图像编程学习笔记2——bmp位图平移

以下文字内容copy于<<数字图像处理编程入门>>，code为自己实现，是win32控制台程序。

2.1 平移

平移(translation)变换大概是几何变换中最简单的一种了。

如图2.1所示，初始坐标为(x₀,y₀)的点经过平移(t_x,t_y)(以向右，向下为正方向)后，坐标变为(x₁,y₁)。这两点之间的关系是x₁=x₀+t_x，y₁=y₀+t_y。

图2.1    平移的示意图

以矩阵的形式表示为

（2.1）

我们更关心的是它的逆变换：

(2.2)

这是因为：我们想知道的是平移后的图象中每个象素的颜色。例如我们想知道，新图中左上角点的RGB值是多少？很显然，该点是原图的某点经过平移后得到的，这两点的颜色肯定是一样的，所以只要知道了原图那点的RGB值即可。那么到底新图中的左上角点对应原图中的哪一点呢？将左上角点的坐标(0,0)入公式(2.2)，得到x₀₌-t_x，y₀=-t_y；所以新图中的(0,0)点的颜色和原图中(-t_x, -t_y)的一样。

这样就存在一个问题：如果新图中有一点(x₁,y₁)，按照公式(2.2)得到的(x₀,y₀)不在原图中该怎么办？通常的做法是，把该点的RGB值统一设成(0,0,0)或者(255,255,255)。

另一个问题是：平移后的图象是否要放大？一种做法是不放大，移出的部分被截断。例如，图2.2为原图，图2.3为移动后的图。这种处理，文件大小不会改变。

图2.2     移动前的图

图2.3     移动后的图

还有一种做法是：将图象放大，使得能够显示下所有部分，如图2.4所示。

图2.4    移动后图象被放大

这种处理，文件大小要改变。设原图的宽和高分别是w₁,h₁则新图的宽和高变为w₁+|t_x|和h₁+|t_y|，加绝对值符号是因为t_x,t_y有可能为负(即向左，向上移动)。

下面的函数Translation采用的是第一种做法，即移出的部分被截断。在给出源代码之前，先说明一个问题。

如果你用过Photoshop,CorelPhotoPaint等图象处理软件，可能听说过“灰度图”(grayscale)这个词。灰度图是指只含亮度信息，不含色彩信息的图象，就象我们平时看到的黑白照片：亮度由暗到明，变化是连续的。因此，要表示灰度图，就需要把亮度值进行量化。通常划分成0到255共256个级别，其中0最暗(全黑)，255最亮(全白)。.bmp格式的文件中，并没有灰度图这个概念，但是，我们可以很容易在.bmp文件中表示灰度图。方法是用256色的调色板，只不过这个调色板有点特殊，每一项的RGB值都是相同的。也就是说RGB值从(0，0，0)，(1，1，1)一直到(255，255，255)。(0，0，0)是全黑色，(255，255，255)是全白色，中间的是灰色。这样，灰度图就可以用256色图来表示了。为什么会这样呢？难道是一种巧合？其实并不是。

在表示颜色的方法中，除了RGB外，还有一种叫YUV的表示方法，应用也很多。电视信号中用的就是一种类似于YUV的颜色表示方法。

在这种表示方法中，Y分量的物理含义就是亮度，U和V分量代表了色差信号(你不必了解什么是色差，只要知道有这么一个概念就可以了)。使用这种表示方法有很多好处，最主要的有两点：

(1)    因为Y代表了亮度，所以Y分量包含了灰度图的所有信息，只用Y分量就能完全能够表示出一幅灰度图来。当同时考虑U，V分量时，就能够表示出彩色信息来。这样，用同一种表示方法可以很方便的在灰度和彩色图之间切换，而RGB表示方法就做不到这一点了。

(2)    人眼对于亮度信号非常敏感，而对色差信号的敏感程度相对较弱。也就是说，图象的主要信息包含在Y分量中。这就提示我们：如果在对YUV信号进行量化时，可以“偏心”一点，让Y的量化级别多一些(谁让它重要呢？)而让UV的量化级别少一些，就可以实现图象信息的压缩。这一点将在第9章介绍图象压缩时仔细研究，这里就不深入讨论了。而RGB的表示方法就做不到这一点，因为RGB三个分量同等重要，缺了谁也不行。YUV和RGB之间有着如下的对应关系

(2.3)

(2.4)

