【学习图像处理】之实验一——处理BMP图片
处理BMP图片
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- BMP格式
- 实验内容
- 头文件分析
- 第一部分：图像处理
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- 1、反白图像
- 2、改变调色板的数值
- 3、彩图变灰图
- 第二部分：bmp2txt
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- 1、输出txt函数
- 2、Excel作图
- 结语
BMP格式
bmp是一种常见的未压缩图像格式，也是大多数图像处理入门课会用到的一种引路格式。具体的BMP图像格式解析请见：BMP图像格式详解
实验内容
- 反白图像
- 改变调色板的颜色值，看对图像的影响
- 将彩色图像变为灰度图像
- 将一灰度图像数据变为文本格式存入bmp.txt中，txt文件的一行对应图像文件的一行。将bmp.txt导入到excel中，并用至少三种可视化工具将其图形化显示。
老师已经给出了用于处理BMP格式的类的头文件以及部分函数实现代码(C/C++）。由于函数实现为老师的成果，所以我就不贴出代码了，不过我们可以一起分析一下头文件，看一看这个类有什么数据成员，能完成什么功能。
头文件分析
class BMPFILE {
BYTE *Imagedata; //位图数据域
public:
int imagew, imageh; //图片的宽度和高度
int iYRGBnum; //1：灰度，3：彩色
RGBQUAD palette[256]; //调色板
BYTE *pDataAt(int h, int Y0R0G1B2 = 0);
//指向图像第h行的位置，Y0R0G1B2表示：灰度(Y)=0，R=0，G=1，B=2
BOOL AllocateMem(); //为图像分配内存
BOOL LoadBMPFILE(const char *fname);//从硬盘加载图像
BOOL SaveBMPFILE(const char *fname);//将图像保存至硬盘
BMPFILE(); //构造函数，初始化
~BMPFILE(); //析构函数
};
这里唯一需要解释的可能是pDataAt这个函数，尤其是形参中Y0R0G1B2这个让人摸不着头脑的命名。
首先说功能，这个函数的功能是获取第w列列首像素的位置，也就是求偏移量h=imageh*w，然后再用Imagedata+h去定位。
但是这里要补充一个点，那就是BMP数据在内存中的存储方式。我们知道，对24bit的彩图而言，在硬盘中每位像素会以BGR的格式排列，但这不意味着在内存中也是同样连续存储BGR的。相反，在内存中的真实状态是R、G、B被分别存储于3个矩阵中，因此我们要找到第h行的行首像素时，要分别找到其R、G、B的位置。因此实际偏移量应为：
h=imageh*w+Y0R0G1B2*imagew*imageh
// 当然也可以写作 int w = imageh * h + Y0R0G1B2 * imagew * imageh，则定位到h行，行首像素
第一部分：图像处理
我们把实验分为两部分，因为bmp2txt并用excel作图那部分卡了我很久，而前面那三个却很简单，我们就先说这简单的部分吧。
1、反白图像
这里所谓的反白其实就是反色，只是对于灰度图而言我们看到的效果是黑白颠倒。我们选用的颜色量级为0-255，因此反色就是用255减去当前的颜色。下面贴出部分代码（只给了大家灰度图的反白，如何做彩图的反色呢？留给读者自行解决）
void Reverse(BMPFILE &src,BMPFILE &des) //反白函数
{
for (int i = 0; i < src.imageh; i++)
for (int j = 0; j < src.imagew; j++)
{
//反白图
des.pDataAt(i)[j] = 255 - src.pDataAt(i)[j];
}
}
效果如下
原图：
反色效果：
2、改变调色板的数值
在没有要求的情况下，随意修改即可，内容没什么可讲的那我们就来说说调色板吧。
typedef struct tagRGBQUAD {
BYTE rgbBlue;
BYTE rgbGreen;
BYTE rgbRed;
BYTE rgbReserved;
} RGBQUAD;
上面是RGBQUAD，也就是调色板所用的结构体的定义。可以看到每一个RGBQUAD中定义了蓝、绿、红和一个保留位。如果调色板中R=G=B，则显示的是灰度图；相反，如果RGB值各不相同，那么一共可以有256x256x256种颜色，不过注意，由于调色板是一个有256个RGBQUAD的数组，所以最终的图像最多也就256种颜色。对于rgbReserved这一项，stackoverflow上的这份问答大家可以读一下，相信你会有比较深刻的理解。What is rgbReserved?
