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1 Outline プログラミング演習第 9 回画像処理の基本その 1 on 電気通信大学情報理工学部知能機械工学科長井隆行 画像処理入門 ~ 画像を知る~ CCDカメラの仕組み グレースケール画像 カラー画像 画像ファイルのフォーマット 画像の入出力 本日の課題 2 CCD カメラの仕組みを簡単に いよいよ画像 白黒濃淡画像 ( グレースケール画像 ) CCD カメラでは 受光面に映し出された光の情報 ( 画像 ) を直接電気信号に変換しその後さらにディジタル信号に変換される 3 画素 ( ピクセル ) 一般的には 8bit 0~255 の範囲 (8bpp などと呼ぶ ) 4

2 いよいよ画像続き メモリ上ではどうなってるの? カラー画像 2 次元の情報である画像をどのようにメモリ (1 次元の配列 ) に収めるか? add value 画素 ( ピクセル ) 一般的には 24bit RGB がそれぞれ 0~255 の範囲 (24bpp などと呼ぶ ) 必ずしもこの順番である必要はない どのように並べるかは基本的にプログラマの自由画面へ表示するためには いくつか約束事があるファイルに保存する場合も決まったやり方がある ( フォーマット ) 0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x06 0x07 0x08 0x09 0x0a カラー画像の場合は? 画像ファイルのフォーマット 一般に 24bpp とは各画素が 0~ の値をもっているのではなく R 255 G 0 B 0 画像が成立するための必要な情報 画像データ本体 当然必要 画像データ R( 赤 ) G( 緑 ) B( 青 ) がそれぞれ 0~255(8bit) の値をもっている 8 3 = 24(bit) R 0 G 255 B 0 R 20 G 100 計 64 枚のタイルを渡されて これ並べて と命令されてもどのように並べればいいか分からない 画像のサイズ ヘッダ情報 B 200 R 0 G 0 B どんな順番で並んでいるか カラーかグレースケールか (1 ピクセルのビット数 ) などなど 8

3 画像ファイルのフォーマット続き 画像の表現の仕方は色々あり得る みんなが使えるように画像の表現方法の約束を決める ヘッダ情報や画像データをどのように記録しておくか に関する取り決め ビットマップ (.bmp) windowsで標準 Jpeg (.jpg) 圧縮画像の標準形式 TIFF (.tif) DTPなどでよく使用される GIF (.gif) インターネットでよく使用される (256 色 ) ポータブルグレーマップ (.pgm) Xwindow(Unix) でよく使われる.pgm( ポータブルグレーマップ ) グレースケール画像に対する最もシンプルな画像ファイルフォーマット PGM P5 フォーマット ( グレースケール バイナリ ) ファイル識別子 P5 画像の横幅縦幅 最大階調値 rrtuvwxxz {}~~ =cту左 演糾給血麹克諮瑞荘葬涛湯粕燈末楓迄劍劍履囹囮囹尹屆屁惧撼撼棍沺棍 ヲ ヲヲ ヲヲ ヲヲァヲヲヲァァァァヲィァァィァァィィァゥィゥィゥゥィィィゥェィィィゥェィィゥィゥゥィィゥゥェェェゥゥゥォォォォォォォゥゥゥェゥゥェゥゥェゥェィェゥィゥゥィゥゥィィゥィァ ヲィヲァァィィァィァィヲヲァヲヲヲァヲ ヲヲ ヲ ヘッダ バイナリ画像データ 1 バイト /1 画素 9 ずっと続く pgm (P5) をテキストエディタで強引に開いたもの 10.bmp( ビットマップ ) Windows では標準のビットマップ PGM より複雑 ( 基本的な考え方は同じ ) ヘッダ情報 ( バイナリ ) 画像データ ( バイナリ ) BGRBGRBGR 14byte 40byte byte 数は画像サイズによる BITMAPFILEHEADER( ファイルヘッダ ) 2byte ファイルのタイプ "BM" 4byte ファイルのサイズ (byte) 2byte 予約 1 0 2byte 予約 2 0 4byte BITMAPFILEHEADER から実際のビットマップデータまでのオフセット値ヘッダーのサイズと考えてよい (byte) BITMAPINFOHEADER( 情報ヘッダ ) BGR 4byte 情報ヘッダのサイズ 40 4byte 画像の幅 ( 画素数 ) 4byte 画像の高さ ( 画素数 ) 2byte プレーンの数 1 2byte 1 画素のビット数 (bpp) 4byte 圧縮形式 0: 無圧縮 4byte 画像データのサイズ (byte) 4byte 横方向解像度 4byte 縦方向解像度 4byte パレット数 4byte 重要なパレットのインデックス 11 画像処理するために 本講義での当面の流れ 撮影 ( デジカメ ) PC へ転送 ( ハードディスク ) 自らのプログラムで画像ファイルを読み込む ( メモリ ) 入力 画像処理自らのプログラムでメモリ上の画像データを処理 ( メモリ ) 画像データを viewer で開き結果を確認 出力自らのプログラムでメモリ上の画像データをファイルに書き出す ( ハードディスク ) 12

