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 · 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

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

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................................................................................................................................... 5 2 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.............................................................................................................................................. 10 メニュー画面の作り方 .....................................................................................................................................11

i

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++ http://phys.cool.ne.jp/physjpn/bccwin.htm

Phoebe http://homepage3.nifty.com/aokura/

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）

http://homepage1.nifty.com/k_okada/

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)

640 480 0 0

1.00 255 255 255 0

（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，640×512 の画像であれば，480 を 512 に変更するだけです．

ii

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

水平転送CCD

垂直

転送

CC

D

フォトダイオード CCD

緑青

赤青

緑

青

緑

青青

青

青青

青青

青

青

緑緑

緑

赤

赤

赤

赤

赤

1画素

(a)インターライントランスファー型 CCD (b)色フィルタ

CCD の原理と色フィルタ

iii

色の表現（色の 3 原色）

RGB とその補色（CMY）

青

シアン

緑赤

マゼンタ

黄

白

黄

マゼンタシアン

赤緑

黒

青

加法混色減法混色

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 0－255 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

像平面と画像座標 xy

画

画像座標 xy

iv

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 0-255 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

パッケージ構成

．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．

：sample.cpp

T 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 640×480 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．

1

ソースファイル名

実行ファイル名：sample.exe （VisualStudio.NE

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 #include "stdio.h" #include “stdlib.h”

age #define IMG_YSIZE 480// the y-size of a age #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) { }

// 画像サイズ #define IMG_XSIZE 640 //the x-size of an im

n im

#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

画像読み込みプログラミングの作成る 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．

id ReadRgbImage(char *ReadFilePath, unsigned char r[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char g[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], signed char b[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]);

画像処理用配列宣言 igned char r[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE],g[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE],b[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE];

signed char Wrk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk2[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk3[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE];

id main(void)

r sFilePath[500];

file name ... "); FilePath);

ReadRgbImage(sFilePath,r,g,b); //RGB 画像読み込み

B カラー画像（RAW 形式）ファイルの読み込み関数 ReadRgbImage(char *ReadFilePath, unsigned char r[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char g[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE],

gned char b[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE])

FILE *fp_r;

(fp_r = fopen( ReadFilePath, "rb")) == NULL ){ printf("cannot %s open!", ReadFilePath);

exit(-1); }

r( j = 0; j < IMG_YSIZE; j++ ){

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); }

RGB 画像ファイルへアクセスす

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 voun //unsun vo{ cha char sSaveFilePath[500]; printf("input scanf("%s", s } // RGvoid unsi{ int i,j; unsigned char rw, gw, bw; if( fo for( i = 0; i < IMG_XSIZE; i++ ){

3

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.#include “stdlib

h" .h”

//the x-size of an image // the y-size of an image

id ReadRgbImage(char *ReadFilePath, unsigned char r[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char g[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], MG_XSIZE]);

画像処理用配列宣言 ][IMG_XSIZE],g[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE],b[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE];

_XSIZE];

id main(void)

char sFilePath[500]; ];

");

g,b);//RGB 画像読み込み

rk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE])

j++ ){ _XSIZE; i++ ){

// 画像サイズ #define IMG_XSIZE 640

ZE 480#define IMG_YSI#define HIGH 255 // max gray level #define LOW 0 // minimum gray level

関数のプロトタイプ宣言 //vounsigned char b[IMG_YSIZE][I 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]); //unsigned char r[IMG_YSIZEunsigned char Wrk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk2[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk3[IMG_YSIZE][IMG vo{ char sSaveFilePath[500

printf("input file name ... scanf("%s", sFilePath);

ReadRgbImage(sFilePath,r,

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

MG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char wb[I{

int i,j; for( j = 0; j < IMG_YSIZE;

for( i = 0; i < IMG wrk[j][i] = (unsigned char)(0.30*r[j][i] + 0.59*g[j][i] + 0.11*b[j][i] ); } } }

4

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

an image efine HIGH 255 // max gray level

gray level

SIZE],

id GrayImage(unsigned char r[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char g[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char wrk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]);

宣言 igned char r[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE],g[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE],b[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE];

signed char SIZE], Wrk2[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk3[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE];

id main(voi

scanf("%s", sFilePath);

ReadRgbImage(sFilePath,r,g,b);//RGB 画像読み込み

);//モノクロ画像に変換し，Wrk 配列に保存

, sSaveFilePath);

rk 画像の保存

aveFilePath, 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); }

#define IMG_YSIZE 480// the y-size of#d#define LOW 0 // minimum //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_Xunsigned char b[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]); vob[ void SaveWrkImage(char *SaveFilePath, unsigned char a[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]); // 画像処理用配列unsun Wrk[IMG_YSIZE][IMG_X vo d) { char sFilePath[500]; char sSaveFilePath[500]; printf("input file name ... "); GrayImage(r,g,b,Wrk printf("input savefile name ... "); scanf("%s" SaveWrkImage( sSaveFilePath, Wrk);//W } // ma Gr 数は省略 ReadRgbI ge 関数， ayImage 関 void SaveWrkImage(char *S{

