画像処理事始

無料で自由に利用できる、高機能な画像処理パッケージ OpenCV が提供されていますので、あえて画像処理に
関するプログラムを提供する必要は無いかもしれません。　ですが、C言語を使って、画像処理を学習したい方が
利用出来る様に、簡単な雛形を用意してみました。
C言語を使ってプログラムを書く場合は、ハードウエアの知識が有ればより理解しやすいのですが、特に知識が
無くても開発はできます。　多分知識の差は、コンパイラの最適化にヒントを提供できるかどうかだと思います。

 ・ C言語を使う上で押えておきたいH/Wの知識
 ・ 画像処理用のCプログラムの雛形
に関する情報を提供できればと思っております。
補足事項：以下のプログラムで利用できる BMPファイルは 24or32 bit 無圧縮のWindows形式のみ

ファイル名	機能	nd5sum
bmpLoad.zip	bmpファイル表示プログラム	e85dfd24512abf6ba52ae9aa25806024
imageProcessing.zip imageProcessing.zip	画像処理の雛形プログラム	c5edca6bc97ea0231d277af10c9c936c 05362ae58e191fb525f7e65090d8d97a
nega.zip nega.zip	ネガ画像作成プログラム	1bca225202f38add5896a99a00e818e6 a26fcbc9c7cf8194d34e977e91ee63ee
ave3x3.zip ave3x3.zip	平滑化フィルタプログラム	1328be48f9e30870013494c2291f8d0e bce0137ec6caa3dce07536390d1e4534

説明に先立ち、まずサンプルプログラムを用意しました。

　　　bmpLoad.zip
　　　・画像処理結果として作成されたBMPファイルの目視確認用プログラム (ファイル名の表示も必要な場合)
　　　 "Drag & Drop の利用方法"で説明したGUIプログラムの、DragAndDropExArg.c をベースに、画像の読み込みと
　　　 表示機能を追加したものです。 プログラムは、C言語で記述され、コメントはSJISで記載されています。
　　　 実行形式は、Windows XP SP3 環境での動作を確認しています。　本プログラムのみ Windows 専用
　　　 BMPファイル自体の構成に関しては、 BMP ファイルの構造に関する資料　を参照して下さい。

　　　imageProcessing.zip
　　　・画像処理用のプログラムの雛形（入力されたカラーBMPの複製を作成）
　　　 24/32ビットのBMPファイルを読み込み、画像を１次元の配列としてアクセス可能にし、同時に処理結果を格納する
　　　 １次元の配列を生成して、画像処理プログラム（サブルーチン）を呼び出します。
　　　 画像処理プログラムの先頭部で、画像と処理結果を格納する１次元配列に対して、２次元配列としてのアクセスを
　　　 可能にする、２次元配列用のインデックスを生成します。
　　　 サブルーチン内では、入力画像の各画素データを、処理結果を格納する配列にコピーします。　
　　　 サブルーチンの終了ステータスを 0 （正常） で終了すると、処理結果を32ビットのBMPファイルとして保存します。
　　　 実行形式は、Windows XP SP3 環境での動作を確認しています。

　　　nega.zip
　　　・画像処理用の雛形を元に、入力されたカラーBMPのネガ画像を作成するプログラム
　　　 24/32ビットのBMPファイルを読み込み、画像を１次元の配列としてアクセス可能にし、同時に処理結果を格納する
　　　 １次元の配列を生成して、画像処理プログラム（サブルーチン）を呼び出します。
　　　 画像処理プログラムの先頭部で、画像と処理結果を格納する１次元配列に対して、２次元配列としてのアクセスを
　　　 可能にする、２次元配列用のインデックスを生成します。
　　　 サブルーチン内では、入力画像の各画素データの、ネガ（反転）データを処理結果を格納する配列に記録します。　
　　　 サブルーチンの終了ステータスを 0 （正常） で終了し、処理結果を32ビットのBMPファイルとして保存します。
　　　 実行形式は、Windows XP SP3 環境での動作を確認しています。

