旋转(rotation)有一个绕着什么转的问题,通常的做法是以图象的中心为圆心旋转,举个例子,图2.7旋转30度(顺时针方向)后如图2.8所示:
可以看出,旋转后图象变大了。另一种做法是不让图象变大,转出的部分被裁剪掉。如图2.9所示。
我们采用第一种做法,首先给出变换矩阵。在我们熟悉的坐标系中,将一个点顺时针旋转a角后的坐标变换公式,如图2.10所示,r为该点到原点的距离,在旋转过程中,r保持不变;b为r与x轴之间的夹角。
旋转前:x0=rcosb;y0=rsinb
旋转a角度后:
x1=rcos(b-a)=rcosbcosa+rsinbsina= x0cosa+y0sina;
y1=rsin(b-a)=rsinbcosa-rcosbsina= -x0sina+y0cosa;
以矩阵的形式表示:
(2.5)上面的公式中,坐标系xoy是以图象的中心为原点,向右为x轴正方向,向上为y轴正方向。它和以图象左上角点为原点o’,向右为x’轴正方向,向下为y’轴正方向的坐标系x’o’y’之间的转换关系如何呢?如图2.11所示。
图2.11 两种坐标系间的转换关系
设图象的宽为w,高为h,容易得到:
(2.6)逆变换为:
(2.7)有了上面的公式,我们可以把变换分成三步:
1.将坐标系o’变成o;
2.将该点顺时针旋转a角;
3.将坐标系o变回o’,这样,我们就得到了变换矩阵,是上面三个矩阵的级联。
(2.8)要注意的是,因为新图变大,所以上面公式中出现了wold,hold,wnew,hnew,它们分别表示原图(old)和新图(new)的宽、高。我们从图2.8中容易看出:wnew=max(|x4-x1|,|x3-x2|);hnew=max(|y4-y1|,|y3-y2|)。
(2.8)的逆变换为
(2.9)这样,对于新图中的每一点,我们就可以根据公式(2.9)求出对应原图中的点,得到它的灰度。如果超出原图范围,则填成白色。要注意的是,由于有浮点运算,计算出来点的坐标可能不是整数,采用取整处理,即找最接近的点,这样会带来一些误差(图象可能会出现锯齿)。更精确的方法是采用插值,将在图象缩放时介绍。
源程序如下:
/** * 程序名: Rotation.cpp * 功 能: 实现灰度图像的旋转,如果超出原图范围,则用白色填充 * 测试位图为test.bmp放到工程目录下 */ #include <iostream> #include <fstream> #include <cstring> #include <cmath> #include <windows.h> using namespace std; #define PI 3.1415926535 #define RADIAN(angle) (((angle)*PI)/180.0) BITMAPFILEHEADER bmpFileHeader; //bmp文件头 BITMAPINFOHEADER bmpInfoHeader; //bmp信息头 RGBQUAD *pColorTable; //bmp颜色表 unsigned char *pBmpData; //bmp位图数据 unsigned char *pNewBmpData; //旋转后bmp位图数据 int newImgSize; //旋转后图像大小 /** * 函数名: readBmp * 参 数: fileName--要读取文件的文件名 * 功 能: 读取bmp位图数据,成功返回TRUE,否则返回FALSE */ BOOL readBmp(char *fileName) { FILE *fp = fopen(fileName,"rb"); //以二进制读方式打开 if (NULL == fp) { cout<<"The file is opened failure!"<<endl; return FALSE; } //读取信息到相应的变量中 fread(&bmpFileHeader,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fp); fread(&bmpInfoHeader,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fp); pColorTable = new RGBQUAD[256]; fread(pColorTable,sizeof(RGBQUAD),256,fp); int imgSize = bmpInfoHeader.biSizeImage; //文图数据的大小,4的倍数 pBmpData = new unsigned char[imgSize]; fread(pBmpData,sizeof(unsigned char),imgSize,fp); fclose(fp); return TRUE; } /** * 函数名: rotation * 参 数: rotAngle--要转换的角度 * 功 能: 实现bmp图像的旋转 */ void rotation(int rotAngle) { double cosa,sina,srcX[4],srcY[4],dstX[4],dstY[4],rad; int oldWidth,oldHeight,newWidth,newHeight; rad = (double)RADIAN(rotAngle); cosa = cos(rad); sina = sin(rad); //原图宽与高 oldWidth = bmpInfoHeader.biWidth; oldHeight = bmpInfoHeader.biHeight; //原图四个角的坐标 srcX[0] = -0.5 * oldWidth; srcY[0] = 0.5 * oldHeight; srcX[1] = 0.5 * oldWidth; srcY[1] = 0.5 * oldHeight; srcX[2] = 