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：

typedef unsigned char BYTE;
typedef unsigned short WORD;
typedef unsigned int DWORD;
typedef long LONG;

//位图文件头定义;
//其中不包含文件类型信息（由于结构体的内存结构决定，
//要是加了的话将不能正确读取文件信息）
typedef struct  tagBITMAPFILEHEADER{
//WORD bfType;//文件类型，必须是0x424D，即字符“BM”
DWORD bfSize;//文件大小
WORD bfReserved1;//保留字
WORD bfReserved2;//保留字
DWORD bfOffBits;//从文件头到实际位图数据的偏移字节数
}BITMAPFILEHEADER;

typedef struct tagBITMAPINFOHEADER{
DWORD biSize;//信息头大小
LONG biWidth;//图像宽度
LONG biHeight;//图像高度
WORD biPlanes;//位平面数，必须为1
WORD biBitCount;//每像素位数
DWORD  biCompression; //压缩类型
DWORD  biSizeImage; //压缩图像大小字节数
LONG  biXPelsPerMeter; //水平分辨率
LONG  biYPelsPerMeter; //垂直分辨率
DWORD  biClrUsed; //位图实际用到的色彩数
DWORD  biClrImportant; //本位图中重要的色彩数
}BITMAPINFOHEADER; //位图信息头定义

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;//调色板定义

源文件TestBmp.cpp如下：

#include<math.h>
#include <iomanip.h>
#include <stdlib.h>
#include <windows.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.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
*/
/************************************************************************/

//用到的全局变量

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

/*static s[8][9]={
{-1,-2,-1,0,0,0,1,2,1},
{0,-1,-2,1,0,-1,2,1,0},
{1,0,-1,2,0,-2,1,0,-1},
{2,1,0,1,0,-1,0,-1,-2},
{1,2,1,0,0,0,-1,-2,-1},
{0,1,2,-1,0,1,-2,-1,0},
{-1,0,1,-2,0,2,-1,0,1},
{-2,-1,0,-1,0,1,0,1,2}
};*/

static s[9]={-1,0,1,-2,0,2,-1,0,1};

/************************************************************************/

/*                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");//二进制只读方式打开指定的图像文件

if(fp==0)            //判断文件是否正确打开
return 0;

//跳过位图文件头结构BITMAPFILEHEADER,使得文件指针指向信息头的开始
fseek(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,为了获取图像的宽,高,每像素所占位数
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(调色板)，且颜色表表项为256
if(biBitCount==8)
{
//申请颜色表所需要的空间，读颜色表进内存
pColorTable=new RGBQUAD[256];     //申请256种颜色表大小的内存
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
}

//申请位图数据所需要的空间，读位图数据进pBmpBuf指向的内存
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0
int colorTablesize=0;

if(biBitCount==8)
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

//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;
}

void sobel()
{
//读入指定BMP文件进内存
char readPath[]="line.bmp";

//读取图像信息
readBmp(readPath);

//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
cout<<"width="<<bmpWidth<<" height="<<bmpHeight<<" biBitCount="<<biBitCount<<endl;

//每行字节数(图像数据真正的宽度)
int RealWidth=(bmpWidth*biBitCount/8+3)/4*4;

BYTE *pBmpSobel=new BYTE[RealWidth*bmpHeight];
memset(pBmpSobel,0,RealWidth*bmpHeight);

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//八个方向的Sobel边缘检测
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////

/*    int d,max;

for(int y=1;y<bmpHeight-1;y++)
{
for(int x=1;x<RealWidth-1;x++)
{
max=0;
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//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
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
for(int i=0;i<8;i++)
{
d=0;
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//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
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
for(int y2=0;y2<3;y2++)
for(int x2=0;x2<3;x2++)
{
d+=s[i][x2+y2*3]*pBmpBuf[(y-1+y2)*RealWidth+x-1+x2];
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////

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
}
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）
pBmpSobel[y*RealWidth+x]=(BYTE)max;
}
}*/

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//一个方向的Sobel边缘检测(垂直方向)
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////

int d;

for(int y=1;y<bmpHeight-1;y++)
{
for(int x=1;x<RealWidth-1;x++)
{
d=0;
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
//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
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////
for(int y2=0;y2<3;y2++)
for(int x2=0;x2<3;x2++)
{
d+=s[x2+y2*3]*pBmpBuf[(y-1+y2)*RealWidth+x-1+x2];
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////

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）
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）
pBmpSobel[y*RealWidth+x]=(BYTE)d;
}
}

//将图像数据存盘

char writePath[]="f.bmp";

//图片处理后再存储
saveBmp(writePath, pBmpSobel, 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;
delete []pBmpSobel;

if(biBitCount==8)
delete []pColorTable;
}

/************************************************************************/

/*                             主函数                                      */

/************************************************************************/

void main()
{
sobel();
}

灰度原图line.bmp（垂直方向上）：



垂直方向的sobel图为f.bmp：



八个方向的灰度原图test.bmp:



八个方向的sobel边缘结果图f.bmp:



对该灰度原图的垂直sobel：