数字图像处理实验指导书.docx
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数字图像处理实验指导书
《数字图像处理》实验指导书
实验内容
实验一Windows位图(Bitmap)显示…………………………………184
实验二直方图修正和彩色变换…………………………………………193
实验三图象的几何变换…………………………………………………206
实验四图象的平滑和锐化………………………………………………232
实验五图象的压缩编码…………………………………………………244
实验一Windows位图(Bitmap)显示
一、实验目的
1、掌握Windows的位图文件(.bmp文件)的格式;
2、掌握Windows的位图文件的显示方法。
二、实验要求
3、认真阅读和掌握本实验的程序。
4、上机运行本程序。
5、保存和打印出程序的运行结果,并结合程序进行分析。
三、实验内容
1读取Bmp文件格式
介绍完位图和调色板的概念,bmp文件大体上分成四个部分,如图所示。
图Windows位图文件结构示意图
第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER,是一个结构,其定义如下:
typedefstructtagBITMAPFILEHEADER{
WORDbfType;
DWORDbfSize;
WORDbfReserved1;
WORDbfReserved2;
DWORDbfOffBits;
}BITMAPFILEHEADER;
这个结构的长度是固定的,为14个字节(WORD为无符号16位整数,DWORD为无符号32位整数),各个域的说明如下:
bfType
指定文件类型,必须是0x424D,即字符串"BM",也就是说所有.bmp文件的头两个字节都是"BM"
bfSize
指定文件大小,包括这14个字节
bfReserved1,bfReserved2
为保留字,不用考虑
bfOffBits
为从文件头到实际的位图数据的偏移字节数,即图中前三个部分的长度之和。
第二部分为位图信息头BITMAPINFOHEADER,也是一个结构,其定义如下:
typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{
DWORDbiSize;
LONGbiWidth;
LONGbiHeight;
WORDbiPlanes;
WORDbiBitCount
DWORDbiCompression;
DWORDbiSizeImage;
LONGbiXPelsPerMeter;
LONGbiYPelsPerMeter;
DWORDbiClrUsed;
DWORDbiClrImportant;
}BITMAPINFOHEADER;
这个结构的长度是固定的,为40个字节(WORD为无符号16位整数,DWORD无符
号32位整数,LONG为32位整数),各个域的说明如下:
biSize
指定这个结构的长度,为40
biWidth
指定图象的宽度,单位是象素
biHeight
指定图象的高度,单位是象素
biPlanes
必须是1,不用考虑
biBitCount
指定表示颜色时要用到的位数,常用的值为1(黑白二色图),4(16色图),8(256色),24(真彩色图)。
biCompression
指定位图是否压缩,有效的值为BI_RGB,BI_RLE8,BI_RLE4,BI_BITFIELDS(都是一些Windows定义好的常量)。
要说明的是,Windows位图可以采用RLE4,和RLE8的压缩格式,但用的不多。
我们今后所讨论的只有第一种不压缩的情况,即biCompression为BI_RGB的情况。
biSizeImage
指定实际的位图数据占用的字节数,其实也可以从以下的公式中计算出来:
biSizeImage=biWidth'*biHeight
要注意的是:
上述公式中的biWidth必须是4的整倍数(所以不是biWidth,而是biWidth',表示大于或等于biWidth的,离4最近的整倍数。