　　　ave3x3.zip
　　　・画像処理用の雛形を元に、入力されたカラーBMPの３ｘ３画素の平滑画像を作成するプログラム
　　　 24/32ビットのBMPファイルを読み込み、画像を１次元の配列としてアクセス可能にし、同時に処理結果を格納する
　　　 １次元の配列を生成して、画像処理プログラム（サブルーチン）を呼び出します。
　　　 画像処理プログラムの先頭部で、画像と処理結果を格納する１次元配列に対して、２次元配列としてのアクセスを
　　　 可能にする、２次元配列用のインデックスを生成します。
　　　 サブルーチン内では、入力画像のR,G,Bの各チャンネル毎に、各画素とその周辺の８画素（計９画素）の平均値を、
　　　 計算して、処理結果を格納する配列に記録します。 （sobel、Laplacianフィルターやコンボリューションの参考例）
　　　 サブルーチンの終了ステータスを 0 （正常） で終了し、処理結果を32ビットのBMPファイルとして保存します。
　　　 実行形式は、Windows XP SP3 環境での動作を確認しています。

ファイル名	機能	nd5sum
color2gray.zip color2gray.zip	カラー画像を濃淡画像に変換	87357dae1b49eacdcd828c190d5cd498 8ab666ad4e08189f14b0e22b75f9872e
sobel.zip sobel.zip	Sobel フィルタプログラム	1898ae27f6c633a6d0b2e70185836f03 3fb8682ad3ac91f904801d12785119bb
laplacian.zip laplacian.zip	Laplacianフィルタプログラム	1cf7c9fd88c409bcc9c2950d049918bf 88de45ea2d39ae81a6f972121bbf1184

説明に先立ち、まずサンプルプログラムを用意しました。

　　　color2gray.zip
　　　・画像処理用の雛形を元に、入力されたカラーBMPから濃淡画像を作成するプログラム
　　　 24/32ビットのBMPファイルを読み込み、画像を１次元の配列としてアクセス可能にし、同時に処理結果を格納する
　　　 １次元の配列を生成して、画像処理プログラム（サブルーチン）を呼び出します。
　　　 画像処理プログラムの先頭部で、画像と処理結果を格納する１次元配列に対して、２次元配列としてのアクセスを
　　　 可能にする、２次元配列用のインデックスを生成します。
　　　 サブルーチン内では、入力画像の各画素データ（R、G、B）から、濃淡画像データ（変換式参照）を作成し、結果を
　　　 出力用の配列に記録します。　出力は３２ビットR、G、B形式、各色要素に同じ値を指定して濃淡画像を表記する
　　　 　変換式： 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B ⇒ Y　 （高速整数演算の場合： y = (306*r + 601*g + 117*b)>>10）
　　　 サブルーチンの終了ステータスを 0 （正常） で終了し、処理結果を32ビットのBMPファイルとして保存します。
　　　 実行形式は、Windows XP SP3 環境での動作を確認しています。

　　　Sobel.zip
　　　・画像処理用の雛形を元に、入力されたカラーBMPから濃淡画像を作成し、Sobel フィルターを施すプログラム
　　　 24/32ビットのBMPファイルを読み込み、画像を１次元の配列としてアクセス可能にし、同時に処理結果を格納する
　　　 １次元の配列を生成して、画像処理プログラム（サブルーチン）を呼び出します。
　　　 画像処理プログラムの先頭部で、画像と処理結果を格納する１次元配列に対して、２次元配列としてのアクセスを
　　　 可能にする、２次元配列用のインデックスを生成します。
　　　 サブルーチン内では、入力画像のR,G,Bの値から、濃淡情報を生成します。　この濃淡データに対して、 Soble の
　　　 オペレーションを行い、処理結果の最小値を０に、最大値を２５５になる様に変換します。
　　　 出力用配列のRGB値に変換した値（0 ～ 255）を記録します。 
　　　 サブルーチンの終了ステータスを 0 （正常） で終了し、処理結果を32ビットのBMPファイルとして保存します。
　　　 実行形式は、Windows XP SP3 環境での動作を確認しています。

