数字图像处理之sobel边缘检测

在前两部文章介绍了几种边缘检测算法，和位图的内存结构。如果对前两篇文章已经理解透彻

了，那么本文将带你进入数字图像处理的世界。

本文通过C代码实现基本的sobel边缘检测，包括8个方向和垂直方向:

代码参考之前一篇--一个实例弄清楚位图的存储结构。

同样，代码中附有详细解释，于是我不再对代码作过多讲解：

头文件TestBmp.h如下：

 1 typedef unsigned char BYTE;
 2 typedef unsigned short WORD;
 3 typedef unsigned int DWORD;
 4 typedef long LONG;
 5 
 6 //位图文件头定义;
 7 //其中不包含文件类型信息（由于结构体的内存结构决定，
 8 //要是加了的话将不能正确读取文件信息）
 9 typedef struct  tagBITMAPFILEHEADER{
10     //WORD bfType;//文件类型，必须是0x424D，即字符“BM”
11     DWORD bfSize;//文件大小
12     WORD bfReserved1;//保留字
13     WORD bfReserved2;//保留字
14     DWORD bfOffBits;//从文件头到实际位图数据的偏移字节数
15 }BITMAPFILEHEADER;
16 
17 typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
18     DWORD biSize;//信息头大小
19     LONG biWidth;//图像宽度
20     LONG biHeight;//图像高度
21     WORD biPlanes;//位平面数，必须为1
22     WORD biBitCount;//每像素位数
23     DWORD  biCompression; //压缩类型
24     DWORD  biSizeImage; //压缩图像大小字节数
25     LONG  biXPelsPerMeter; //水平分辨率
26     LONG  biYPelsPerMeter; //垂直分辨率
27     DWORD  biClrUsed; //位图实际用到的色彩数
28     DWORD  biClrImportant; //本位图中重要的色彩数
29 }BITMAPINFOHEADER; //位图信息头定义
30 
31 typedef struct tagRGBQUAD{
32     BYTE rgbBlue; //该颜色的蓝色分量
33     BYTE rgbGreen; //该颜色的绿色分量
34     BYTE rgbRed; //该颜色的红色分量
35     BYTE rgbReserved; //保留值
36 }RGBQUAD;//调色板定义