举个例子,如果biWidth=240,则biWidth'=240;如果biWidth=241,biWidth'=244)如果biCompression为BI_RGB,则该项可能为零
biXPelsPerMeter
指定目标设备的水平分辨率,单位是每米的象素个数,关于分辨率的概念,我们将在打印部分详细介绍。
biYPelsPerMeter
指定目标设备的垂直分辨率,单位同上。
biClrUsed
指定本图象实际用到的颜色数,如果该值为零,则用到的颜色数为2的biBitCount次方。
biClrImportant
指定本图象中重要的颜色数,如果该值为零,则认为所有的颜色都是重要的。
第三部分为调色板(Palette),当然,这里是对那些需要调色板的位图文件而言的。
有些位图,如真彩色图,前面已经讲过,是不需要调色板的,BITMAPINFOHEADER后直接是位图数据。
调色板实际上是一个数组,共有biClrUsed个元素(如果该值为零,则有2的biBitCount次方个元素)。
数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构,占4个字节,其定义如下:
typedefstructtagRGBQUAD{
BYTErgbBlue;//该颜色的蓝色分量
BYTErgbGreen;//该颜色的绿色分量
BYTErgbRed;//该颜色的红色分量
BYTErgbReserved;//保留值
}RGBQUAD;
第四部分就是实际的图象数据了。
对于用到调色板的位图,图象数据就是该像素颜在调色板中的索引值,对于真彩色图,图象数据就是实际的R,G,B值。
下面就2色,16色,256色位图和真彩色位图分别介绍。
对于2色位图,用1位就可以表示该像素的颜色(一般0表示黑,1表示白),所以一个字节可以表示8个像素。
对于16色位图,用4位可以表示一个像素的颜色,所以一个字节可以表示2个像素。
对于256色位图,一个字节刚好可以表示1个像素。
对于真彩色图,三个字节才能表示1个像素。
要注意两点:
(1).每一行的字节数必须是4的整倍数,如果不是,则需要补齐。
这在前面介绍biSizeImage时已经提到了。
(2).一般来说,.BMP文件的数据从下到上,从左到右的。
也就是说,从文件中最先读到的是图象最下面一行的左边第一个像素,然后是左边第二个像素…接下来是倒数第二行左边第一个像素,左边第二个像素…依次类推,最后得到的是最上面一行的最右一个像素。
2显示一个bmp文件的C程序
下面的函数LoadBmpFile,其功能是从一个.bmp文件中读取数据(包括BITMAPINFOHEADER,调色板和实际图象数据)将其存储在一个全局内存句柄hImgData中,这个hImgData将在以后的图象处理程序中用到。
同时填写一个类型为HBITMAP的全局变量hBitmap和一个类型为HPALETTE的全局变量hPalette。
这两个变量将在处理WM_PAINT消息时用到,用来显示出位图。
该函数的两个参数分别是用来显示位图的窗口句柄,和.bmp文件名(全路径),当函数成功时,返回TRUE,否则返回FALSE
BITMAPFILEHEADERbf;
BITMAPINFOHEADERbi;
BOOLLoadBmpFile(HWNDhWnd,char*BmpFileName)
{
HFILEhf;//文件句柄
LPBITMAPINFOHEADERlpImgData;//指向BITMAPINFOHEADER结构的指针
LOGPALETTE*pPal;//指向逻辑调色板结构的指针
LPRGBQUADlpRGB;//指向RGBQUAD结构的指针
HPALETTEhPrevPalette;//用来保存设备中原来的调色板
HDChDc;//设备句柄
HLOCALhPal;//存储调色板的局部内存句柄
DWORDLineBytes;//每一行的字节数
DWORDImgSize;//实际的图象数据占用的字节数
DWORDNumColors;//实际用到的颜色数,即调色板数组中的颜色个数
DWORDi;
if((hf=_lopen(BmpFileName,OF_READ))==HFILE_ERROR){
MessageBox(hWnd,"Filec:
\\test.bmpnotfound!
