情報画像工学実験I-1

(1)

情報画像工学実験I-1

第二週：画像ファイル

担当: 山口匡

T A: 松尾宏 (M1)

宮内裕輔 (M1)

(2)

レポートについて（概要）

提出先：1号棟501室前ポスト

期限：次の実験の開始前まで

表紙：学科所定の表紙

http://www.tj.chiba-u.jp/jikken.html

サイズ： A4レポート用（印刷の場合は白紙）

製本：左閉じ（2箇所）

Tex， Wordなどのツールを使っての作成が

望ましい（手書きの場合，鉛筆書きは不可）

情報画像工学実験レポート

実験項目：実験1

実験実施日:

レポート提出日:

提出者:

(3)

レポートについて（内容）

実験の目的

課題の表題

課題の目的

ソースプログラム

（コメント文は必須）

指定と異なる点・改良点

などの説明

課題の考察

実験の考察

実験1に対する意見・感想

情報画像工学実験レポート

プログラムソース

は2カラム印刷

計算機室で印刷

すること

/* kadai2.c */

#i

ncl

u

de <stdi

o

.h>

左が上になる

ように

綴

じる

(4)

レポートについて（注意点）

各課題について，表題から考察までを記載すること

追加機能や仕様変更がある場合は，その旨を記載

すること

読みやすいプログラムとレポートは好印象

サンプルプログラムの丸写しは不可

人のプログラムの丸写しも不可

必修課題については必ず提出すること

(5)

(6)

バイナリ形式

バイナリー（Binary）とは、「0」と「1」の2種類の

数字で表現する2進数の意味

2進数で表されたデータ（バイナリー・データ）や

実行形式のプログラム（バイナリー・コード）を

バイナリー形式と言う

計算機で扱うデータは、テキスト形式でなければ

バイナリー形式である

(7)

バイナリ形式の長所・短所

長所：

- 保存するデータに制約がない

- 多彩な表現の情報を保存・交換することが可能

（任意のヘッダ情報を付加することができる）

短所：

- ファイルフォーマットが分からないと内容を読む

ことができない

- 互換性に劣る（テキスト形式に比較して）

(8)

バイナリデータとは（ 8 bitの例）

00

08

54

04

09

49 3C

10

38

46 2F

21 3F

0B

01

39

19 0E

41

60

56 3B

59

57 FF

0

8

84

4

9

73

60

16

56

70

47

33

63

11

1

57

25

14

65

96

86

59

89

87

255 00000000

00001000

01010100

00000100

00001001

01001001

00111100

00010000

00111000

01000110

00101111

00100001

00111111

00001011

00000001

00111001

00011001

00001110

01000001

01100000

01010110

00111011

01011001

01010111

11111111

10進数 : 人が理解しやすい

16進数 : 計算機が考えやすい

2進数 : 実際のメモリ内容

_{8 bit ＝ 1 byte}

2進数を示す箱が

8個（8桁分）ある

0 ～ 255を表現

できる

(9)

バイナリデータとは（ 8 bitの例）

73 60

4

9

3 C

0

1

0

1

0

1

0

1

0

0 10進数

16進数

2進数

0x49 ＝ 4×16

1 _＋9×16

0 _{＝ 73}

01001001 ＝ 0×2

7 _{＋ 1×2}

6 _{＋ 0×2}

5 _{＋ 0×2}

4 ＋ 1×2

3 _{＋ 0×2}

2 _{＋ 0×2}

1 _{＋ 1×2}

0 ＝ 73

＝ 0x ( 0×2

3 _{＋ 1×2}

2 _{＋ 0×2}

1 _{＋ 0×2}

0 _),

0x ( 1×2

3 _{＋ 0×2}

2 _{＋ 0×2}

1 _{＋ 1×2}

0 ₎

＝ 0x 49

下位のデータ

上位のデータ

最下位のデータ

最上位のデータ

(10)

fread/ fwrite関数

fread( buf, サイズ, カウント, fp);

・引数に指定したファイルポインタの初期位置から

サイズ（ byte単位）毎にカウント（最大値）まで

データを読み込む

・実際に読み込まれたデータの数を返す

例．

size = fread( buf, sizeof(long), 100, fp);

※ intやlongなど，計算機環境によってサイズ（ byte数）が

異なることがあるため，sizeof演算子でデータ型の大きさ

（バイト単位）を計算するのがよい

fwrite( buf, サイズ, カウント, fp);

・引数に指定したファイルポインタの初期位置から

サイズ毎にカウントまでデータを書き込む

(11)

例題：簡単な画像を扱ってみる

(0,0)

(0,31)

(31,0)

(31,31)

32画素×32画素の二次元画像

がバイナリ形式で保存されている

（

imgsample.img

)

各画素の中身はchar型

0 1 byte 125 のいづれか

255 fread関数を使って一次元の配列

にデータを読み込む

は1画素をあらわしている

(12)

例題：簡単な画像を扱ってみる

/*

img_read.c

*/

#include <stdio.h>

int main(void)

{

FILE *fp;

char data[2000];

