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1 C 言語による画像処理基本パッケージ使用マニュアル 森尾吉成 MORIO FARM

2 目次 はじめに... ii 受講に必要な知識およびスキル... ii 準備するもの... ii 取り扱う画像ファイル... ii RAWファイルを閲覧するソフト ( 付録している )... ii CCDカメラとデジタル画像... iii 色の表現 ( 色の 3 原色 )... iv デジタル画像と量子化精度... iv モノクロ表現... iv 画像平面と画像座標 xy... iv 画素走査... v 画素配列とC 言語による 2 次元配列表現... v 画素へのアクセス方法... v パッケージ構成... vi 1. サンプルプログラムソースファイルと実行ファイル... vi 2. サンプル画像ファイル...vi 3. 使用マニュアル... vi 画像処理プログラミング... 1 画像処理プログラムの基本形... 2 画像読み込みプログラミングの作成... 3 モノクロ画像へ変換する... 4 モノクロ画像を保存する 値化... 6 サンプルプログラム (sample.exe) を使って 2 値化処理... 7 サンプルプログラム (sample.exe) を使ってヒストグラムの計算... 8 サンプルプログラムを使ってRGB 値からxy 色度を計算... 9 フレーム間差分 メニュー画面の作り方...11 i

3 はじめに 受講に必要な知識およびスキル次の基本的な C 言語プログラミングを修得していること. printf 文,scanf 文,for 文,switch 文, 関数の宣言, 配列,fopen や fclose 関数を用いたファイルの入出力, fgetc と fputc 関数,#include 文,#define 文 準備するもの C 言語用コンパイラおよびプログラミングエディタを用意して, プログラミングできる環境を準備しておいてください. 著者は普段 Microsoft 社の VisualStudio.NET を使用しています. フリーで使用できるコンパイラには, BorlandC++5.5 や GCC などがあります. プログラミングエディタには,VisualWindows for BCC++(BCC コンパイラ含む ) や phoebe, あるいはメモ帳も使用できます.VisualWindowsforBCC++ は, コンパイラが付いてきますので, インストールが簡単です. VisualWindows for BCC++ Phoebe 取り扱う画像ファイル画像ファイルとして,RAW 形式を採用します.RAW ファイルでは各画素の RGB 値を圧縮しないで,RGB 順または BGR 順で 1 バイトずつ記録しています.C 言語を用いて RAW ファイルにアクセスする場合,1 バイトずつデータを読み書きする fgetc() または fputc() 関数を使う. RAW ファイルの閲覧には,Paint Shop Pro や Photo Shop Elements などの有料ソフトはじめ, 今回ご紹介する無料ソフト ViX を利用します. ビットマップ画像や JPG 画像を取り扱う場合, 有料ソフト等を使って, あらかじめ RAW 形式に変換します. RAW ファイルを閲覧するソフト ( 付録している ) 統合画像ビュアー ViX2.21 (Windows95/98/Me/NT4.0/2000/XP 用, 紹介 転載 再配布とも一切自由なフリーソフトウェアです ) RAW ファイルを閲覧する方法は,RAW ファイルと同名の FAL ファイル (NIFTY-Serve FPICS フォーラム謹製のフォーマット ) を用意します. 例えば,RAW ファイルが image1.rgb であれば,FAL ファイルとして image1.fal をテキストエディターで作成し, 同一フォルダに保存します. image1.fal の中身 ( タブ区切り ) F_ALL(V1.00) ( 解説 )2 行目の 640,480 が画像の幅と高さになります. それ以外はこのままで変更する必要はありません. 仮に, の画像であれば,480 を 512 に変更するだけです. ii