当RGB三个分量的大小一样时，假设都是a，代入公式(2.3)，得到Y=a，U=0，V=0 。你现在该明白我前面所说不是巧合的原因了吧。

使用灰度图有一个好处，那就是方便。首先RGB的值都一样；其次，图象数据即调色板索引值，也就是实际的RGB值，也就是亮度值；另外，因为是256色调色板，所以图象数据中一个字节代表一个象素，很整齐。如果是2色图或16色图，还要拼凑字节，很麻烦。如果是彩色的256色图，由于图象处理后有可能会产生不属于这256种颜色的新颜色，就更麻烦了；这一点，今后你就会有深刻体会的。所以，做图象处理时，一般采用灰度图。为了将重点放在算法本身上，今后给出的程序如不做特殊说明，都是针对256级灰度图的。其它颜色的情况，你可以自己想一想，把算法补全。

如果想得到一幅灰度图，可以使用Sea或者PhotoShop等软件提供的颜色转换功能将彩色图转换成灰度图。

好了，言归正传，下面给出Translation的源代码。算法的思想是先将所有区域填成白色，然后找平移后显示区域的左上角点(x₀,y₀)和右下角点(x₁,y₁) ，分几种情况进行处理。

先看x方向(width指图象的宽度)

(1)    t_x≤-width：很显然，图象完全移出了屏幕，不用做任何处理；

(2)    -width<tx≤0：如图2.5所示。容易看出，图象区域的x范围从0到width-|tx|,对应原图的范围从|tx|到width；

图2.5     tx≤0，ty≤0的情况

(3)    0< t_x<width：如图2.6所示。容易看出，图象区域的x范围从t_x到width，对应原图的范围从0到width - t_x；

图2.6     0< tx<width，0<ty<height的情况

(4)    t_x≥width：很显然，图象完全移出了屏幕，不用做任何处理。

y方向是对应的(height表示图象的高度)：

(1)    t_y≤-height，图象完全移出了屏幕，不用做任何处理；

(2)    -height<t_y≤0，图象区域的y范围从0到height-|t_y|,对应原图的范围从|t_y|到height；

(3)    0<t_y<height，图象区域的y范围从t_y到height,对应原图的范围从0到height-t_y；

(4)    t_y≥height，图象完全移出了屏幕，不用做任何处理。

这种做法利用了位图存储的连续性，即同一行的象素在内存中是相邻的。利用memcpy函数，从(x₀,y₀)点开始，一次可以拷贝一整行(宽度为x₁－x₀)，然后将内存指针移到(x₀,y₀+1)处，拷贝下一行。这样拷贝(y₁-y₀)行就完成了全部操作，避免了一个一个象素的计算，提高了效率。

CODE：(注：该程序需要一副bmp格式的灰度图像，并放到工程目录下,文件名为nv1.bmp)