","ErrorMessage",
MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);
returnFALSE;//打开文件错误,返回
}
//将BITMAPFILEHEADER结构从文件中读出,填写到bf中
_lread(hf,(LPSTR)&bf,sizeof(BITMAPFILEHEADER));
//将BITMAPINFOHEADER结构从文件中读出,填写到bi中
_lread(hf,(LPSTR)&bi,sizeof(BITMAPINFOHEADER));
/*我们定义了一个宏#defineWIDTHBYTES(i)((i+31)/32*4),上面曾经提到过,每一行的字节数必须是4的整倍数,只要调用WIDTHBYTES(bi.biWidth*bi.biBitCount)就能完成这一换算.举一个例子,对于2色图,如果图象宽是31,则每一行需要31位存储,合3个字节加7位,因为字节数必须是4的整倍数,所以应该是4,而此时的biWidth=31,biBitCount=1,WIDTHBYTES(31*1)=4,和我们设想的一样。
再举一个256色的例子,如果图象宽是31,则每一行需要31个字节存储,因为字节数必须是4的整倍数,所以应该是32,而此时的biWidth=31,biBitCount=8,WIDTHBYTES(31*8)=32,和我们设想的一样。
你可以多举几个例子来验证一下*/
//LineBytes为每一行的字节数
LineBytes=(DWORD)WIDTHBYTES(bi.biWidth*bi.biBitCount);
//ImgSize为实际的图象数据占用的字节数
ImgSize=(DWORD)LineBytes*bi.biHeight;
//NumColors为实际用到的颜色数,即调色板数组中的颜色个数
if(bi.biClrUsed!
=0)
NumColors=(DWORD)bi.biClrUsed;//如果bi.biClrUsed不为零,就是本图象实际
//用到的颜色数
else//否则,用到的颜色数为2的biBitCount次方。
switch(bi.biBitCount){
case1:
NumColors=2;
break;
case4:
NumColors=16;
break;
case8:
NumColors=256;
break;
case24:
NumColors=0;//对于真彩色图,没用到调色板
break;
default:
//不处理其它的颜色数,认为出错。
MessageBox(hWnd,"Invalidcolornumbers!
","ErrorMessage",
MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);
_lclose(hf);
returnFALSE;//关闭文件,返回FALSE
}
if(bf.bfOffBits!
=(DWORD)(NumColors*sizeof(RGBQUAD)+sizeof(BITMAPFILEHEADER)
+sizeof(BITMAPINFOHEADER)))
{
//计算出的偏移量与实际偏移量不符,一定是颜色数出错
MessageBox(hWnd,"Invalidcolornumbers!
","ErrorMessage",
MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);
_lclose(hf);
returnFALSE;//关闭文件,返回FALSE
}
bf.bfSize=sizeof(BITMAPFILEHEADER)+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+NumColors
*sizeof(RGBQUAD)+ImgSize;
//分配内存,大小为BITMAPINFOHEADER结构长度加调色板+实际位图数据
if((hImgData=GlobalAlloc(GHND,(DWORD)(sizeof(BITMAPINFOHEADER)+
NumColors*sizeof(RGBQUAD)+ImgSize)))==NULL)
{
//分配内存错误
MessageBox(hWnd,"Errorallocmemory!
","ErrorMessage",
MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);
_lclose(hf);
returnFALSE;//关闭文件,返回FALSE
}
//指针lpImgData指向该内存区
lpImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)GlobalLock(hImgData);
//文件指针重新定位到BITMAPINFOHEADER开始处
_llseek(hf,sizeof(BITMAPFILEHEADER),SEEK_SET);
//将文件内容读入lpImgData
_hread(hf,(char*)lpImgData,(long)sizeof(BITMAPINFOHEADER)
+(long)NumColors*sizeof(RGBQUAD)+ImgSize);
_lclose(hf);//关闭文件
if(NumColors!