4 本講義における当面の流れ Step1 まず画像を用意する (bmp や jpg) Step2 既存のソフト (paint,xv など ) を使って bmp 形式に変換する ( もともとビットマップであれば変換の必要ないが 以下の条件を満たしていない場合はやはり変換が必要 ) 画像の幅が 4 の倍数である 1 ピクセルが 24 ビット (24bpp) また 画像を処理して保存する際もこれらの条件が満たされなくてはいけない Step3 p9-1.c に画像処理部分を追加する Step4 既存のソフト (paint,xv など ) を使って保存した画像を開く 13 height プログラムで画像を扱う続き buffer[3*width(height-1)] 3*Width buffer[3*width*height-1] B G R B G R buffer[3*width-1] buffer[0] 1 画素分のデータ (BGR) buffer[3*width(height-1)] 処理はbuffer 上で行うか out_bufferにデータをコピーしてout_buffer 上で行うもしくは 新たな画像用配列を宣言して使用してもよい但し 書き込みの際は必ずout_bufferに結果の画像データが存在する必要がある height out_buffer width buffer[0] buffer[1] buffer[2] buffer[3*width-1] buffer[3*width] buffer[3*width*height-1] buffer ファイル名 result.bmp で保存される 14 ビットマップの読み込み部 (p9-1.c) ビットマップのための構造体 /* メイン関数 */ int main(void) { int size, width, height; FILE * = NULL; unsigned char *buffer; /* 入力画像用メモリのポインタ */ unsigned char *out_buffer; /* 出力画像用メモリのポインタ */ BITMAPFILEHEADER bmfh; BITMAPINFOHEADER bmih; /* ファイルを開く */ = fopen( "bitmap.bmp", "rb" ); /* ビットマップのヘッダーを読み込む */ /* 構造体のメンバはメモリ上に定義順に確保されていることに注目 */ fread( &bmih, sizeof(bitmapinfoheader), 1, ); /* 使いやすいように画像の幅と高さをコピーする */ width = bmih.biwidth; height = bmih.biheight; size = width * height; /* ビットマップのサイズを算出 */ buffer = (unsigned char*)malloc( 3*size ); /* 必要なサイズのメモリを確保 */ fread( buffer, 3*size, 1, ); /* 画像データ本体の読み込み */ fclose( ); /* 読み終わったのでファイルを閉じる */ 15 /* ビットマップファイルヘッダのための構造体定義 */ typedef struct tagbitmapfileheader { unsigned short bftype; unsigned int bfsize; unsigned short bfreserved1; unsigned short bfreserved2; unsigned int bfoffbits; } BITMAPFILEHEADER; /* ビットマップインフォヘッダのための構造体定義 */ typedef struct tagbitmapinfoheader{ unsigned int bisize; int biwidth; int biheight; unsigned short biplanes; unsigned short bibitcount; unsigned int bicompression; unsigned int bisizeimage; int bixpixpermeter; int biypixpermeter; unsigned int biclrused; unsigned int biclrimporant; } BITMAPINFOHEADER; 画像情報のための構造体を定義 windows.h をインクルードできれば その中に定義されているので自分でする必要はない (VC++ を使う場合など ) p9-1.c 16

