 12 byte bcwidth 2 byte 画像の幅 ( ピクセル ) bcheight 2 byte 画像の高さ ( ピクセル ) bcheight の値が正数なら, 画像データは下から上へ bcheight の値が負数なら, 画像データは上から下へ bcplanes 2 byte プレーン数常に 1 bcbitcount 2 byte 1 画素あたりのデータサイズ (bit) 1-2 色ビットマップ 4-16 色ビットマップ 色ビットマップ 色 (high color) 万色 (true color) ビットマップ 万色 (true color) ビットマップ

24 Windows BMP 24bit の構成 0x42 が B をあらわす 0x4D は? は 1 byte を示しているおり,16 進数で表記している 実際は 実際には 8 個のメモリに 2 進数で保存されている 42 4D BITMAPFILEHEADER ( 14 byte ) BITMAPINFOHEADER ( 40 byte ) Data ( 任意のサイズ )

25 Windows BMP 24bit のデータ構造 は 1 画素をあらわしている (31,0) (31,31) 32 画素 32 画素のWindows BMP 画像データは基本的に左下から右上へ向かって並んでいるので モニタに表示されるものとは並び順が異なる ( BITMAPINFOHEADER の biheight で決まる ) 各画素は Blue (8bit), Green (8bit), Red (8bit) の 3 byteで表現される (0,0) (0,31) たとえば この画素 (5,30) が白で (5,31) が黒だとすると (5,30) (5,31) 実際の計算機に保存されているのは (2 進数 ) (16 進数 ) FF FF FF

26 ヘッダを読み込む際の注意事項 例.BITMAPINFOHEADER の bisize : 情報ヘッダのサイズ Windows BMP の場合 bisize の値は常に 40 byte bisize は 4 byte で保存されている 10 進数の 40 を 4 byte の 16 進数で表現すると 0x ( = 40) 計算機の中では右図のように格納されている ( Intel 系の計算機など ) 下位データ 上位データ 下のように temp_long に 4 byte を読み込んでみると long temp_long; fread ( &temp_long, 4, 1, fpr ); /* 情報ヘッダサイズ */ long infohead_size = temp_long; 40.0

27 ヘッダを読み込む際の注意事項 long temp_long; fread ( &temp_long, 4, 1, fpr ); temp_long の中身は 0x 前のデータ 下位データ 上位データ 次のデータ であれば問題ないのだが 右図のように認識する計算機もある ( 系の計算機 ) など 前のデータ 次のデータ この場合の tmp_long の中身は 0x 上位データ 下位データ こんなに違う 1: 0x = 40 ) 10 2: 0x = ) 10

28 エンディアン たとえば 0x0123ABFF を格納する場合に 2 つの方式がある 前のデータ 処理 ( 書込 ) の順番 FF AB 下位データ 上位データ 次のデータ 0x0123ABFF リトルエンディアン < 今回使う BMP ファイルはこちらに準拠 > 前のデータ 処理 ( 書込 ) の順番 AB FF 上位データ 次のデータ 上位データ 下位データ 0x0123ABFF ビッグエンディアン < 計算機室のシステムはこちらに準拠 >

29 リトルエンディアンのつもりで作られたヘッダ情報が 前の 次の データ データデータ 前の 次のデータ 下位データ こうすると long temp_long; 上位データ 上位データ 下位データ ビックエンディアンで認識されている! fread ( &temp_long, 4, 1, fpr ); 0x になってしまうので 上下の byte で中身を入れ替えないと 正しい値を得られない

30 おまけ fseek 関数 fseek ( fp, offset, int origin ); 引数に指定したファイルポインタの初期位置 origin を基準として,offset だけ移動する offset の単位は byte int origin : SEEK_SET ( ファイルの先頭 ) SEEK_CUR ( ファイルの現在位置 ) SEEK_END ( ファイルの終端 )

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32 課題 : 三角形 四角形の面積を求め 次のようにPoint 型が与えられているとする typedef struct point { int x; int y; } Point; このとき,3 点が引数として指定されたときにその3 点を三角形の頂点とみなし, 三角形の面積を求める関数を作成しなさい 関数は次のようなプロトタイプ宣言を持つものとする double TriArea( Point, Point, Point ); 3 点の座標はプログラムソース中で直接指定してかまわない

33 課題 : 三角形 四角形の面積を求め,4 点が引数として指定されたときにその4 点を四角形の頂点とみなし, 四角形の面積を求める関数も作成しなさい 関数は次のようなプロトタイプ宣言を持つものとする double SquArea( Point, Point, Point, Point ); その他, 自由に機能を拡張してよい

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35 発展課題 : 拡張版 BMP 入出力 課題 3 で作成したプログラムを任意に拡張する 例 ) 画像を反転 回転 任意の色を強調 任意の位置を切り出し 24 bit に限らず,8 bit, 32 bit などにも対応 ( カラーパレットについて調べる必要あり ) OS/2 Bitmap にも対応 画像フィルタの適用 など