图像识别 - C++读取bmp位图入门

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要识别图像中的字符，首先要会处理图像，把图像的信息读出来。这就必须先了解图像的结构，存储方式。清华大学出版的一本《数字图像处理编程入门》给了我不少帮助。第一章的Windows位图和调色板让我对bmp图像有了基本了解。对于彩色图，可以用RGB模型来表示。基本上所有颜色都可以用这三种颜色的组合来形成。但实际上也有一些差别，小于24位图都利用到了调色板，也就是一张R、G、B表，主要是为了节省存储空间。bmp文件结构如下：

图一 bmp位图结构示意图

第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER，是一个结构，其定义如下：

typedef struct tagBITMAPFILEHEADER {

WORD bfType;

DWORD bfSize;

WORD bfReserved1;

WORD bfReserved2;

DWORD bfOffBits;

} 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1.3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：

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{

DWORD biSize;

LONG biWidth;

LONG biHeight;

WORD biPlanes;

WORD biBitCount

DWORD biCompression;

DWORD biSizeImage;

LONG biXPelsPerMeter;

LONG biYPelsPerMeter;

DWORD biClrUsed;

DWORD biClrImportant;

} BITMAPINFOHEADER;

这个结构的长度是固定的，为40个字节(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)(新的.bmp格式支持32位色，这里就不做讨论了)。

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，最接近4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，我们将在第4章详细介绍。

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2biBitCount。

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2biBitCount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：

typedef struct tagRGBQUAD {

BYTE rgbBlue; //该颜色的蓝色分量

BYTE rgbGreen; //该颜色的绿色分量

BYTE rgbRed; //该颜色的红色分量

BYTE rgbReserved; //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，图象数据就是该象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。下面针对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位就可以表示该象素的颜色(一般0表示黑，1表示白)，所以一个字节可以表示8个象素。

对于16色位图，用4位可以表示一个象素的颜色，所以一个字节可以表示2个象素。

对于256色位图，一个字节刚好可以表示1个象素。

对于真彩色图，三个字节才能表示1个象素，哇，好费空间呀！没办法，谁叫你想让图的颜色显得更亮丽呢，有得必有失嘛。

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象素，然后是左边第二个象素……接下来是倒数第二行左边第一个象素，左边第二个象素……依次类推，最后得到的是最上面一行的最右一个象素。

当了解了这些后，就可以将图片灰度化，编程黑白二色图片。再读出bmp文件的像素信息，可以将其存储在一个一维数组里面，其他的信息还有宽度和高度。以后处理图片就是直接对这个数组进行处理。接下来是进行去噪处理。一些图片常常有噪点，对识别效果造成影响，所以必须进行去噪。去噪方法很多。我的做法是对一个像素点作如下处理：取它和周围8个点共9个点的像素的平均值，效果还可以。

接下来的操作我都是参考的一篇哈尔滨工业大学工学硕士学位论文，上面的思路很清晰，感觉很不错。首先是归一化，即将图片编程32*32大小的图片。

另一种方法是非线性归一化，但是上面的求质心和散度公式看不清楚，而且没有告诉怎么用质心和散度去实现归一化。所以我就采用了线性归一化。效果比非线性归一化要差一些。

归一化之后是特征提取。

网格特征就是将32*32的图片分成4*4共16块，每个方块64个小方块。求黑色像素的个数就行了。穿越特征包括水平穿越特征和垂直穿越特征。水平穿越特征即把图片按行分成8行，每行4小行。计算每一行由白色像素到黑色像素的变化次数即可。即得到前8维水平穿越特征t1,t2,..,t8。后8维水平穿越特征利用公式求解。Pi=ti/[(t1+t2+..+t8)*10+0.5]。垂直穿越特征则类似。