　　　Laplacian.zip
　　　・画像処理用の雛形を元に、入力されたカラーBMPから濃淡画像を作成し、Laplacian フィルターを施すプログラム
　　　 24/32ビットのBMPファイルを読み込み、画像を１次元の配列としてアクセス可能にし、同時に処理結果を格納する
　　　 １次元の配列を生成して、画像処理プログラム（サブルーチン）を呼び出します。
　　　 画像処理プログラムの先頭部で、画像と処理結果を格納する１次元配列に対して、２次元配列としてのアクセスを
　　　 可能にする、２次元配列用のインデックスを生成します。
　　　 サブルーチン内では、入力画像のR,G,Bの値から、濃淡情報を生成します。　この濃淡データに対して、 Soble の
　　　 オペレーションを行い、処理結果の最小値を０に、最大値を２５５になる様に変換します。
　　　 これはサンプル処理なので、ガンマ補正（γ=0.6） も行います。（本来の処理では不要だが学習用） まず、
　　　 変換に使用するL:UT（lookup table）を作成します。入力値（0 ～ 255）、出力値（0 ～ 255）で、変換テーブルがγ。 
　　　 Laplacian値を、0 ～ 255の範囲に変換後、ガンマー変換用のLUTを使ってカンマ補正し、出力配列に記録します。 
　　　 サブルーチンの終了ステータスを 0 （正常） で終了し、処理結果を32ビットのBMPファイルとして保存します。
　　　 実行形式は、Windows XP SP3 環境での動作を確認しています。

ファイル名	機能	nd5sum
labeling.zip labeling.zip	二値画像の８連結ラベリング	a6bebe2498c7c9972f18ae05b0b4e186 edfc0d58d957ea2cbf78cc7a8c096be6
labeling4.zip labeling4.zip	二値画像の4連結ラベリング	bc664e7176746eab9c9347dbc5d2da03 1a1aaa4e03aa6965d94a1ca621e33e33
labeling_x64.zip labeling_x64.zip	二値画像のラベリング(x64版) ８連結,４連結の実行形式のみ	64ビット用バイナリ 2017/03/03 New 768d28a0cac805c2766239658772c1df

説明に先立ち、まずサンプルプログラムを用意しました。
このラベリングプログラムは、原理の理解を目的にした実装の為、複雑な画像のラベリングには時間を要します。

　　　labeling.zip   (ラベリング処理の８連結、４連結共通コア部分)
　　　・画像処理用の雛形を元に、入力されたBMP(二値画像)に対して、８連結のラベリング処理を行うをプログラム
　　　 24/32ビットのBMPファイルを読み込み、画像を１次元の配列としてアクセス可能にし、同時に処理結果を格納する
　　　 １次元の配列を生成して、画像処理プログラム（サブルーチン）を呼び出します。
　　　 ラスタースキャン方式のラベリング処理では、処理対象画素の、上下左右１画素に対して連結性（８箇所）の評価
　　　 をしますが、処理の重複（ラベリング処理の完了している画素の評価のみで良い）を除くと、４箇所の評価で完了
　　　 します。　処理対象画素ラベル値の決定により、処理対象画素以前までは異なっている対象物と認識していた
 　　　領域が、単一の対象物を構成する領域である事が判明する事があり、この場合にはどちらかのラベル番号に、
 　　　統一（displacementにて対応 "この関数はインライン展開される"）する必要が生じます。
 　　　また、処理対象画素の周囲の画素を参照する事は、参照する画像の欠落する周辺部では処理が破綻する事を
 　　　意味します。この問題は、無限の大きさを持つ背景の中に画像を配置すれば回避出来ますが、必要十分条件を
 　　　満たす実装は、画像の上下左右に１画素分の背景を拡張し、ラベリング処理を本来に画像部に対してのみ行う
 　　　方法です。画像の周辺部の処理では、本来欠落するデータを参照した場合に、背景データ（ハードウエア処理時
 　　　も同様）を参照する事になり、単一のアルゴリズムで正しいラベリングが可能になります。
 　　　入力画像の大きさが、縦横がそれぞれ、LX、LY の場合、LX+2、LY+2 の大きさのエリアを確保し、エリアの境界
 　　　の値を全て、背景を表す値（０）にし、その内側に入力画像を展開します。展開後、画像データに対し、ラベリング
 　　　処理を施し、結果を 関数名.cfg 関数名.lbl ファイルとして保存します。
 　　　cfg、lbl ファイルの詳細は、"1B　ラベルファイルの構成"を参照して下さい。
 　　　ラベルデータは単なる自然数で可読性が劣るので、同時に擬似カラー化し、画像としての確認を可能にします。
　　　 ラベルデータ（0～0xffffff）から擬似カラーデータ変換は可逆変換を採用していますので、擬似カラーデータから、
　　　 ラベルデータ値を知る事が出来ます。変換方法は、擬似カラーデータをラベルデータに変換するプログラム
　　　 unsigned int pseudoColor2Int( unsigned int v ) を使用してください。（"1B　ラベルファイルの構成"を参照）
　　　 ラベルデータの形式に関しては、"1B　ラベルファイルの構成"を参照してください。　またラベルデータを利用する
　　　 例に関しては、"画像データとラベルデータの処理用サンプルプログラム（C言語）の実施例"を参照下さい。
　　　 実行形式は、Windows XP SP3 環境での動作を確認しています。
　　　 このラベリングソフトを使った処理手順のチュートリアル（md5sum: e96c4278e6716a121e7bc6a5f271f42e）
　　　 "画像処理のための高速ラベリングソフト＋α"のチュートリアル（詳細はこちらを参照して下さい）相当の処理