/* ファイルから読み込むデータを格納 */

if(( fp = fopen( “imgsample.img", "rb" )) == NULL ){

puts( "入力ファイルが見つかりません" );

return (1);

}

fread( data, 1, 32*32 , fp );

/* 2次元のデータを一次元配列に */

/* 1byte ( 1画素，1文字 )ずつ読み込み */

fclose( fp );

/* dataには画像データが保存されているので、各種の処理ができる */

return (0);

}

(13)

例題：簡単な画像を扱ってみる

00000000000000000000000000000000 000-10000000-100000000000000000000 000-10000000-100000000000000000000 000-10000-1-1-1-1-1-1-100000000000000000 000-10000000-100000000000000000000 000-10000000-100000000000000000000 000-10000-1-1-1-1-1-1-100000000000000000 0-10-10-100000-100000000000000000000 0-10-10-100000-100000000000000000000 0-10-10-10-1-1-1-1-1-1-1-1-10000000000000000 0-10-10-100000000000000000000000000 0-10-10-100-1-1-1-1-1-1-100000000000000000 0-10-10-100-100000-100000000000000000 000-10000-100000-100000000000000000 000-10000-1-1-1-1-1-1-100000000000000000 000-10000-100000-1001251251251251251251251251251251250000 000-10000-100000-10000000125000000000 000-10000-1-1-1-1-1-1-10000000125000000000 000-10000-100000-1001251251251251251251251251251251250000 000-10000-100000-100125000012500001250000 00000000000000000125000012500001250000 00000000000000000125000012500001250000 0000000000000012500125125125125125125125125125125125001250 000000000000001250012500001250000125001250 000000000000001250012500001250000125001250 000000000000001250012500001250000125001250 0000000000000012500125125125125125125125125125125125001250 000000000000001250000000000000001250 000000000000001250000000000000001250 000000000000001251251251251251251251251251251251251251251251251250 00000000000000000000000000000000 00000000000000000000000000000000

dataの中身を元通りに

二次元に並び替えて

10進数のテキストで表示

すると左のようになります

どのような画像なのか

分かりませんね

※この出力結果は、計算機

環境によって異なります

(14)

例題：簡単な画像を扱ってみる

プログラム img_read.c を改良し、

dataに読み込まれたデータのうち、

0 を ‘ ’ （半角スペース）

125 を ‘&’ （半角アンド）

それ以外を ‘@’ （半角アットマーク）

で表現して標準出力に表示するとプログラムを

作成しなさい

※1: 一次元の配列を二次元のように扱うためには

data[ ]の添え字をどうすればよいのか？

※2: 記号を全角にすると2byte使ってしまうので注意

(15)

(16)

課題３： BMPファイルの入出力

24 bit （ 1677万色）のWindows Bitmap形式で保存

された画像ファイル

bmpsample.bmp

を読み込み，

Red，Blue，Greenのいづれかの色情報のみを残し

て他の色情報を排除した画像を作成しなさい

bmpsample.bmpの画像サイズ（縦×横の大きさ）

はヘッダ情報を読み込むことで認識しなさい

作成するファイルは縦・横の画素数および色数

が元画像と同じままのWindows Bitmap形式とする

(17)

元の画像

Redだけ

Blue＋Green

Green

だけ2倍

(18)

参考資料

(19)

BMPファイル全体の構造

BMP フォーマットはヘッダの種類によって Windows Bitmap と OS/2 Bitmap

の2種類に分けられる。これらの2つのフォーマットは，ヘッダのサイズが

異なっている。

BMP ファイル全体の構造

ファイルヘッダ

BITMAPFILEHEADER (14byte)

情報ヘッダ

BITMAPINFOHEADER (Windows)

または

BITMAPCOREHEADER (OS/2)

+

カラーパレット(1, 4, 8 bit の場合必要)

画像データ

※ カラーパレーットがない場合、各画素に割り振られた値は

そのまま色（または明るさ）を示す。

カラーパレットがある場合は、各画素の値はパレットを参照

するための値であり、色（または明るさ）はパレットで定義

されたものとなる。

(20)

ファイルヘッダ

[BITMAPFILEHEADER]

最初に

14 byte 固定

のファイルヘッダ部分がある。

最初の 2 byte が

“BM”

かどうかで、ビットマップファイルが識別される。

BITMAPFILEHEADER

bfType

2 byte

ファイルタイプ

'BM' - OS/2, Windows

Bitmap

bfSize

4 byte

ファイルサイズ (byte)

bfReserved1

2 byte

予約領域

常に 0

bfReserved2

2 byte

予約領域

常に 0

bfOffBits

4 byte

ファイル先頭から画像データま

でのオフセット (byte)

(21)

情報ヘッダ < Windows >

[

BITMAPINFOHEADER

]

BITMAPINFOHEADER (1)

biSize

4 byte

情報ヘッダのサイズ (byte)

40 byte

biWidth

4 byte

画像の幅 (ピクセル)

biHeight

4 byte

画像の高さ (ピクセル)

biHeight の値が正数なら，画像データは

下から上へ

biHeight の値が負数なら，画像データは

上から下へ

biPlanes

2 byte

プレーン数

常に 1

biBitCount

2 byte

1 画素あたりのデータサイズ (bit)