=0)//NumColors不为零,说明用到了调色板
{
//为逻辑调色板分配局部内存,大小为逻辑调色板结构长度加NumColors个
//PALETTENTRY大小
hPal=LocalAlloc(LHND,sizeof(LOGPALETTE)+NumColors*sizeof(PALETTEENTRY));
//指针pPal指向该内存区
pPal=(LOGPALETTE*)LocalLock(hPal);
//填写逻辑调色板结构的头
pPal->palNumEntries=NumColors;
pPal->palVersion=0x300;
//lpRGB指向的是调色板开始的位置
lpRGB=(LPRGBQUAD)((LPSTR)lpImgData+(DWORD)sizeof(BITMAPINFOHEADER));
//填写每一项
for(i=0;i{
pPal->palPalEntry[i].peRed=lpRGB->rgbRed;
pPal->palPalEntry[i].peGreen=lpRGB->rgbGreen;
pPal->palPalEntry[i].peBlue=lpRGB->rgbBlue;
pPal->palPalEntry[i].peFlags=(BYTE)0;
lpRGB++;//指针移到下一项
}
//产生逻辑调色板,hPalette是一个全局变量
hPalette=CreatePalette(pPal);
//释放局部内存
LocalUnlock(hPal);
LocalFree(hPal);
}
//获得设备上下文句柄
hDc=GetDC(hWnd);
if(hPalette)//如果刚才产生了逻辑调色板
{
//将新的逻辑调色板选入DC,将旧的逻辑调色板句柄保存在hPrevPalette
hPrevPalette=SelectPalette(hDc,hPalette,FALSE);
RealizePalette(hDc);
}
//产生位图句柄
hBitmap=CreateDIBitmap(hDc,(LPBITMAPINFOHEADER)lpImgData,(LONG)CBM_INIT,
(LPSTR)lpImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+NumColors*sizeof(RGBQUAD),
(LPBITMAPINFO)lpImgData,DIB_RGB_COLORS);
//将原来的调色板(如果有的话)选入设备上下文句柄
if(hPalette&&hPrevPalette)
{
SelectPalette(hDc,hPrevPalette,FALSE);
RealizePalette(hDc);
}
ReleaseDC(hWnd,hDc);//释放设备上下文
GlobalUnlock(hImgData);//解锁内存区
ReturnTRUE;//成功返回
}
上面的程序中,要说明的有两点:
第一,对于需要调色板的图,要想正确的显示,必须根据.bmp文件,产生逻辑调色板。
产生的方法是:
1.为逻辑调色板指针分配内存,大小为逻辑调色板结构(LOGPALETTE)长度加NumColors个PALETTENTRY大小。
(调色板的每一项都是一个PALETTEENTRY结构),2.填写逻辑调色板结构的头pPal->palNumEntries=NumColors;pPal->palVersion=0x300;3.从文件中读取调色板的RGB值,填写到每一项中。
4,产生逻辑调色板:
hPalette=CreatePalette(pPal)
第二,产生位图(BITMAP)句柄,该项工作由函数CreateDIBitmap来完成。
hBitmap=CreateDIBitmap(hDc,LPBITMAPINFOHEADER)lpImgData,(LONG)CBM_INIT,
(LPSTR)lpImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER)+NumColors*sizeof(RGBQUAD),
(LPBITMAPINFO)lpImgData,DIB_RGB_COLORS);
CreateDIBitmap的作用是产生一个和Windows设备无关的位图。
该函数的第一项参数为设备上下文句柄,如果位图用到了调色板,要在调用CreateDIBitmap之前将逻辑调色板选入该设备上下文中,产生hBitmap后,再把原调色板选入该设备上下文中,并释放该上下文;第二项为指向BITMAPINFOHEADER的指针;第三项就用常量CBM_INI,不用考虑;第四项为指向调色板的指针;第五项为指向BITMAPINFO(包括BITMAPINFOHEADER,调色板,及实际的图象数据)的指针;第六项就用常量DIB_RGB_COLORS,不用考虑。