源文件TestBmp.cpp如下：

  1 #include<math.h>  
  2 #include <iomanip.h>   
  3 #include <stdlib.h>  
  4 #include <windows.h>  
  5 #include <stdio.h>  
  6 #include <stdlib.h>  
  7 #include <fstream.h>        
  8 
  9 
 10 
 11 
 12 /************************************************************************/
 13 
 14 /*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，
 15 
 16                 并存在文件名为xiang_su_zhi.txt中  
 17                                                                     */
 18 /************************************************************************/
 19 
 20 //用到的全局变量 
 21   
 22 unsigned char *pBmpBuf;//读入图像数据的指针 
 23        
 24 int bmpWidth;//图像的宽  
 25 
 26 int bmpHeight;//图像的高 
 27  
 28 RGBQUAD *pColorTable;//颜色表指针  
 29 
 30 int biBitCount;//图像类型，每像素位数  
 31 
 32 /*static s[8][9]={
 33     {-1,-2,-1,0,0,0,1,2,1},
 34     {0,-1,-2,1,0,-1,2,1,0},
 35     {1,0,-1,2,0,-2,1,0,-1},
 36     {2,1,0,1,0,-1,0,-1,-2},
 37     {1,2,1,0,0,0,-1,-2,-1},
 38     {0,1,2,-1,0,1,-2,-1,0},
 39     {-1,0,1,-2,0,2,-1,0,1},
 40     {-2,-1,0,-1,0,1,0,1,2}
 41  };*/
 42 
 43 static s[9]={-1,0,1,-2,0,2,-1,0,1};
 44 
 45 
 46 /************************************************************************/
 47 
 48 /*                读图像的位图数据、宽、高、颜色表及
 49 
 50             每像素位数等数据进内存，存放在相应的全局变量中      
 51                                                                 */
 52 /************************************************************************/    
 53 
 54 bool readBmp(char *bmpName)   
 55 {
 56     
 57     FILE *fp=fopen(bmpName,"rb");//二进制只读方式打开指定的图像文件  
 58     
 59     if(fp==0)            //判断文件是否正确打开
 60         return 0;  
 61 
 62 
 63     //跳过位图文件头结构BITMAPFILEHEADER,使得文件指针指向信息头的开始 
 64      fseek(fp, sizeof(BITMAPFILEHEADER),0);  
 65 
 66     //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,为了获取图像的宽,高,每像素所占位数 
 67     BITMAPINFOHEADER head;   
 68     fread(&head, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1,fp); 
 69 
 70     //获取图像宽、高、每像素所占位数等信息  
 71     bmpWidth = head.biWidth;  
 72     bmpHeight = head.biHeight;
 73     biBitCount = head.biBitCount;
 74 
 75     //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）    
 76     int lineByte=(bmpWidth * biBitCount/8+3)/4*4;
 77 
 78     //灰度图像有颜色表(调色板)，且颜色表表项为256  
 79     if(biBitCount==8) 
 80     {  
 81         //申请颜色表所需要的空间，读颜色表进内存  
 82         pColorTable=new RGBQUAD[256];     //申请256种颜色表大小的内存
 83         fread(pColorTable,sizeof(RGBQUAD),256,fp);  //读取概灰度图的颜色表到pColorTable所指向的内存中
 84     }   
 85 
 86     //申请位图数据所需要的空间，读位图数据进pBmpBuf指向的内存  
 87     pBmpBuf=new unsigned char[lineByte * bmpHeight];  
 88     fread(pBmpBuf,1,lineByte * bmpHeight,fp); 
 89     
 90 
 91     fclose(fp);//关闭文件   
 92     return 1;//读取文件成功 
 93     
 94 }
 95 
 96 
 97 
 98 
 99 /************************************************************************/
100 
101 /*        给定一个图像位图数据、宽、高、颜色表指针及
102 
103         每像素所占的位数等信息,将其写到指定文件中
104                                                                       */
105 /************************************************************************/
106 
107 bool saveBmp(char *bmpName, unsigned char *imgBuf, int width, int height, int biBitCount, RGBQUAD *pColorTable)  
108 {    
109     //如果位图数据指针为0，则没有数据传入，函数返回  
110     if(!imgBuf)  
111         return 0;  
112 
113     //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0        
114         int colorTablesize=0;  
115 
116         if(biBitCount==8)  
117                 colorTablesize=1024;//一个RGBQUAD(颜色)结构占四个字节,对于8位的灰度图而言,一共有256*4=1024个字节大小的颜色表   
118 
119         //待存储图像数据每行字节数为4的倍数    
120         int lineByte=(width * biBitCount/8+3)/4*4; 
121         
122         //以二进制写的方式打开文件   
123         FILE *fp=fopen(bmpName,"wb");  
124         if(fp==0)  
125             return 0;  
126 
127         //申请位图文件头结构变量，填写文件头信息  
128         BITMAPFILEHEADER fileHead;    
129         fileHead.bfType = 0x4D42;//bmp类型  
130 
131         //bfSize是图像文件4个组成部分之和   
132         fileHead.bfSize= sizeof(BITMAPFILEHEADER) + sizeof(BITMAPINFOHEADER) + colorTablesize + lineByte*height;  
133         fileHead.bfReserved1 = 0;        
134         fileHead.bfReserved2 = 0; 
135         
136 
137         //bfOffBits是图像文件前3个部分所需空间之和        
138         fileHead.bfOffBits=54+colorTablesize;  
139 
140         //写文件头进文件  
141         fwrite(&fileHead, sizeof(BITMAPFILEHEADER),1, fp);  
142         
143 
144         //申请位图信息头结构变量，填写信息头信息  
145          BITMAPINFOHEADER head;   
146           head.biBitCount=biBitCount;  