16维网格特征、16维水平穿越特征和16维垂直穿越特征合起来总共48维特征。还可以求加权特征，形成64维特征。

最后是模板匹配。根据相应特征值的差值的平方和进行匹配。

#include<math.h>
#include <iomanip.h>
#include <stdlib.h>
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <iostream.h>
#include <fstream.h>//---------------------------------------------------------------------------------------
//以下该模块是完成BMP图像(彩色图像是24bit RGB各8bit)的像素获取，并存在文件名为xiang_su_zhi.txt中
unsigned char *pBmpBuf;//读入图像数据的指针int bmpWidth;//图像的宽
int bmpHeight;//图像的高
RGBQUAD *pColorTable;//颜色表指针int biBitCount;//图像类型，每像素位数//-------------------------------------------------------------------------------------------
//读图像的位图数据、宽、高、颜色表及每像素位数等数据进内存，存放在相应的全局变量中
bool readBmp(char *bmpName)
{FILE *fp=fopen(bmpName,"rb");//二进制读方式打开指定的图像文件if(fp==0)return 0;//跳过位图文件头结构BITMAPFILEHEADERfseek(fp, sizeof(BITMAPFILEHEADER),0);//定义位图信息头结构变量，读取位图信息头进内存，存放在变量head中BITMAPINFOHEADER head;  fread(&head, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1,fp); //获取图像宽、高、每像素所占位数等信息bmpWidth = head.biWidth;bmpHeight = head.biHeight;biBitCount = head.biBitCount;//定义变量，计算图像每行像素所占的字节数（必须是4的倍数）int lineByte=(bmpWidth * biBitCount/8+3)/4*4;//灰度图像有颜色表，且颜色表表项为256if(biBitCount==8){//申请颜色表所需要的空间，读颜色表进内存pColorTable=new RGBQUAD[256];fread(pColorTable,sizeof(RGBQUAD),256,fp);}//申请位图数据所需要的空间，读位图数据进内存pBmpBuf=new unsigned char[lineByte * bmpHeight];fread(pBmpBuf,1,lineByte * bmpHeight,fp);fclose(fp);//关闭文件return 1;//读取文件成功
}//-----------------------------------------------------------------------------------------
//给定一个图像位图数据、宽、高、颜色表指针及每像素所占的位数等信息,将其写到指定文件中
bool saveBmp(char *bmpName, unsigned char *imgBuf, int width, int height, int biBitCount, RGBQUAD *pColorTable)
{//如果位图数据指针为0，则没有数据传入，函数返回if(!imgBuf)return 0;//颜色表大小，以字节为单位，灰度图像颜色表为1024字节，彩色图像颜色表大小为0int colorTablesize=0;if(biBitCount==8)colorTablesize=1024;//待存储图像数据每行字节数为4的倍数int lineByte=(width * biBitCount/8+3)/4*4;//以二进制写的方式打开文件FILE *fp=fopen(bmpName,"wb");if(fp==0)return 0;//申请位图文件头结构变量，填写文件头信息BITMAPFILEHEADER fileHead;fileHead.bfType = 0x4D42;//bmp类型//bfSize是图像文件4个组成部分之和fileHead.bfSize= sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER) + colorTablesize + lineByte*height;fileHead.bfReserved1 = 0;fileHead.bfReserved2 = 0;//bfOffBits是图像文件前3个部分所需空间之和fileHead.bfOffBits=54+colorTablesize;//写文件头进文件fwrite(&fileHead, sizeof(BITMAPFILEHEADER),1, fp);//申请位图信息头结构变量，填写信息头信息BITMAPINFOHEADER head; head.biBitCount=biBitCount;head.biClrImportant=0;head.biClrUsed=0;head.biCompression=0;head.biHeight=height;head.biPlanes=1;head.biSize=40;head.biSizeImage=lineByte*height;head.biWidth=width;head.biXPelsPerMeter=0;head.biYPelsPerMeter=0;//写位图信息头进内存fwrite(&head, sizeof(BITMAPINFOHEADER),1, fp);//如果灰度图像，有颜色表，写入文件 if(biBitCount==8)fwrite(pColorTable, sizeof(RGBQUAD),256, fp);//写位图数据进文件fwrite(imgBuf, height*lineByte, 1, fp);//关闭文件fclose(fp);return 1;}//----------------------------------------------------------------------------------------
//以下为像素的读取函数
void doIt()
{//读入指定BMP文件进内存char readPath[]="nv.BMP";readBmp(readPath);//输出图像的信息cout<<"width="<<bmpWidth<<" height="<<bmpHeight<<" biBitCount="<<biBitCount<<endl;//循环变量，图像的坐标//每行字节数int lineByte=(bmpWidth*biBitCount/8+3)/4*4;//循环变量，针对彩色图像，遍历每像素的三个分量int m=0,n=0,count_xiang_su=0;//将图像左下角1/4部分置成黑色ofstream outfile("图像像素.txt",ios::in|ios::trunc);if(biBitCount==8) //对于灰度图像{              //------------------------------------------------------------------------------------//以下完成图像的分割成8*8小单元，并把像素值存储到指定文本中。由于BMP图像的像素数据是从//左下角：由左往右，由上往下逐行扫描的int L1=0;int hang=63;int lie=0;//int L2=0;//int fen_ge=8;for(int fen_ge_hang=0;fen_ge_hang<8;fen_ge_hang++)//64*64矩阵行循环{ for(int fen_ge_lie=0;fen_ge_lie<8;fen_ge_lie++)//64*64列矩阵循环{ //--------------------------------------------for(L1=hang;L1>hang-8;L1--)//8*8矩阵行{for(int L2=lie;L2<lie+8;L2++)//8*8矩阵列{m=*(pBmpBuf+L1*lineByte+L2);outfile<<m<<" ";count_xiang_su++;if(count_xiang_su%8==0)//每8*8矩阵读入文本文件{outfile<<endl;}}}//---------------------------------------------hang=63-fen_ge_hang*8;//64*64矩阵行变换lie+=8;//64*64矩阵列变换//该一行（64）由8个8*8矩阵的行组成}hang-=8;//64*64矩阵的列变换lie=0;//64*64juzhen}}//double xiang_su[2048];//ofstream outfile("xiang_su_zhi.txt",ios::in|ios::trunc);if(!outfile){cout<<"open error!"<<endl;exit(1);}else if(biBitCount==24){//彩色图像for(int i=0;i<bmpHeight;i++){for(int j=0;j<bmpWidth;j++){for(int k=0;k<3;k++)//每像素RGB三个分量分别置0才变成黑色{//*(pBmpBuf+i*lineByte+j*3+k)-=40;m=*(pBmpBuf+i*lineByte+j*3+k);outfile<<m<<" ";count_xiang_su++;if(count_xiang_su%8==0){outfile<<endl;}//n++;}n++;}}cout<<"总的像素个素为:"<<n<<endl;cout<<"----------------------------------------------------"<<endl;}//将图像数据存盘char writePath[]="nvcpy.BMP";//图片处理后再存储saveBmp(writePath, pBmpBuf, bmpWidth, bmpHeight, biBitCount, pColorTable);//清除缓冲区，pBmpBuf和pColorTable是全局变量，在文件读入时申请的空间delete []pBmpBuf;if(biBitCount==8)delete []pColorTable;
}void main()
{doIt();
}

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