4 CCD カメラとデジタル画像 CCD カメラには, 下図に示すような光を電気信号に変換する ( 光電効果 ) 受光素子を数百万個縦横に配列したカメラヘッドが搭載されている. 受光素子は, フォトダイオードと CCD(Charge Coupled Device: 電荷結合素子 ) から構成され, フォトダイオードが光を電荷に変換し,CCD が電荷を取り出して出力する役割を果たしている.1 画素とは,1 つの受光部のことを指す. 受光素子を総称して固体撮像素子とも呼ぶ. 受光素子は, 光の明るさのみを電荷に変換するため, 色を求めるためには, 図に示すように各画素の上に色フィルタを付けることにより RGB 情報を取得する. ただし, 色フィルタを使用する方法は,1CCD カメラの場合であり, 3CCD カメラの場合は固体撮像素子が 3 板あり,RGB 情報はプリズム ( 屈折率の違い ) を利用してそれぞれの CCD に分解する. (a)ccd カメラ (b) カメラヘッド (c) 受光素子配列 CCD カメラの構造 フォトダイオード CCD 1 画素 垂直転送 CCD 緑青緑 青赤青 緑青緑 青赤青 緑青緑 青赤青 水平転送 CCD 青 赤 青 赤 青 赤 (a) インターライントランスファー型 CCD CCD の原理と色フィルタ (b) 色フィルタ iii

5 色の表現 ( 色の 3 原色 ) RGB とその補色 (CMY) 青 黄 シアンマゼンタ白 赤 黒 緑 緑 黄 赤 マゼンタ 青 シアン 加法混色 混色 減法混色 デジタル画像と量子化精度 RGB 各 256 階調で表現する. 各色は の値をとる. モノクロ表現 黒 白 (0,0,0),(1,1,1),(2,2,2), (255,255,255) モノクロ画像と RGB 値 画像平面と画像座標 xy 画像座標 xy iv

6 画素走査ラスタ走査. 左上から右下に向かう走査. ラスタ走査 画素配列と C 言語による 2 次元配列表現 例えば, 縦 480 横 640 画素の画像情報を格納する配列を宣言する. unsigned char image[480][640]; ( 注意 )unsigned char とは までの値をとる配列変数であることを宣言しています. 2 次元配列と座標表現 画素へのアクセス方法位置 ( i, j ) の画素の値は image[j][i] で参照できる. v

7 パッケージ構成 1. サンプルプログラムソースファイルと実行ファイル画像処理の基本機能を実現するソースファイルおよび実行可能ファイルを提供する. ソースファイル名 :sample.cpp 実行ファイル名 :sample.exe (VisualStudio.NET でコンパイル ) 提供する機能 : 1) メニュー画面の作成 2)RGB フルカラー画像ファイルの読み込み 3) 画像ファイルの保存 4) モノクロ画像に変換 5)2 値化 6) エッジ検出 7) フレーム間差分法 8) ヒストグラム計算 9)xy 色度計算 2. サンプル画像ファイル 画素の大きさを持つ RGB フルカラー画像を 21 枚同封しています. 画像中央を歩行する人間を, 約 130ms 毎に 20 枚連続撮影した f51.rgb から f70.rgb までの 20 枚と, 背景が青色の手の画像 hand.rgb の 1 枚です. 3. 使用マニュアル本マニュアルを指す. vi

8 画像処理プログラミング 1

9 画像処理プログラムの基本形 #include "stdio.h" #include stdlib.h // 画像サイズ #define IMG_XSIZE 640 //the x-size of an image #define IMG_YSIZE 480// the y-size of an image #define HIGH 255 // max gray level #define LOW 0 // minimum gray level // 画像処理用配列宣言 unsigned char r[img_ysize][img_xsize],g[img_ysize][img_xsize],b[img_ysize][img_xsize]; unsigned char Wrk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk2[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk3[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]; void main(void) #include 文プログラムに必要なヘッダーファイルをインクルードしておく. 数学関数が必要な場合 math.h をインクルードしておいてください. #define 文画像サイズ IMG_XSIZE,IMG_YSIZE と,2 値画像処理で使用する白と黒の値 HIGH,LOW を定義している. 画像用配列の宣言画像データは,1 バイト単位で情報を表現しますので,unsigned char 型を使って,0 から 255 までの値を格納します. main 関数 void main(void) と引数も戻り値もしていませんが, 必要に応じて, 適宜追加修正を加えてください. 2

