VC数字图像处理编程之一
VC数字图像处理编程之一
数字图像处理技术与理论是计算机应用的一个重要领域，许多工程应用都涉及到图像处理，一直有一个强烈的愿望，想系统的写一个关于数字图像处理的讲座，由于工作学习很忙，时至今日才得以实现。
“图”是物体透射光或反射光的分布，“像”是人的视觉系统对图的接收在大脑中形成的印象或认识。图像是两者的结合。人类获取外界信息是靠听觉、视觉、触觉、嗅觉、味觉等，但绝大部分（约80%左右）来自视觉所接收的图像信息。图像处理就是对图像信息进行加工处理，以满足人的视觉心理和实际应用的需要。简单的说，依靠计算机对图像进行各种目的的处理我们就称之为数字图像处理。早期的数字图像处理的目的是以人为对象，为了满足人的视觉效果而改善图像的质量，处理过程中输入的是质量差的图像，输出的是质量好的图像，常用的图像处理方法有图像增强、复原等。随着计算机技术的发展，有一类图像处理是以机器为对象，处理的目的是使机器能够自动识别目标，这称之为图像的识别，因为这其中要牵涉到一些复杂的模式识别的理论，所以我们后续的讲座只讨论其中最基本的内容。由于在许多实际应用的编程中往往都要涉及到数字图像处理，涉及到其中的一些算法，这也是许多编程爱好者感兴趣的一个内容，我们这个讲座就是讨论如何利用微软的Visual C++开发工具来实现一些常用的数字图像处理算法，论述了图像处理的理论，同时给出了VC实现的源代码。本讲座主要的内容分为基础篇、中级篇和高级篇，具体包含的主要内容有：
1． 图像文件的格式；
2． 图像编程的基础-操作调色板；
3． 图像数据的读取、存储和显示、如何获取图像的尺寸等；
4． 利用图像来美化界面；
5． 图像的基本操作：图像移动、图像旋转、图像镜像、图像的缩放、图像的剪切板操作；
6． 图像显示的各种特技效果；
7． 图像的基本处理：图像的二值化、图像的亮度和对比度的调整、图像的边缘增强、如何得到图像的直方图、图像直方图的修正、图像的平滑、图像的锐化等、图像的伪彩色、彩色图像转换为黑白图像、物体边缘的搜索等等；
8． 二值图像的处理：腐蚀、膨胀、细化、距离变换等；
9． 图像分析：直线、圆、特定物体的识别；
10．JEPG、GIF、PCX等格式文件相关操作；
11．图像文件格式的转换；
12．图像的常用变换：付利叶变换、DCT变换、沃尔什变换等；
13．AVI视频流的操作；
图像处理技术博大精深，不仅需要有很强的数学功底，还需要熟练掌握一门计算机语言，在当前流行的语言中，我个人觉的Visual C++这个开发平台是图像开发人员的首选工具。本讲座只是起到抛砖引玉的作用，希望和广大读者共同交流。
上一讲我们主要介绍了图像的格式，其中重点说明了BMP文件的存储格式，同时对JEPG和GIF等常用格式作了简单的介绍。本节主要讲述如何操作BMP文件，如对其读、写和显示等。
在实现数字图象处理的过程中，主要是通过对图像中的每一个像素点运用各种图像处理算法来达到预期的效果，所以进行图像处理的第一步，也是我们最关心的问题，是如何得到图像中每一个像素点的亮度值；为了观察和验证处理的图像效果，另一个需要解决的问题是如何将处理前后的图像正确的显示出来。我们这章内容就是解决这些问题。
随着科技的发展，图像处理技术已经渗透到人类生活的各个领域并得到越来越多的应用，但是突出的一个矛盾是图像的格式也是越来越多，目前图像处理所涉及的主要的图像格式就有很多种，如TIF、JEMP、BMP等等，一般情况下，为了处理简单方便，进行数字图像处理所采用的都是BMP格式的图像文件（有时也称为DIB格式的图像文件），并且这种格式的文件是没有压缩的。我们通过操作这种格式的文件，可以获取正确显示图像所需的调色板信息，图像的尺寸信息，图像中各个像素点的亮度信息等等，有了这些数据，开发人员就可以对图像施加各种处理算法，进行相应的处理。如果特殊情况下需要处理其它某种格式的图像，如 GIF、JEMP等格式的图象文件，可以首先将该格式转换为BMP格式，然后再进行相应的处理。这一点需要读者清楚。
BMP格式的图像文件又可以分为许多种类，如真彩色位图、256色位图，采用RLE(游程编码)压缩格式的BMP位图等等。由于在实际的工程应用和图像算法效果验证中经常要处理的是256级并且是没有压缩的BMP灰度图像，例如通过黑白采集卡采集得到的图像就是这种格式，所以我们在整个讲座中范例所处理的文件格式都是 BMP灰度图像。如果读者对这种格式的位图能够作到熟练的操作，那么对于其余形式的BMP位图的操作也不会很困难。