147           head.biClrImportant=0;  
148           head.biClrUsed=0;  
149           head.biCompression=0;  
150           head.biHeight=height;        
151           head.biPlanes=1;  
152           head.biSize=40;        
153           head.biSizeImage=lineByte*height;  
154           head.biWidth=width;  
155           head.biXPelsPerMeter=0;        
156           head.biYPelsPerMeter=0; 
157           
158         //写位图信息头进内存   
159         fwrite(&head, sizeof(BITMAPINFOHEADER),1, fp);    
160 
161         //如果灰度图像，有颜色表，写入文件   
162             if(biBitCount==8)  
163                 fwrite(pColorTable, sizeof(RGBQUAD),256, fp);  
164 
165         //写位图数据进文件  
166         fwrite(imgBuf, height*lineByte, 1, fp); 
167            
168         //关闭文件    
169         fclose(fp);  
170         return 1;        
171 }  
172 
173 
174 
175 
176 
177 void sobel()
178 {
179     //读入指定BMP文件进内存        
180     char readPath[]="line.bmp";  
181     
182     //读取图像信息
183     readBmp(readPath); 
184     
185     //输出图像的信息  宽度（单位像素） 高度(单位像素) 每个像素的位数
186      cout<<"width="<<bmpWidth<<" height="<<bmpHeight<<" biBitCount="<<biBitCount<<endl;  
187 
188      //每行字节数(图像数据真正的宽度)  
189          int RealWidth=(bmpWidth*biBitCount/8+3)/4*4;
190 
191 
192          BYTE *pBmpSobel=new BYTE[RealWidth*bmpHeight];
193          memset(pBmpSobel,0,RealWidth*bmpHeight);
194 
195 
196     //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
197          //八个方向的Sobel边缘检测
198     //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
199 
200 /*    int d,max;
201 
202     for(int y=1;y<bmpHeight-1;y++)
203     {
204         for(int x=1;x<RealWidth-1;x++)
205         {
206             max=0;
207         //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
208             //分别从八个方向进行Sobel边缘化，上 下 左 右，左上，左下，右上，右下
209         //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
210             for(int i=0;i<8;i++)
211             {
212                 d=0;
213             //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
214                 //一个sobel算子和一个3*3的像素矩阵相乘得到一个边缘图像像素值
215             //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
216                     for(int y2=0;y2<3;y2++)
217                         for(int x2=0;x2<3;x2++)
218                         {
219                             d+=s[i][x2+y2*3]*pBmpBuf[(y-1+y2)*RealWidth+x-1+x2];
220                         }
221             //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
222 
223 
224                     if(d>max)max=d;        //取出八个方向上的最大值保存在max中，作为灰度图某像素点的边缘像素值
225             }
226             if(max>255)max=255;            //将边缘像素值大于255的像素点 像素值置为255（白色）
227             pBmpSobel[y*RealWidth+x]=(BYTE)max;
228         }
229     }*/
230 
231 
232         //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
233          //一个方向的Sobel边缘检测(垂直方向)
234     //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
235 
236     int d;
237 
238     for(int y=1;y<bmpHeight-1;y++)
239     {
240         for(int x=1;x<RealWidth-1;x++)
241         {
242                 d=0;
243             //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
244                 //一个sobel算子和一个3*3的像素矩阵相乘得到一个边缘图像像素值
245             //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
246                     for(int y2=0;y2<3;y2++)
247                         for(int x2=0;x2<3;x2++)
248                         {
249                             d+=s[x2+y2*3]*pBmpBuf[(y-1+y2)*RealWidth+x-1+x2];
250                         }
251             //////////////////////////////////////////////////////////////////////////
252 
253             if(d>255)d=255;    //将边缘像素值大于255的像素点 像素值置为255（白色）
254             if(d<0)d=0;        //将边缘像素值大于255的像素点 像素值置为255（黑色）
255             pBmpSobel[y*RealWidth+x]=(BYTE)d;
256         }
257     }
258 
259 
260     //将图像数据存盘  
261     
262     char writePath[]="f.bmp";
263     
264     //图片处理后再存储  
265     saveBmp(writePath, pBmpSobel, bmpWidth, bmpHeight, biBitCount, pColorTable); 
266 
267 
268      //清除缓冲区，pBmpBuf和pColorTable是全局变量，在文件读入时申请的空间  
269     delete []pBmpBuf;  
270     delete []pBmpSobel;
271          
272          if(biBitCount==8)  
273              delete []pColorTable;
274 }
275 
276 
277 
278 /************************************************************************/
279 
280 /*                             主函数                                      */
281 
282 /************************************************************************/
283 
284 
285 void main()  
286 {  
287     sobel();
288 }