10 画像読み込みプログラミングの作成 RGB 画像ファイルへアクセスする ReadRgbImage 関数は,fgetc() 関数を使って RGB 値を 1 バイトずつ順番 読み込む. に #include "stdio.h" #include stdlib.h // 画像サイズ #define IMG_XSIZE 640 //the x-size of an image #define IMG_YSIZE 480// the y-size of an image #define HIGH 255 // max gray level #define LOW 0 // minimum gray level // 関数のプロトタイプ宣言 void ReadRgbImage(char *ReadFilePath, unsigned char r[img_ysize][img_xsize], unsigned char g[img_ysize][img_xsize], unsigned char b[img_ysize][img_xsize]); // 画像処理用配列宣言 unsigned char r[img_ysize][img_xsize],g[img_ysize][img_xsize],b[img_ysize][img_xsize]; unsigned char Wrk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk2[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk3[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]; void main(void) char sfilepath[500]; char ssavefilepath[500]; printf("input file name... "); scanf("%s", sfilepath); ReadRgbImage(sFilePath,r,g,b); //RGB 画像読み込み // RGB カラー画像 (RAW 形式 ) ファイルの読み込み関数 void ReadRgbImage(char *ReadFilePath, unsigned char r[img_ysize][img_xsize], unsigned char g[img_ysize][img_xsize], unsigned char b[img_ysize][img_xsize]) FILE *fp_r; int i,j; unsigned char rw, gw, bw; if( (fp_r = fopen( ReadFilePath, "rb")) == NULL ) printf("cannot %s open!", ReadFilePath); exit(-1); for( j = 0; j < IMG_YSIZE; j++ ) for( i = 0; i < IMG_XSIZE; i++ ) rw = fgetc(fp_r); gw = fgetc(fp_r); bw = fgetc(fp_r); r[j][i] = rw; g[j][i] = gw; b[j][i] = bw; fclose(fp_r); 3

11 モノクロ画像へ変換する NTSC の明度に変換する式を用いて RGB 画像をモノクロ画像に変換する. #include "stdio. h" #include stdlib.h // 画像サイズ #define IMG_XSIZE 640 //the x-size of an image #define IMG_YSIZE 480// the y-size of an image #define HIGH 255 // max gray level #define LOW 0 // minimum gray level // 関数のプロトタイプ宣言 void ReadRgbImage(char *ReadFilePath, unsigned char r[img_ysize][img_xsize], unsigned char g[img_ysize][img_xsize], unsigned char b[img_ysize][img_xsize]); void GrayImage(unsigned char r[img_ysize][img_xsize], unsigned char g[img_ysize][img_xsize], unsigned char b[img_ysize][img_xsize], unsigned char wrk[img_ysize][img_xsize]); // 画像処理用配列宣言 unsigned char r[img_ysize][img_xsize],g[img_ysize][img_xsize],b[img_ysize][img_xsize]; unsigned char Wrk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk2[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk3[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]; void main(void) char sfilepath[500]; char ssavefilepath[500]; printf("input file name... scanf("%s", sfilepath); "); ReadRgbImage(sFilePath,r, g,b);//rgb 画像読み込み GrayImage(r,g,b,Wrk);// モノクロ画像に変換 //ReadRgbImage 関数は省略 void GrayImage(unsigned char r[img_ysize][img_xsize], unsigned char g[img_ysize][img_xsize], unsigned char b[img_ysize][img_xsize], unsigned char wrk[img_ysize][img_xsize]) int i,j; for( j = 0; j < IMG_YSIZE; j++ ) for( i = 0; i < IMG_XSIZE; i++ ) wrk[j][i] = (unsigned char)(0.30*r[j][i] *g[j][i] *b[j][i] ); 4