1. /**
2. * 程序名: Translation.cpp
3. * 功  能: 实现bmp格式灰度图片的平移，移出部分用白色填充
4. */
5. #include <iostream>
6. #include <cstdio>
7. #include <fstream>
8. #include <cstring>
9. #include <windows.h>
10. using namespace std;
11. BITMAPFILEHEADER bmpFileHeader;      //位图文件头
12. BITMAPINFOHEADER bmpInfoHeader;      //位图信息头
13. RGBQUAD *pColorTable = new RGBQUAD[256];  //颜色表指针
14. unsigned char *pBmpData;             //图像数据指针
15. unsigned char *pBmpData1;            //平移后图像数据指针
16. unsigned char *pTemp,*pTemp1;        //临时指针
17. int width,height,imgSize;            //图像宽，高，实际大小,imgSize必须为4的倍数,bmp格式文件结构规定
18. int srcX[2],srcY[2],dstX[2],dstY[2]; //平移前后位置
19. /**
20. * 函数名: readBmp
21. * 参  数: bmpFileName--指向读入bmp文件的文件名指针
22. * 功  能: 读入一个bmp文件，获得相应数据
23. */
24. bool readBmp(char *bmpFileName)
25. {
26. FILE *fp = fopen(bmpFileName,"rb");    //以二进制读方式打开指定的图像文件
27. if(NULL == fp)
28. {
29. printf("%s is not exist!",bmpFileName);
30. return FALSE;
31. }
32. fread(&bmpFileHeader,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fp);   //读取位图头信息放入bmpFileHeader,注:指针也相应移动
33. fread(&bmpInfoHeader,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fp);   //读取位图信息头放入bmpInfoHeader
34. width = bmpInfoHeader.biWidth;                          //宽
35. height = bmpInfoHeader.biHeight;                        //高
36. fread(pColorTable,sizeof(RGBQUAD),256,fp);              //读取颜色表放入pColorTable
37. //  int bytePerLine = (bmpInfoHeader.biWidth * bmpInfoHeader.biBitCount + 31) / 32 * 4;
38. pBmpData = new unsigned char [imgSize = bmpInfoHeader.biSizeImage];
39. pBmpData1 = new unsigned char [imgSize];
40. memset(pBmpData1,(BYTE)255,sizeof(char)*imgSize);       //把新的图像信息用255(白色)填充，平移后没有图像的区域就是白色了
41. fread(pBmpData,sizeof(char),bmpInfoHeader.biSizeImage,fp);  //读取图像信息放入pBmpData
42. fclose(fp);                //记住要关闭文件
43. return TRUE;
44. }
45. /**
46. * 函数名: translation
47. * 参  数: tx--平移的x距离，ty--平移的y距离
48. * 功  能: 实现平移，并把平移后图像信息写入pBmpData1
49. */
50. void translation(int tx,int ty)
51. {
52. bool xVisible = TRUE,yVisible = TRUE;
53. //xVisible为FALSE时，表示x方向已经移出了可显示的范围
54. if(tx <= -width)
55. {
56. xVisible = FALSE;
57. }
58. else if(tx <= 0)
59. {
60. dstX[0] = 0;    //表示移动后，有图区域的左上角点的x坐标
61. dstX[1] = width + tx;   //表示移动后，有图区域的右下角点的x坐标
62. }
63. else if(tx < width)
64. {
65. dstX[0] = tx;
66. dstX[1] = width;
67. }
68. else
69. xVisible = FALSE;
70. srcX[0] = dstX[0] - tx;      //对应DstX0在原图中的x坐标
71. srcX[1] = dstX[1] - tx;     //对应DstX1在原图中的x坐标
72. int rectWidth = srcX[1] - srcX[0];  //有图区域的宽度
73. //y的和x类似，就不加注释了
74. if(ty <= -height)
75. yVisible = FALSE;
76. else if(ty <= 0)
77. {
78. dstY[0] = 0;
79. dstY[1] = height + ty;
80. }
81. else if(ty < height)
82. {
83. dstY[0] = ty;
84. dstY[1] = height;
85. }
86. else
87. yVisible = FALSE;
88. srcY[0] = dstY[0] - ty;
89. srcY[1] = dstY[1] - ty;
90. int rectHeight = srcY[1] - srcY[0];
91. int lineBytes = (width * bmpInfoHeader.biBitCount + 31) / 32 * 4;   //每行所占的字节数,必须为4的倍数
92. if(xVisible && yVisible)
93. {
94. for(int i = 0; i < rectHeight; i++ )
95. {
96. //pTemp指向要拷贝的那一行的最左边的象素对应在原图中的位
97. //置。特别要注意的是，由于.bmp是上下颠倒的，
98. pTemp = pBmpData + (height - 1 - (srcY[0] + i)) * lineBytes + srcX[0];
99. //pTemp1指向要拷贝的那一行的最左边的象素对应在新图中的位置。同样要注意上面的问题。
100. pTemp1 = pBmpData1 + (height - 1 - (dstY[0] + i)) * lineBytes + dstX[0];
101. memcpy(pTemp1,pTemp,rectWidth);   //从pTemp中复制大小为rectWidth的数据到pTemp1，这里就是copy图像的一行数据
102. }
103. }
104. }
105. /**
106. * 函数名: writeBmp
107. * 功  能: 新建一个bmp文件,把平移后的图像信息写入，生成一个新的bmp
108. */
109. void writeBmp()
110. {
111. char writeBmpName[] = "new.bmp";
112. FILE *fp = fopen(writeBmpName,"wb");   //以二进制写方式打开指定的图像文件
113. if(NULL == fp)
114. {
115. cout<<"file not exist!";
116. return ;
117. }
118. //写入BMP文件数据
119. fwrite(&bmpFileHeader,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fp);
120. fwrite(&bmpInfoHeader,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fp);
121. fwrite(pColorTable,sizeof(RGBQUAD),256,fp);
122. fwrite(pBmpData1,sizeof(char),imgSize,fp);
123. fclose(fp);
124. //释放内存
125. delete []pColorTable;
126. delete []pBmpData1;
127. delete []pBmpData;
128. }
129. /**
130. * 函数名: work
131. * 功  能: 处理
132. */
133. void work()
134. {
135. int x,y;
136. char readBmpName[] = "nv1.bmp";
137. if ( !readBmp(readBmpName) )
138. printf("Bmp file reads faliure");
139. printf("the distance of translation,cx,cy:");  //读入平移的x和y
140. scanf("%d %d",&x,&y);
141. translation(x,y);
142. writeBmp();
143. }
144. int main()
145. {
146. work();
147. return 0;
148. }
149. from:http://blog.csdn.net/sun1956/article/details/8646800