　　　labeling4.zip   (ラベリング処理の８連結、４連結共通コア部分)
　　　・画像処理用の雛形を元に、入力されたBMP(二値画像)に対して、４連結のラベリング処理を行うをプログラム
　　　 24/32ビットのBMPファイルを読み込み、画像を１次元の配列としてアクセス可能にし、同時に処理結果を格納する
　　　 １次元の配列を生成して、画像処理プログラム（サブルーチン）を呼び出します。
　　　 ラスタースキャン方式のラベリング処理では、処理対象画素の、上下左右１画素に対して連結性（４箇所）の評価
　　　 をしますが、処理の重複（ラベリング処理の完了している画素の評価のみで良い）を除くと、２箇所の評価で完了
　　　 します。　処理対象画素ラベル値の決定により、処理対象画素以前までは異なっている対象物と認識していた
 　　　領域が、単一の対象物を構成する領域である事が判明する事があり、この場合にはどちらかのラベル番号に、
 　　　統一（displacementにて対応 "この関数はインライン展開される"）する必要が生じます。
 　　　また、処理対象画素の周囲の画素を参照する事は、参照する画像の欠落する周辺部では処理が破綻する事を
 　　　意味します。この問題は、無限の大きさを持つ背景の中に画像を配置すれば回避出来ますが、必要十分条件を
 　　　満たす実装は、画像の上下左右に１画素分の背景を拡張し、ラベリング処理を本来に画像部に対してのみ行う
 　　　方法です。画像の周辺部の処理では、本来欠落するデータを参照した場合に、背景データ（ハードウエア処理時
 　　　も同様）を参照する事になり、単一のアルゴリズムで正しいラベリングが可能になります。
 　　　入力画像の大きさが、縦横がそれぞれ、LX、LY の場合、LX+2、LY+2 の大きさのエリアを確保し、エリアの境界
 　　　の値を全て、背景を表す値（０）にし、その内側に入力画像を展開します。展開後、画像データに対し、ラベリング
 　　　処理を施し、結果を 関数名.cfg 関数名.lbl ファイルとして保存します。
 　　　cfg、lbl ファイルの詳細は、"1B　ラベルファイルの構成"を参照して下さい。
 　　　ラベルデータは単なる自然数で可読性が劣るので、同時に擬似カラー化し、画像としての確認を可能にします。
　　　 ラベルデータ（0～0xffffff）から擬似カラーデータ変換は可逆変換を採用していますので、擬似カラーデータから、
　　　 ラベルデータ値を知る事が出来ます。変換方法は、擬似カラーデータをラベルデータに変換するプログラム
　　　 unsigned int pseudoColor2Int( unsigned int v ) を使用してください。（"1B　ラベルファイルの構成"を参照）
　　　 ラベルデータの形式に関しては、"1B　ラベルファイルの構成"を参照してください。　またラベルデータを利用する
　　　 例に関しては、"画像データとラベルデータの処理用サンプルプログラム（C言語）の実施例"を参照下さい。
　　　 実行形式は、Windows XP SP3 環境での動作を確認しています。

ファイル名	機能	nd5sum
bmpCalc1.zip	BMP形式の画像間での演算	ae63df77d9024b17641a0ab39b776922
op4bmp.zip	BMP形式の画像間での演算	49f1b1a07bceefc9a8bfa296b09661ae