12 モノクロ画像を保存する Wrk 配列に保存されているモノクロ画像をファイルに保存する. #include "stdio.h" #include stdlib.h // 画像サイズ #define IMG_XSIZE 640 //the x-size of an image #define IMG_YSIZE 480// the y-size of an image #define HIGH 255 // max gray level #define LOW 0 // minimum gray level // 関数のプロトタイプ宣言 void ReadRgbImage(char *ReadFilePath, unsigned char r[img_ysize][img_xsize], unsigned char g[img_ysize][img_xsize], unsigned char b[img_ysize][img_xsize]); void GrayImage(unsigned char r[img_ysize][img_xsize], unsigned char g[img_ysize][img_xsize], unsigned char b[ IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char wrk[img_ysize][img_xsize]); void SaveWrkImage(char *SaveFilePath, unsigned char a[img_ysize][img_xsize]); // 画像処理用配列宣言 unsigned char r[img_ysize][img_xsize],g[img_ysize][img_xsize],b[img_ysize][img_xsize]; un signed char Wrk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk2[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk3[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]; void main(void) char sfilepath[500]; char ssavefilepath[500]; printf("input file name... "); scanf("%s", sfilepath); ReadRgbImage(sFilePath,r,g,b);//RGB 画像読み込み GrayImage(r,g,b,Wrk);// モノクロ画像に変換し,Wrk 配列に保存 printf("input savefile name... "); scanf("%s", ssavefilepath); SaveWrkImage( ssavefilepath, Wrk);//Wrk 画像の保存 // ReadRgbImage 関数, Gr ayimage 関数は省略 void SaveWrkImage(char *SaveFilePath, unsigned char a[img_ysize][img_xsize]) FILE *fp_w; int i, j; unsigned char w; if( (fp_w = fopen( SaveFilePath, "wb")) == NULL ) printf("cannot file %s open", SaveFilePath); exit(-1); for( j = 0; j < IMG_YSIZE; j++ ) for( i = 0; i < IMG_XSIZE; i++ ) w = a[j][i]; fputc(w, fp_w); fclose(fp_w); 5

13 2 値化 これまでの知識を使うと,2 値化は簡単に実現できる. 処理の流れは, 次の 4 つの手順を踏む. 1)RGB 画像を読み込む 2) モノクロ画像に変換する 3)2 値化処理 4)2 値画像を保存する #include "stdio.h" #include stdlib.h // 画像サイズ #define IMG_XSIZE 640 //the x-size of an image #define IMG_YSIZE 480// the y-size of an image #define HIGH 255 // max gray level #define LOW 0 // minimum gray level // 関数のプロトタイプ宣言 void ReadRgbImage(char *ReadFilePath, unsigned char r[img_ysize][img_xsize], unsigned char g[img_ysize][img_xsize], unsigned char b[img_ysize][img_xsize]); void GrayImage(unsigned char r[img_ysize][img_xsize], unsigned char g[img_ysize][img_xsize], unsigned char b[img_ysize][img_ XSIZE], unsigned char wrk[img_ysize][img_xsize]); void SaveWrkImage(char *SaveFilePath, unsigned char a[img_ysize][img_xsize]); void BinaryImage(unsigned char wrk[img_ysize][img_xsize], int nth); // 画像処理用配列宣言 unsigned char r[img_ysize][img_xsize],g[img_ysize][img_xsize],b[img_ysize][img_xsize]; unsigned c har Wrk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk2[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk3[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]; void main( void) char sfilepath[500]; char ssavefilepath[500]; int nthresh; printf("input file name... "); scanf("%s", sfilepath); ReadRgbImage(sFilePath,r,g,b);// RGB 画像読み込み GrayImage(r,g,b,Wrk);// モノクロ画像に変換し,Wrk 配列に保存 printf("input Thresholding value... "); scanf("%d", & nthresh); BinaryImage(Wrk, nthresh);//2 値化 printf("input savefile name... "); scanf("%s", ssavefilepath); SaveWrkImage( ssavefilepath, Wrk);//Wrk 画像の保存 //ReadRgbImage 関数,GrayImage 関数,SaveWrkImage 関数は省略 void BinaryImage(unsigned char wrk[img_ysize][img_xsize], int nth) int i,j; fo r( j = 0; j < IMG_YSIZE; j++ ) fo r( i = 0 ; i < IMG_XSIZE; i++ ) if( wrk[j][ i] >= nth ) wrk[ j][i] = HIGH; else wrk[j][i] = LOW; 6

14 サンプルプログラム (sample.exe) を使って 2 値化処理 1)sample を実行 2) コマンド 1: RGB 画像読み込み ( 例 )f51.rgb 3) コマンド 11: モノクロ画像変換 4) コマンド 12: 2 値化 ( 例 ) しきい値 100 5) コマンド 2: 処理画像の保存 ( 例 ) f51_binary.wrk 7