BMP灰度图像作为Windows环境下主要的图像格式之一，以其格式简单，适应性强而倍受欢迎。正如我们在上一讲中介绍过的那样，这种文件格式就是每一个像素用8bit 表示，显示出来的图像是黑白效果，最黑的像素的灰度（也叫作亮度）值为“0”，最白的像素的灰度值为“255”，整个图像各个像素的灰度值随机的分布在 “0”到“255”的区间中，越黑的像素，其灰度值越接近于“0”，越白（既越亮）的像素，其灰度值越接近于“255”；与此对应的是在该文件类型中的颜色表项的各个RGB分量值是相等的，并且颜色表项的数目是256个。
在进行图像处理时，操作图像中的像素值就要得到图像阵列；经过处理后的图像的像素值需要存储起来；显示图像时要正确实现调色板、得到位图的尺寸信息等。结合这些问题，下面我们针对性的给出了操作灰度BMP图像时的部分函数实现代码及注释。
一、 BMP位图操作
首先我们回顾一下上讲中的重要信息：BMP位图包括位图文件头结构BITMAPFILEHEADER、位图信息头结构BITMAPINFOHEADER、位图颜色表RGBQUAD和位图像素数据四部分。处理位图时要根据文件的这些结构得到位图文件大小、位图的宽、高、实现调色板、得到位图像素值等等。这里要注意的一点是在BMP位图中，位图的每行像素值要填充到一个四字节边界，即位图每行所占的存储长度为四字节的倍数，不足时将多余位用0填充。
有了上述知识，可以开始编写图像处理的程序了，关于在VC的开发平台上如何开发程序的问题这里不再赘述，笔者假定读者都具有一定的VC开发经验。在开发该图像处理程序的过程中，笔者没有采用面向对象的方法，虽然面向对象的方法可以将数据封装起来，保护类中的数据不受外界的干扰，提高数据的安全性，但是这种安全性是以降低程序的执行效率为代价的，为此，我们充分利用了程序的文档视图结构，在程序中直接使用了一些API函数来操作图像。在微软的MSDN中有一个名为Diblook的例子，该例子演示了如何操作Dib位图，有兴趣的读者可以参考一下，相信一定会有所收获。
启动Visual C++，生成一个名为Dib的多文档程序，将CDibView类的基类设为CscrollView类，这样作的目的是为了在显示位图时支持滚动条，另外在处理图像应用程序的文档类（CDibDoc.h）中声明如下宏及公有变量：
| #define WIDTHBYTES(bits) (((bits) + 31) / 32 * 4)//计算图像每行象素所占的字节数目； HANDLE m_hDIB;//存放位图数据的句柄； CPalette* m_palDIB;//指向调色板Cpalette类的指针； CSize m_sizeDoc;//初始化视图的尺寸，该尺寸为位图的尺寸； |
最后将程序的字符串表中的字符串资源IDR_DibTYPE修改为：“/nDib/nDib/nDib Files(*.bmp;*.dib)/n.bmp/nDib.Document/nDib Document”。这样作的目的是为了在程序文件对话框中可以选择BMP或DIB格式的位图文件。
1、 读取灰度BMP位图
可以根据BMP位图文件的结构，操作BMP位图文件并读入图像数据，为此我们充分利用了VC的文档视图结构，重载了文挡类的 OnOpenDocument（）函数，这样用户就可以在自动生成程序的打开文件对话框中选择所要打开的位图文件，然后程序将自动调用该函数执行读取数据的操作。该函数的实现代码如下所示：
| BOOL CDibDoc::OnOpenDocument(LPCTSTR lpszPathName) { LOGPALETTE *pPal;//定义逻辑调色板指针； pPal=new LOGPALETTE;//初始化该指针； CFile file; CFileException fe; if (!file.Open(lpszPathName, CFile::modeRead | CFile::shareDenyWrite, &fe)) {//以“读”的方式打开文件； AfxMessageBox("图像文件打不开！"); return FALSE; } DeleteContents();//删除文挡； BeginWaitCursor(); BITMAPFILEHEADER bmfHeader;//定义位图文件头结构； LPBITMAPINFO lpbmi; DWORD dwBitsSize; HANDLE hDIB; LPSTR pDIB;//指向位图数据的指针； BITMAPINFOHEADER *bmhdr;//指向位图信息头结构的指针 dwBitsSize = file.GetLength();//得到文件长度 if (file.Read((LPSTR)&bmfHeader, sizeof(bmfHeader)) !