5 関数 fread による読み込み ビットマップの読み込み bmfh の先頭 メモリ fread 関数を使って ファイルからバイナリデータを直接読み込む fread( &bmih, sizeof(bitmapinfoheader), 1, ); fread( コピー先のポインタ, 何バイト読むか, 何個読むか, ファイルポインタ ); fread( buffer, 3*size, 1, ); bmih の先頭 fread( &bmih, sizeof(bitmapinfoheader), 1, ); 14 バイト読んだ次に 40 バイト読む ポイントは 構造体を直接読み込んでいることメンバごとに読み込む必要がない メンバがメモリ上に順番に並んでいるため ファイルの先頭 HD ファイルの最後 buffer[0] の先頭 fread( buffer, 3*size, 1, ); 画像データも直接読み込んでいる 今ファイルのどこまで読んだかがファイルポインタ に記録されている 構造体の直接読み込み ファイルの最後 2byte ファイルのタイプ "BM" 4byte ファイルのサイズ (byte) 2byte 予約 1 0 2byte 予約 2 0 HD bmfh の先頭 メモリ bftype bfsize bfreserved1 bfreserved2 bfoffbits ビットマップの出力部 (p9-1.c) /* 書き込み処理 */ /* 結果をファイルに書くためには out_buffer に結果をしまう必要がある */ = fopen( "result.bmp", "wb" ); /* ファイルを書き込み用で開く */ /* 画像の情報を作成する ( 画像処理によって変わる可能性があるものだけ作成 )*/ /* 出力画像の width height が変更されていればそれを書き込む */ bmfh.bfsize = width*height*3 + BMP_HEADER_SIZE; bmih.biwidth = width; bmih.biheight = height; /* ビットマップを書き込む */ fwrite( &bmfh, sizeof(bitmapfileheader), 1, ); fwrite( &bmih, sizeof(bitmapinfoheader), 1, ); fwrite( out_buffer, 3*size, 1, ); fclose( ); /* ファイルを閉じる */ /* メモリを解放する */ free( buffer ); free( out_buffer ); 4byte BITMAPFILEHEADER から実際のビットマップデータまでのオフセット値ヘッダーのサイズと考えてよい (byte) 19 } return 0; 20

6 関数 fwrite による書き出し まずは以下をやってみよう 出力はまさに入力の逆 fwrite 関数を使ってバイナリデータを直接ファイルに書き込む fwrite( &bmfh, sizeof(bitmapfileheader), 1, ); fwrite( &bmih, sizeof(bitmapinfoheader), 1, ); fwrite( out_buffer, 3*size, 1, ); 14 バイト分書き込んだ後に 40 バイト分書き込みその後に画像サイズ分書き込む これは課題ではないので提出する必要ありませんがまず試すことをお勧めします 好きなビットマップ画像を用意する (24 ビットカラー ) 画像の幅が 4 の倍数以上のものは 画像ソフトで 4 の倍数になるように切り取る p9-1.c をコンパイルし実行する 実行すると新たなビットマップ画像ができるはず 保存したファイルを画像ソフトで開き 入力した画像と全く同じであれば成功 p9-1.c を眺めてみる 本日の演習 ー準備ー まずはHPよりbitmap.bmpをダウンロードする 画像を開いてみる P9-2.cをHPよりダウンロードする ( ヒントプログラム ) ー課題ー ( ここから先をメールで送る ) 課題の内容は次のページを参照する P9-2.cのヒントをもとに作ってもよいし できる人はp9-1.cから作ってみる さらに余裕のある人は画像をASCIIアートに変換するプログラムを作ってみる ソースコードと実行結果をメールで送る 送る際には注意事項をよく確認すること 諸注意 今日の講義の感想 質問をメール本文に書いてください よく分かった ここが分からない など 今日は ( 多分 ) 時間がかかるので提出期限は1/16( 水 )24:00とします 質問などあれば別途メールしてくれてかまいません 23 課題 M 男 (bitmap.bmp) をコンソールに表示してみましょう! 各画素がある条件を満たせば特定の文字を表示する ( 例えば (255,0,0) なら " 赤 " など ) ヒントプログラムp9-2.cをDL 可能 表示する (printfを使う) だけなので プログラム中で画像を保存する必要はない 茶 (R,G,B)=(127,127,0) 橙 (R,G,B)=(255,127,0) bitmap.bmp 赤 (R,G,B)=(255,0,0) サイズ :16 16 各画素 :24bit (R,G,B) ( 但し bitmapはbgrの順で並んでいる ) 24

7 課題続き 注意点 ビットマップのフォーマットに注意 左下からデータが並んでいる RGB ではなく BGR の順番 全角か半角かを気にする ( 特にスペース ) 文字はアスキー ( 半角 ) でもよい 半角の場合はすべて半角にそろえないと表示がずれてしまうので注意 うまくいけばこんな感じで表示できます 25