15 サンプルプログラム (sample.exe) を使ってヒストグラムの計算 1) コマンド番号 1 ( 例 )f51.rgb をモノクロ化し, ヒストグラムを計算する 2) コマンド番号 11 モノクロ画像化 3) コマンド番号 14 ヒストグラムを計算し, 保存する f51_gray_hist.dat the number of pixel gray level 8

16 サンプルプログラムを使って RGB 値から xy 色度を計算 1) コマンド 16: 実行 2) 手の画像 hand.rgb を入力 3) xy 色度保存用ファイル入力 hand_xy.dat 9

17 フレーム間差分サンプルプログラムの該当箇所を以下に示す. フレーム間差分は, 連続する 3 枚の画像を配列 Wrk, Wrk2, Wrk3 にそれぞれ読み込み, InterframeDifferenceWithTh 関数の 4 番目の引数に, 差分に設定するしきい値 ( 例えば 30) を渡すことにより計算できる.3 枚の画像は, モノクロ画像以外に, エッジを検出した画像を使用する場合もあり, 照明変化に安定した移動物体検出法としてよく用いられる. case 15: // フレーム1を読み込む printf("input image 1... "); scanf("%s", sfilepath); ReadWrkImage( sfilepath, Wrk ); // フレーム 2 を読み込む printf("input image 2... "); scanf("%s", sfilepath); ReadWrkImage( sfilepath, Wrk2 ); // フレーム 3 を読み込む printf("input image 3... "); scanf("%s", sfilepath); ReadWrkImage( sfilepath, Wrk3 ); // フレーム間差分へのしきい値を設定 printf("input thresholding value... "); scan f("%d", &nthresh); InterframeDifferenceWithTh( Wrk, Wrk2, Wrk3, nthresh ); break; void InterframeDifferenceWithTh(unsigned char Wrk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char Wrk2[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char Wrk3[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], int nth) int i,j; int nsub1, nsub2; unsigned char bsub1, bsub2; for( j = 0; j < IMG_YSIZE; j++ ) for( i = 0; i < IMG_XSIZE; i++ ) nsub1 = abs( Wrk2[j][i] - Wrk[j][i] ); nsub2 = abs( Wrk2[j][i] - Wrk3[j][i] ); if( nsub1 > nth ) bsub1 = HIGH; else bsub1 = LOW; if( nsub2 > nth ) bsub2 = HIGH; else bsub2 = LOW; Wrk[j][i]= bsub1 & bsub2; 10

18 メニュー画面の作り方 1) printf 関数でメニュー画面を表示する 2) 一つの処理が完了するたびに,while 関数でメニュー画面を常に表示させる while 関数の繰り返し条件には,Flag を用意し,Flag が正の値 ( この例では 1) の間, 処理を繰り返させる. プログラムを終了させる時には,while 関数の Flag を負の値 ( この例では-1) に設定する 3) コマンドの選択は,switch 文で行う. メニュー画面の基本構造 int nflag_exit = 1; int ncommand; while( nflag_exit > 0 ) printf(" n"); printf("************************ ******************* n"); printf("<< 1 >> : read rgb image n"); printf("<< 99 >> : exit n"); printf("**************** *************************** n"); printf(" n"); printf(" command? : "); scanf("%d", &ncommand); switch( ncommand ) case 1: printf("input file name... "); scanf("%s", sfilepath); ReadRgbImage(sFilePath,r,g,b); break; case 99: nflag_exit = -1; break; default: break; // switch // while loop 11

19 著者 森尾吉成 ( もりおよしなり ) 1971 年, 和歌山県生まれ. 京都大学農学研究科助手を経て, 現在, 三重大学生物資源学部助教授. 知的作業支援システム をはじめ, 斑紋による乳牛の個体識別, 切り花の 3 次元形状計測 など, 農作業現場を中心にコンピュータビジョンに関する研究を行っている. morio@bio.mie-u.ac.jp C 言語による画像処理基本パ 平成 17 年 6 月 13 日第 1 版第 1 刷発行 ッケージ使用マニュアル Copy right 森尾吉成 2005 著者 発行者 森尾吉成 MORIO FARM 社 代表者森尾吉成 発行所 MORIO FARM 社 郵便番号 三重県津市上浜町 1577 三重大学生物資源学部電話 morio@bio.mie-u.ac.jp Printed in Japan