=sizeof(bmfHeader)) return FALSE;//读取位图文件的文件头结构信息； if (bmfHeader.bfType != 0x4d42) //检查该文件是否为BMP格式的文件； return FALSE; hDIB=(HANDLE) ::GlobalAlloc(GMEM_MOVEABLE | GMEM_ZEROINIT, dwBitsSize); //为读取图像文件数据申请缓冲区 if (hDIB == 0) { return FALSE; } pDIB = (LPSTR) ::GlobalLock((HGLOBAL)hDIB); //得到申请的缓冲区的指针； if (file.ReadHuge(pDIB, dwBitsSize - sizeof(BITMAPFILEHEADER)) != dwBitsSize - sizeof(BITMAPFILEHEADER) ) { ::GlobalUnlock((HGLOBAL)hDIB); hDIB=NULL; return FALSE; }//此时pDIB数据块中读取的数据包括位图头信息、位图颜色表、图像像素的灰度值； bmhdr=(BITMAPINFOHEADER*)pDIB;//为指向位图信息头结构的指针赋值； ::GlobalUnlock((HGLOBAL)hDIB); if ((*bmhdr).biBitCount!=8)//验证是否为8bit位图 { AfxMessageBox("该文件不是灰度位图格式！"); return FALSE; } m_hDIB=hDIB;//将内部变量数据赋于全局变量； //下面是记录位图的尺寸； m_sizeDoc.x=bmhdr->biWidth; m_sizeDoc.y=bmhdr->biHeight; //下面是根据颜色表生成调色板； m_palDIB=new Cpalette; pPal->palVersion=0x300;//填充逻辑颜色表 pPal->palNumEntries=256; lpbmi=(LPBITMAPINFO)bmhdr; for(int i=0;i<256;i++) {//每个颜色表项的R、G、B值相等，并且各个值从“0”到“255”序列展开； Pal->palPalentry[i].peRed=lpbmi->bmiColors[i].rgbRed; pPal->palPalentry[i].peGreen=lpbmi->bmiColors[i].rgbGreen; pPal->palPalentry[i].peBlue= lpbmi->bmiColors[i].rgbBlue;; pPal->palPalentry[i].peFlags=0; } m_palDIB->CreatePalette(pPal); //根据读入的数据得到位图的宽、高、颜色表; if(pPal) delete pPal; EndWaitCursor(); SetPathName(lpszPathName);//设置存储路径 SetModifiedFlag(FALSE); // 设置文件修改标志为FALSE return TRUE; } |
上面的方法是通过CFile类对象的操作来读取位图文件的，它需要分析位图中的文件头信息，从而确定需要读取的图像长度。这种方法相对来说有些繁琐，其实还可以以一种相对简单的方法读取位图数据，首先在程序的资源中定义DIB类型资源，然后添加位图到该类型中，将图像数据以资源的形式读取出来，这时候就可以根据所获取的数据中的位图信息结构来获取、显示图像数据了。下面的函数实现了以资源形式装载图像文件数据，该函数的实现代码如下所示：
| ///////////////////////////////////////////////////////////////// HANDLE LoadDIB(UINT uIDS, LPCSTR lpszDibType) { LPCSTR lpszDibRes =MAKEINTRESOURCE(uIDS);//根据资源标志符确定资源的名字； HINSTANCE hInst=AfxGetInstanceHandle();//得到应用程序的句柄； HRSRC hRes=：：FindResource(hInst,lpszDibRes, lpszDibType);//获取资源的句柄，这里lpszDibType为资源的名字“DIB”; If(hRes==NULL) return NULL HGLOBAL hData=：：LoadResource(hInst, hRes);//转载资源数据并返回该句柄； return hData; } |