1 - 2 色ビットマップ

4 - 16 色ビットマップ

8 - 256 色ビットマップ

16 - 65536色(high color)ビットマップ

24 - 1677万色(true color)ビットマップ

32 - 1677万色(true color)ビットマップ

biCopmression

4 byte

圧縮形式

0 - BI_RGB (無圧縮)

1 - BI_RLE8 (RunLength 8 bits/pixel)

2 - BI_RLE4 (RunLength 4 bits/pixel)

3 – Bitfields

(22)

情報ヘッダ < Windows >

[

BITMAPINFOHEADER

]

BITMAPINFOHEADER (2)

biSizeImage

4 byte

画像データ部のサイズ (byte)

96dpi ならば3780

0 の場合もある

biXPixPerMeter

4 byte

横方向解像度 (1mあたりの画素

数)

96dpi ならば3780

0 の場合もある

biYPixPerMeter

4 byte

縦方向解像度 (1mあたりの画素

数)

96dpi ならば3780

0 の場合もある

biClrUsed

4 byte

格納されているパレット数 (使用

色数)

0 の場合もある

biCirImportant

4 byte

重要なパレットのインデックス

0 の場合もある

(23)

情報ヘッダ < OS/2 >

[

BITMAPCOREHEADER ]

BITMAPCOREHEADER

biSize

4 byte

情報ヘッダのサイズ (byte)

12 byte

bcWidth

2 byte

画像の幅 (ピクセル)

bcHeight

2 byte

画像の高さ (ピクセル)

bcHeight の値が正数なら，画像データは

下から上へ

bcHeight の値が負数なら，画像データは

上から下へ

bcPlanes

2 byte

プレーン数

常に 1

bcBitCount

2 byte

1画素あたりのデータサイズ (bit)

1 - 2 色ビットマップ

4 - 16 色ビットマップ

8 - 256 色ビットマップ

16 - 65536色(high color)

24 - 1677万色(true color)ビットマップ

32 - 1677万色(true color)ビットマップ

(24)

Windows BMP 24bit の構成

42 4D

・

BITMAPFILEHEADER ( 14 byte )

BITMAPINFOHEADER ( 40 byte )

Data ( 任意のサイズ )

0x42 が ‘B’ をあらわす

0x4D は？

は1 byte を示しているおり，16進数で表記している。実際は

8個のメモリに2進数で保存されている

実際には

(25)

Windows BMP 24bit のデータ構造

(31,0)

(31,31)

(0,0)

(0,31)

32画素×32画素のWindows BMP

画像データは基本的に左下から

右上へ向かって並んでいるので、

モニタに表示されるものとは並び順

が異なる

（ BITMAPINFOHEADER の biHeight で決まる）

各画素は Blue (8bit), Green (8bit),

Red (8bit) の 3 byteで表現される。

たとえば、この画素(5,30)が白で、(5,31)が

黒だとすると

FF

00

00 (5,30)

(5,31)

1

1 (16進数)

(2進数)

実際の計算機に保存されているのは

は1画素をあらわしている

(26)

ヘッダを読み込む際の注意事項

例．BITMAPINFOHEADER の biSize ：情報ヘッダのサイズ

・ Windows BMP の場合、biSize の値は常に

40 byte

・ biSize は

4 byte

で保存されている

下のように temp_long に 4 byte を読み込んでみると

long temp_long;

fread ( &temp_long, 4, 1 , fpr ); /* 情報ヘッダサイズ */

long infohead_size = temp_long;

← 40.0

10進数の40を、4 byte の16進数で表現すると

0x00000028

（ 2×16 ＋ 8 = 40）

計算機の中では右図のように

格納されている

（ Intel系の計算機など）

28

00

00 上位データ

下位データ

(27)

ヘッダを読み込む際の注意事項

long temp_long;

fread ( &temp_long, 4, 1 , fpr );

temp_long の中身は

0x00000028

・・・ ①

であれば問題ないのだが・・・

右図のように認識する計算機もある

（ Motorola系の計算機）など

この場合の tmp_long の中身は

0x28000000

・・・ ②

こんなに違う

①： 0x00000028 ＝ 40 )

₁₀

②： 0x28000000 ＝671088640 )

₁₀

28

00

00 上位データ

下位データ

上位データ

データ

28

00

00 _データ

データ

(28)

エンディアン

0x0123ABFF

リトルエンディアン

上位データ

0x0123ABFF

ビッグエンディアン

FF

AB

23

01 上位データ

下位データ

上位データ

処理（書込）の順番

データ

01

23 AB

FF

_データ

データ

＜計算機室のシステムはこちらに準拠＞

＜今回使うBMPファイルはこちらに準拠＞

たとえば 0x0123ABFF を格納する場合に、2つの方式がある。

(29)

エンディアンが異なると

上下のbyteで中身を入れ替えないと、正しい値を得られない。

情報画像工学実験I-1