説明に先立ち、まずサンプルプログラムを用意しました。

　　　op4bmp.zip
　　　・カラーBMP画像間（画像同士又は、画像と数値）で算術或いは論理演算を行うプログラム
　　　 動的２次元配列、動的３次元配列の確保を実装したインクルードファイル　allocArray.h
　　　 alloc2D、alloc3D、alloc2Darray、alloc3Darray、calloc2Darray、calloc3Darray、malloc2Darray、malloc3Darray、
　　　 で確保した領域(へのポインタ)は、使用後 free() 関数を用いて開放してください。
　　　 24/32ビットのBMPファイルを読み込み、カラー画像を２次元の配列としてアクセス可能にし、同時に処理結果を
　　　 格納する２次元の配列を生成して、画像処理プログラム（サブルーチン）を呼び出します。
　　　 動的２次元配列（２次元配列として管理するインデックス部とデータを格納するデータ領域）が生成されます。
　　　 データを格納するデータ領域に直接アクセスする場合は、配列の最初のアドレス(&arry[0][0])から、横×縦個の
　　　 連続したデータ並びとして参照します。単項演算では、入力画像の反転（ネガポジ）と特定の値の設定が行えます。
　　　 画像間演算（画像同士の演算或いは、画像と数値の演算）には算術演算と論理演算の二種類があります。
　　　 論理演算では、AND、OR、EXOR が行え、算術演算では、ADD、SUB、MUL、DIV の演算が行えます。
　　　 数値を指定する場合は、0～255 0xff の範囲。　set　コマンド用に数値のチェックは意図的行っていないので、
　　　 利用時には注意してください。　( set コマンドは、BGRA構成の画素を４バイト整数として見做して処理）
　　　 カラー画像は、RGBそれぞれが符号なし 8 ビットなので、0～255 の値しか保持できません、乗算、加算処理時に
　　　 結果が 255 を超えた場合は、255 がセットされます。減算処理時に値が負になった場合は、0 がセットされます。
　　　 サブルーチンの終了ステータスを 0 （正常） で終了し、処理結果を32ビットのBMPファイルとして保存します。
　　　 実行形式は、Windows XP SP3 環境での動作を確認しています。

　　　 補足事項
　　　 ポインターのサイズは、対象の如何に関わらず一律の大きさとなります。そのサイズは、システムがアクセスする
　　　 事が可能な任意の場所を指定出来る大きさ（32ビット環境なら４バイト、64ビット環境なら８バイト）となります。
　　　 void のポインタも、関数のポインタも、ポインタのポインタも大きさは同じです。

ラベリングデータを利用した画像処理例

md5sum: e96c4278e6716a121e7bc6a5f271f42e

Tutorial

まずは、プログラムの公開を行います。
次回は、詳しく説明を行います。

補足事項

プログラムは、windows.h を必要としないように記述さえれていますが、以下のプログラムがパスする環境が必要です

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#pragma pack(push,1)
typedef struct PIXEL { unsigned char B, G, R, A; } PIXEL ;
#pragma pack(pop)

#pragma pack(push,2)
typedef struct HEADER {
    unsigned short bfType;          // 0x4D42 BMP identification 0x42='B', 0x4D='M'
    unsigned int   bfSize;          // ??  
    unsigned short bfReserved1;     //  0  
    unsigned short bfReserved2;     //  0  
    unsigned int   bfOffBits;       // 54  sizeof(HEADER)
    unsigned int   biSize;          // 40 sizeof(biSize ～ biClrImportant)
    signed int     biWidth;         // lx 
    signed int     biHeight;        // ly 
    unsigned short biPlanes;        //  1 
    unsigned short biBitCount;      // 32 
    unsigned int   biCompression;   //  0 
    unsigned int   biSizeImage;     // ?? 
    signed int     biXPelsPerMeter; //  0 
    signed int     biYPelsPerMeter; //  0 
    unsigned int   biClrUsed;       //  0 
    unsigned int   biClrImportant;  //  0 
} HEADER ;
#pragma pack(pop)

void environmentalConditionCheck()
{
    if( (sizeof(int)!=4) || (sizeof(PIXEL)!=4) || (sizeof(HEADER)!=54) ) {
        fprintf( stderr, "\nBad environmental condition.\n" ) ;
        fprintf( stderr, "\tsizeof(int)    must be  4 Byte. (%d)\n", sizeof(int) ) ;
        fprintf( stderr, "\tsizeof(PIXEL)  must be  4 Byte. (%d)\n", sizeof(PIXEL) ) ;
        fprintf( stderr, "\tsizeof(HEADER) must be 54 Byte. (%d)\n", sizeof(HEADER) ) ;
        exit(1) ;
    }
}

int main(){ environmentalConditionCheck(); return 0; }