2、 灰度位图数据的存储
为了将图像处理后所得到的像素值保存起来，我们重载了文档类的OnSaveDocument（）函数，这样用户在点击Save或SaveAs子菜单后程序自动调用该函数，实现图像数据的存储。该函数的具体实现如下：
| /////////////////////////////////////////////////////////////////// BOOL CDibDoc::OnSaveDocument(LPCTSTR lpszPathName) { CFile file; CFileException fe; BITMAPFILEHEADER bmfHdr; // 位图文件头结构； LPBITMAPINFOHEADER lpBI;//指向位图头信息结构的指针； DWORD dwDIBSize;； if (!file.Open(lpszPathName, CFile::modeCreate |CFile::modeReadWrite | CFile::shareExclusive, &fe)) { AfxMessageBox("文件打不开")； return FALSE; }//以读写的方式打开文件； BOOL bSuccess = FALSE; BeginWaitCursor(); lpBI = (LPBITMAPINFOHEADER) ::GlobalLock((HGLOBAL) m_hDIB); if (lpBI == NULL) return FALSE; dwDIBSize = *(LPDWORD)lpBI + 256*sizeof(RGBQUAD); //图像的文件信息所占用的字节数； DWORD dwBmBitsSize;//BMP文件中位图的像素所占的字节数 dwBmBitsSize=WIDTHBYTES((lpBI->biWidth)*((DWORD)lpBI->biBitCount)) *lpBI->biHeight;// 存储时位图所有像素所占的总字节数 dwDIBSize += dwBmBitsSize; //BMP文件除文件信息结构外的所有数据占用的总字节数； lpBI->biSizeImage = dwBmBitsSize; // 位图所有像素所占的总字节数 //以下五句为文件头结构填充值 bmfHdr.bfType =0x4d42; // 文件为"BMP"类型 bmfHdr.bfSize = dwDIBSize + sizeof(BITMAPFILEHEADER);//文件总长度 bmfHdr.bfReserved1 = 0; bmfHdr.bfReserved2 = 0; bmfHdr.bfOffBits = (DWORD)sizeof(BITMAPFILEHEADER) + lpBI->biSize + 256*sizeof(RGBQUAD); //位图数据距离文件头的偏移量； file.Write((LPSTR)&bmfHdr, sizeof(BITMAPFILEHEADER));//向文件中写文件头信息； file.WriteHuge(lpBI, dwDIBSize); //将位图信息（信息头结构、颜色表、像素数据）写入文件； ::GlobalUnlock((HGLOBAL) m_hDIB); EndWaitCursor()； SetModifiedFlag(FALSE)； // 将文档设为“干净”标志，表示此后文档不需要存盘提示； return TRUE； } |
通过上面的操作，我们已经可以获取图像中的数据了，现在的又一个问题是如何在窗口中显示出图像数据。灰度图像要正确显示，必须实现逻辑调色板和系统调色板。首先我们介绍一下逻辑调色板结构LOGPALETTE，该结构定义如下：
| typedef struct tagLOGPALETTE { WORD palVersion;//调色板的板本号，应该指定该值为0x300; WORD palNumEntries;//调色板中的表项数，对于灰度图像该值为256； PALETEENTRY palPalEntry[1];//调色板中的颜色表项，由于该表项的数目不一定，所以这里数组长度定义为1,灰度图像对应的该数组的长度为256; }LOGPALETTE; 颜色表项结构PALETTEENTRY定义了调色板中的每一个颜色表项的颜色和使用方式，定义如下： typedef struct tagPALETTEENTRY { BYTE peRed; //R分量值； BYTE peGreen; //G分量值； BYTE peBlue; //B分量值； BYTE peFlags; // 该颜色被使用的方式，一般情况下设为“0”； }PALETTEENTRY; |