5

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．

像を読み込む

4）2 値画像を保存する

efine IMG_YSIZE 480// the y-size of an image efine HIGH 255 // max gray level efine LOW 0 // minimum gray level

ZE][IMG_XSIZE], signed char b[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]);

signed char r[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char g[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char XSIZE], unsigned char wrk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]);

d SaveWrkImage(char *SaveFilePath, unsigned char a[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]); id Binar rk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], int nTh);

画像処理signed c E],g[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE],b[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE]; signed c _XSIZE], Wrk3[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE];

id main(

printf("input file name ... "); scanf("%s", sFilePath);

RGB 画像読み込み変換し，Wrk 配列に保存

nThresh); rk, nThresh);//2 値化

file name ... "); ilePath);

数，SaveWrkImage 関数は省略 char wrk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], int nTh)

r( j = 0r( i = 0 ; i++ ){

nTh ){ j][i] = HIGH;

lse{ wrk[j][i] = LOW; }

} }

}

1）RGB 画

2）モノクロ画像に変換する

3）2 値化処理

#include "stdio.h" include “stdlib.h” #

// 画像サイズ define IMG_XSIZE 640 //the x-size of an image #

#d#d#d //関数のプロトタイプ宣言 oid ReadRgbImage(char *ReadFilePath, unsigned char r[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], unsigned char g[IMG_YSIv

unvoid GrayImage(un

IMG_YSIZE][IMG_b[oiv

vo yImage(unsigned char w // 用配列宣言

har r[IMG_YSIZE][IMG_XSIZunun har Wrk[IMG_YSIZE][IMG_XSIZE], Wrk2[IMG_YSIZE][IMG

void) vo{ char sFilePath[500];

char sSaveFilePath[500]; int nThresh; ReadRgbImage(sFilePath,r,g,b);//

GrayImage(r,g,b,Wrk);//モノクロ画像に

printf("input Thresholding value ... "); scanf("%d", &

BinaryImage(W printf("input save

scanf("%s", sSaveF SaveWrkImage( sSaveFilePath, Wrk);//Wrk 画像の保存 }

ayImage 関//ReadRgbImage 関数，Gr

oid BinaryImage(unsignedv{ int i,j;

fo ; j < IMG_YSIZE; j++ ){ fo ; i < IMG_XSIZE

i] >= if( wrk[j][wrk[

}e

6

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

ロ画像変換 3）コマンド 11: モノク

4）コマンド 12: 2 値化（例）しきい値 100

5）コマンド処理画像の保存（例） .wrk 2: f51_binary

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計算する 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

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

gray level

0 50 100 150 200 250

the

num

ber o

f pix

el

0

1000

2000

3000

4000

8

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

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．

se 15:

み込む e 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 ... ");

f("%d resh);

Wrk, Wrk2, Wrk3, nThresh ); break;

ca // フレーム１を読 printf("input imag

// scan ", &nTh InterframeDifferenceWithTh(

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 IZE; i++ ){

nSub1 = abs( Wrk2[j][i] - Wrk[j][i] ); nSub2 = ][i] - Wrk3[j][i] );

bSub1 = HIGH; }else{ bSub1 = LOW; } if( nSub2 > nTh ){ bSub2 = HIGH; }else{ bSub2 = LOW; } Wrk[j][i]= bSub1 & bSub2; } } }

){ _XS

abs( Wrk2[j if( nSub1 > nTh ){

10

メニュー画面の作り方

ニュー画面を表示する

ニュー画面を常に表示させる

画面の基本構造

*******************¥n"); ");

***************************¥n");

ReadRgbImage(sFilePath,r,g,b); break;

nFlag_Exit = -1; break;

break;

}// switch

1） printf 関数でメ

2）一つの処理が完了するたびに，while 関数でメ

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 int nFlag_Exit = 1; int nCommand; while( nFlag_Exit > 0 ){ printf("¥n"); printf("************************ printf("<< 1 >> : read rgb image¥n

>> : exit ¥n"); printf("<< 99 printf("**************** printf("¥n"); printf(" command ? : "); scanf("%d", &nCommand); switch( nCommand ){ case 1: printf("input file name ... ");

scanf("%s", sFilePath); case 99: default: }// while loop

11

【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

タビジョンに関する研究を行っている．

ッケージ使用マニュアル Copy right 森尾吉成 2005

現場を中心にコンピュー

E-mail: [email protected]

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

著者森尾吉成

発行者 MORIO FARM 社

代表者森尾吉成

発行所 MORIO FARM 社

郵便番号 514-8507

三重県津市上浜町 1577

三重大学生物資源学部

電話 059-231-9602

[email protected]

Printed in Japan

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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 · 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

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 · 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