0.5 * oldWidth; srcY[2] = -0.5 * oldHeight; srcX[3] = -0.5 * oldWidth; srcY[3] = -0.5 * oldHeight; //新图四个角坐标 for(int i = 0; i < 4; i++ ) { dstX[i] = cosa * srcX[i] + sina * srcY[i]; dstY[i] = -sina * srcX[i] + cosa * srcY[i]; // cout<<dstY[i]<<endl; } //新图的宽与高,向上取整 bmpInfoHeader.biWidth = newWidth = (int)(max(fabs(dstX[0] - dstX[2]),fabs(dstX[1] - dstX[3])) + 0.5); bmpInfoHeader.biHeight = newHeight = (int)(max(fabs(dstY[0] - dstY[2]),fabs(dstY[1] - dstY[3])) + 0.5); // cout<<newWidth<<newHeight<<endl; //新图位图数据大小 bmpInfoHeader.biSizeImage = newImgSize = newHeight * ((newWidth * bmpInfoHeader.biBitCount + 31) / 32 * 4); pNewBmpData = new unsigned char[newImgSize]; double temp1,temp2; //计算矩阵(2.9)中的两个常数,这样不用以后每次都计算了 temp1 = -0.5 * newWidth * cosa - 0.5 * newHeight * sina + 0.5 * oldWidth; temp2 = 0.5 * newWidth * sina - 0.5 * newHeight * cosa + 0.5 * oldHeight; memset(pNewBmpData,(BYTE)255,newImgSize); //先全部填充成白色 int x0,y0,x1,y1; unsigned char *pOldTemp,*pNewTemp; int oldLineByte,newLineByte; oldLineByte = (oldWidth * bmpInfoHeader.biBitCount + 31) / 32 * 4; newLineByte = (newWidth * bmpInfoHeader.biBitCount + 31) / 32 * 4; //把旋转后的图像数据对应存储到pNewBmpData相应位置 for(y1 = 0; y1 < newHeight; y1++) { for(x1 = 0; x1 < newWidth; x1++ ) { x0 = (int)(x1 * cosa + y1 * sina + temp1); y0 = (int)(-x1 * sina + y1 * cosa + temp2); if((x0 >= 0 && x0 < oldWidth) && (y0 >= 0 && y0 < oldHeight)) //这里不能为<=oldWidth或oldHeight { pOldTemp = pBmpData + (oldHeight - 1 - y0) * oldLineByte + x0; pNewTemp = pNewBmpData + (newHeight - 1 - y1) * newLineByte + x1; *pNewTemp = *pOldTemp; } } } } /** * 函数名: writeBmp * 参 数: bmpName -- 旋转后的bmp文件名 * 功 能: 新建一个bmp文件,把旋转后的图像信息存入其中 */ void writeBmp(char *bmpName) { FILE *fp = fopen(bmpName,"wb"); //以二进制写方式打开 if(NULL == fp) cout<<"The file is opened failure"<<endl; //写入选装后图像信息 fwrite(&bmpFileHeader,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fp); fwrite(&bmpInfoHeader,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fp); fwrite(pColorTable,sizeof(RGBQUAD),256,fp); fwrite(pNewBmpData,sizeof(unsigned char),newImgSize,fp); fclose(fp); delete []pColorTable; delete []pNewBmpData; delete []pBmpData; } /** * 函数名: work * 参 数: 无 * 功 能: 实现处理工作 */ void work() { char readBmpName[] = "test.bmp"; if ( !readBmp(readBmpName)) cout<<"The file "<<readBmpName<<"is read failure"<<endl; cout<<"please input the angle to rotate(Clockwise):"; int rotAngle; cin>>rotAngle; rotation(rotAngle); char writeBmpName[] = "test_new.bmp"; writeBmp(writeBmpName); } int main() { work(); return 0; }