3、彩图变灰图
彩图变灰图其实也没什么可说的，因为经过历代程序员的尝试我们已经有了非常完美的转换公式，Y=0.299R + 0.587G + 0.114B。我们的要求只是显示效果的彩转灰，如果真的是要变成灰度图，那么除了让像素颜色按照公式转换，我们还应该对信息头、文件头以及调色板作出修改，这里就不做了。
上个效果吧
原图：
转灰效果图：
第二部分：bmp2txt
1、输出txt函数
说实话这个把bmp数据存入txt的题目要求让我疑惑了很久，很长一段时间大概一天我都在修改类似下面的代码：
bool bmp2txt(const char *cFilename)
{
FILE *fin,*fout;
fin=fopen(cFilename, "r+b");
fout = fopen("bmp.txt", "w+");
int rc;
unsigned char buf[1024];
fseek(fin, sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER), SEEK_SET);
while ((rc = fread(buf, sizeof(unsigned char), 1, fin)) != 0)
{
fwrite(buf, sizeof(unsigned char), rc, fout);
}
fclose(fin);
fclose(fout);
}
为什么卡那么久，主要是这个代码如果把w+改成w+b，再把fseek删掉，写出的二进制文件改成bmp图像是可以正常显示的。这样就让我一度认为方法是没问题的，细节上出错了。包括改为fprintf(fout,"%4d",buf)试图转换为10进制输出也没有解决问题（输出的是重复值，原因未明）。
终于，我决定重新读题，然后我发现了这句话“txt 文件的一行对应图像的一行，按图像显示的顺序存储。”
突然间我就悟了，下面这段正确代码很快就写出来了:
bool bmp2txt(const char *cFilename) //将bmp数据转存入txt，路径为形参
{
//将像素数据存入TXT文件。
BMPFILE bmpfile;
if (!bmpfile.LoadBMPFILE(cFilename))
return false;
FILE *outfile;
if ((outfile = fopen("bmp.txt", "w+")) == NULL)
{
printf("ERROR\n");
return false;
}
for (int i = 0; i < bmpfile.imageh; i++) //按行写入
{
for (int j = 0; j < bmpfile.imagew; j++)
{
fprintf(outfile, "%4d", bmpfile.pDataAt(i)[j]);
}
fprintf(outfile, "\n");
}
fclose(outfile);
return true;
}
//下面贴一下loadbmpfile的函数实现，毕竟挺重要的
//其实就是按照文件头、信息头、数据域一一读入
BOOL BMPFILE::LoadBMPFILE(const char *cFilename)
{
FILE *f;
if (strlen(cFilename) < 1) //文件不存在
return FALSE;
f = fopen(cFilename, "r+b"); //以二进制只读打开
if (f == NULL)
return FALSE;
BITMAPFILEHEADER fh; //文件头
BITMAPINFOHEADER ih; //信息头
fread(&fh, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, f); //从文件中读取文件头
if (fh.bfType != 0x4d42) //如果不是"BM"文件，直接退出
{
fclose(f);
return FALSE;
}
fread(&ih, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, f); //从文件中读取信息头
if ((ih.biBitCount != 8) && (ih.biBitCount != 24)) //如果不是8位灰度图，或24位彩图，则退出
{
fclose(f);
return FALSE;
}
iYRGBnum = ih.biBitCount / 8; //1为灰度图，3为彩图
imagew = ih.biWidth;
imageh = ih.biHeight;
if (!AllocateMem()) //如果分配内存失败，退出
{
fclose(f);
return FALSE;
}
if (iYRGBnum == 1) //灰度图需要调色板
fread(palette, sizeof(RGBQUAD), 256, f);
fseek(f, fh.bfOffBits, SEEK_SET); //指向像素数据包
int w4b = (imagew * iYRGBnum + 3) / 4 * 4, i, j; //w4b为像素数据包大小
BYTE *ptr;
ptr = new BYTE[w4b];
if (ptr == NULL)
{
fclose(f);
return FALSE;
}
if (iYRGBnum == 1)
{
for (i = imageh - 1; i >= 0; i--) //从最下面开始往上拷贝字节
{
fread(ptr, w4b, 1, f);
memmove(pDataAt(i), ptr, imagew); //memmove(des,src,count)
}
}
if (iYRGBnum == 3)
{
for (i = imageh - 1; i >= 0; i--)
{
fread(ptr, w4b, 1, f);
for (j = 0; j < imagew; j++) //分别读取R、G、B（注意磁盘里反储）
{
*(pDataAt(i, 0) + j) = *(ptr + j * 3 + 2);
*(pDataAt(i, 1) + j) = *(ptr + j * 3 + 1);
*(pDataAt(i, 2) + j) = *(ptr + j * 3 + 0);
}
}
}
delete[] ptr;
fclose(f);
return TRUE;
}
这告诉我们还是要认真读题啊。。。
2、Excel作图
这里只给出我认为有意义的一种可视化，因为老师说他只是让我们看看数据在不同表现形式下的效果，理解“有数就有图”。但实际上直方图、折线图都完全没有意义，下面介绍下色阶表示。
我们首先将bmp.txt导入到excel中穷人只能用wps了呜呜呜，如图：
之后全选（ctrl+a），然后在开始——条件格式——色阶，随意选一个之后缩放到最小，就能看到神奇的画面：
当然这个灰度图的显示效果是自定义的，你只需要在其他规则中把最低值改为黑色，最高值改为白色即可。这个原理其实还是个调色板，按照数值的大小去显示介于最小值和最大值之间的一种颜色罢了。不过做出来的那一刻还是很有成就感的。
结语
这学期的第一次图像处理实验，说是三周内上交实际上已经给了快五周时间了，如果对已经给出的代码掌握熟练的话，其实一两天完成不是问题。完整项目工程可见我的gitee。