上面提到了设备上下文,相信编过Windows程序的读者对它并不陌生,这里再简单的介绍一下。
Windows操作系统统一管理着诸如显示,打印等操作,将它们看作是一个个的设备,每一个设备都有一个复杂的数据结构来维护。
所谓设备上下文就是指这个数据结构。
然而,我们不能直接和这些设备上下文打交道,只能通过引用标识它的句柄(实际上是一个整数),让Windows去做相应的处理。
产生的逻辑调色板句柄hPalette和位图句柄hBitmap要在处理WM_PAINT消息时使用,这样才能在屏幕上显示出来,处理过程如下面的程序。
StaticHDChDC,hMemDC;
PAINTSTRUCTps;
caseWM_PAINT:
{
hDC=BeginPaint(hwnd,&ps);//获得屏幕设备上下文
if(hBitmap)//hBitmap一开始是NULL,当不为NULL时表示有图
{
hMemDC=CreateCompatibleDC(hDC);//建立一个内存设备上下文
if(hPalette)//有调色板
{
//将调色板选入屏幕设备上下文
SelectPalette(hDC,hPalette,FALSE);
//将调色板选入内存设备上下文
SelectPalette(hMemDC,hpalette,FALSE);
RealizePalette(hDC);
}
//将位图选入内存设备上下文
SelectObject(hMemDC,hBitmap);
//显示位图
BitBlt(hDC,0,0,bi.biWidth,bi.biHeight,hMemDC,0,0,SRCCOPY);
//释放内存设备上下文
DeleteDC(hMemDC);
}
//释放屏幕设备上下文
EndPaint(hwnd,&ps);
break;
}
在上面的程序中,我们调用CreateCompatibleDC创建一个内存设备上下文。
SelectObject函数将于设备无关的位图选入内存设备上下文中。
然后我们调用BitBlt函数在内存设备上下文和屏幕设备上下文中进行位拷贝。
由于所有操作都是在内存中进行,所以是最快的。
BitBlt函数的参数分别为:
1.目标设备上下文,在上面的程序里,为屏幕设备上下文,如果改成打印设备上下文,就不是显示位图,而是打印;2.目标矩形左上角点x坐标;3.目标矩形左上角点y坐标,在上面的程序中,2和3为(0,0),表示显示在窗口的左上角;4.目标矩形的宽度;5.目标矩形的高度;6.源设备上下文,在上面的程序里,为内存设备上下文;7.源矩形左上角点x坐标;8.源矩形左上角点y坐标;9.操作方式,在这里为SRCCOPY,表示直接将源矩形拷贝到目标矩形。
还可以是反色,擦除,做“与”运算等操作,具体细节见VC++帮助。
你可以试着改改第2,3,4,5,7,8,9项参数,就能体会到它们的含义了。
实验二直方图修正和彩色变换
一、实验目的
6、掌握数字图像处理中直方图。
;
7、掌握直方图均衡化。
8、掌握灰度转换方法。
二、实验要求
a)认真阅读和掌握本实验的程序。
b)上机运行本程序。
c)保存和打印出程序的运行结果,并结合程序进行分析。
三、实验内容
1.灰度直方图统计(histogram)
图的灰度分布情况可以采用灰度直方图来表示,图中的横坐标表示灰度值,纵坐标表示该灰度值出现的次数(频率)。
如图所示。
灰度直方图
下面的程序显示一幅图的灰度直方图。
有两段程序,第一段统计出每个灰度的像素个数,存放在数组GrayTable[]中,然后产生一个新的窗口,把统计结果显示出来。
第二段程序就是该窗口的消息处理函数。
要注意的是,由于各灰度出现的频率可能相差很大,所以如何将结果显示在有限的窗口范围内,是一个必须考虑的问题。
我们这里的做法是,在所有出现的灰度中,统计出一个最大值max和一个最小值min,假设能显示的窗口最大坐标为270,最小坐标为5,按成比例显示,这样,灰度出现的次数和显示坐标之间呈线形关系,设a*grayhits+b=coordinate,其中grayhits为灰度出现的次数,coordinate为显示坐标,a和b为两个常数。
我们将max和min代入,应该满足a*max+b=270;a*min+b=5
可以解得a=265/(max-min);b=270.0-a*max。
还有一点,不要忘了在WinMain函数中注册那个新产生窗口的窗口类。
intGrayTable[256];
intMaxGrayNum;
intMinGrayNum;
BOOLHistogram(HWNDhWn