Windows系统使用调色板管理器来管理与调色板有关的操作，通常活动窗口的调色板即是当前系统调色板，所有的非活动窗口都必须按照此系统调色板来显示自己的颜色，此时调色板管理器将自动的用系统调色板中的最近似颜色来映射相应的显示颜色。如果窗口或应用程序按自己的调色板显示颜色，就必须将自己的调色板载入到系统调色板中，这种操作叫作实现调色板，实现调色板包括两个步骤，既首先将调色板选择到设备上下文中，然后在设备上下文中实现它。可以通过 CDC：：SelectPalette()、CDC：：RealizePalette()或相应的API函数来实现上述的两个步骤。在实现调色板的过程中，通过在主框架类中处理Windows定义的消息WM_QUERYNEWPALETTE 、WM_PALETTECHANGED及视图类中处理自定义消息WM_DOREALIZE（该消息在主框架窗口定义如下：#define WM_REALIZEPAL (WM_USER+101)）来实现调色板的操作。当系统需要处理调色板的变化时，将向程序的主窗口发送WM_QUERYNEWPALETTE 、WM_PALETTECHANGED，例如当某一窗口即将激活时，主框架窗口将收到WM_QUERYNEWPALETTE消息，通知该窗口将要收到输入焦点，给它一次机会实现其自身的逻辑调色板；当系统调色板改变后，主框架窗口将收到WM_PALETTECHANGED消息，通知其它窗口系统调色板已经改变，此时每一窗口都应该实现其逻辑调色板，重画客户区。
由于上述的调色板变更消息是发往主框架窗口的，所以我们只能在主窗口中响应这两个消息，然后由主框架窗口通知各个视窗，使得程序激活时能自动装载自己的调色板。我们定义的用户消息WM_REALIZEPAL用于主框架窗口通知视窗它已经收到调色板变更消息，视窗应该协调其调色板。下面我们给出了各个消息的响应处理函数的具体实现代码和注释：
| ////////////////////////////////////////////////////////// void CMainFrame::OnPaletteChanged(CWnd* pFocusWnd) {//总实现活动视的调色板 CMDIFrameWnd::OnPaletteChanged(pFocusWnd); CMDIChildWnd* pMDIChildWnd = MDIGetActive();//得到活动的子窗口指针； if (pMDIChildWnd == NULL) return CView* pView = pMDIChildWnd->GetActiveView();//得到视图的指针； ASSERT(pView != NULL); SendMessageToDescendants(WM_DOREALIZE, (WPARAM)pView->m_hWnd); //通知所有子窗口系统调色板已改变 } //////////////////////////////////////////////// BOOL CMainFrame::OnQueryNewPalette()//提供实现系统调色板的机会 { // 实现活动视的调色板 CMDIChildWnd* pMDIChildWnd = MDIGetActive();//得到活动的子窗口指针； if (pMDIChildWnd == NULL) return FALSE;//no active MDI child frame (no new palette) CView* pView = pMDIChildWnd->GetActiveView();//得到活动子窗口的视图指针； ASSERT(pView != NULL); //通知活动视图实现系统调色板 pView->SendMessage(WM_DOREALIZE, (WPARAM)pView->m_hWnd); return TRUE; } ///////////////////////////////////////////////// BOOL CDibView::OnDoRealize(WPARAM wParam, LPARAM)//实现系统调色板 { ASSERT(wParam != NULL); CDibDoc* pDoc = GetDocument(); if (pDoc->m_hDIB == NULL) return FALSE; // must be a new document CPalette* pPal = pDoc->m_palDIB; //调色板的颜色表数据在InitDIBData()函数中实现 if (pPal != NULL) { CMainFrame* pAppFrame = (CMainFrame*) AfxGetApp()->m_pMainWnd;//得到程序的主框架指针； ASSERT_KINDOF(CMainFrame, pAppFrame); CClientDC appDC(pAppFrame);//获取主框架的设备上下文； CPalette* oldPalette = appDC.SelectPalette(pPal, ((HWND)wParam) != m_hWnd); //只有活动视才可以设为"FALSE"，即根据活动视的调色板设为"前景"调色板； if (oldPalette != NULL) { UINT nColorsChanged = appDC.RealizePalette();//实现系统调色板 if (nColorsChanged > 0) pDoc->UpdateAllViews(NULL);//更新视图 appDC.SelectPalette(oldPalette, TRUE); //将原系统调色板置为背景调色板 } else { TRACE0(“/tSelectPalette failed in”); } return TRUE； } |
注：在调用API函数显示位图时，不要忘记设置逻辑调色板，即"背景"调色板，否则位图将无法正确显示，读者可以从后面的显示部分的实现看出我们在显示时实现了逻辑调色板。上述的处理相对来说比较繁琐复杂，可能对于初学者来说也比较难于理解，所以如果我们的程序仅仅限于处理灰度图象，可以采用另外一种相对简单的办法，即在文档类的初始化阶段定义一个灰度调色板，然后在设备上下文中实现它，这样作的好处是在度取灰度位图时可以不再考虑文件中的颜色表信息，提高了文件读取速度，笔者在开发一个基于机器视觉的项目时采用的就是这种方法，取的了比较满意的效果。首先定义一个指向逻辑颜色表结构 LOGPALETTE的指针pPal，填充该指针，然后将该指针与调色板指针联系起来，该方法的具体实现如下：
| ///////////////////////////////////////////////////////// CDibDoc::CDibDoc() { ………………………. LOGPALETTE *Pal; Pal=new LOGPALETTE; m_palDIB=new Cpalette; pPal->palVersion=0x300; pPal->palNumEntries=256; for(int i=0;i<256;i++) {//每个颜色表项的R、G、B值相等，并且各个值从“0”到“255”序列展开； Pal->palPalentry[i].peRed=i; pPal->palPalentry[i].peGreen=i; pPal->palPalentry[i].peBlue=i; pPal->palPalentry[i].peFlags=0; } m_palDIB->CreatePalette(pPal); ………………….. } 三、 图像的显示 显示DIB位图数据可以通过设备上下文CDC对象的成员函数 CDC：：Bitblt()或CDC：：StretchBlt()来实现，也可以通过API函数SetDIBBitsToDevice()或 StretchDIBBits()来实现，函数中具体所用到的各个参数的意义可以参考MSDN。其中StretchDIBBits()和 CDC：：StretchBlt()可以将图像进行放大和缩小显示。当从文档中装入位图文件时，CDIBView类的OnInitialUpdate函数将被调用，因此可以在该函数中实现对视图尺寸的设置，用于正确的显示位图，然后就可以在视图类的OnDraw（）函数中正确的显示位图了。这两个函数的具体实现代码分别如下所示：
四、 小结 在本期讲座里我们主要介绍了如何操作灰度位图，它具有较强的代表性，同时为后续的图像处理编程的学习作了必要的准备工作，经过学习，对于如何操作其它类型的BMP格式的图像文件，可以达到举一反三的作用。 |
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