【C言語】１ビット画像（白黒画像・２値画像・1bitTIFF）の作成方法を解説

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今回はちょっとマニアックな話題です。C言語で１ビット画像を作る方法について解説します。

TIFFを扱いますので、プログラミングしたい方は事前に下記ページを読んで libtiff をインストールをし、使い方を知っておくと良いと思います。

libtiffの使い方解説ページアイキャッチ 【C言語】LibTIFFのインストールと使用方法・使用例

１ビット画像とは

１ビット画像とは１ピクセルを１ビットで表現する画像のことを言います。一般的なカラー画像やモノクロ画像と比較しながら見ていくと分かりやすいと思います。

カラー画像

一般的なカラー画像は１ピクセルを２４ビット（３バイト）で表現しています。赤色・緑色・青色の度合いをそれぞれ２５６段階で表し（つまり８ビットずつで表現）、その各々の度合いを調節することでいろんな色を表現することができます。

カラー画像のデータ構造

ピクセルについての詳細は下記ページで解説していますのでこちらも参考にしていただければと思います。

画像データの解説ページアイキャッチ 画像データの構造・画素・ビットマップデータについて解説

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モノクロ画像

一般的なモノクロ画像は１ピクセルを８ビット（１バイト）で表現しています。白から黒からの色を２５６段階で表し（つまり８ビットで表現）、その度合いを調節することでいろんなグレーの色を表現することができます。

モノクロ画像のデータ構造

１ビット画像

これらのカラー画像やモノクロ画像に対し、１ビット画像では１ピクセルを１ビットで表現しています。１ビットで表現できるのは２つの情報だけですので、基本的に各ピクセルは「白」or「黒」のどちらかの色になります。

１ビット画像のデータ構造

表現できるのが２つの値だけですので、１ビット画像は２値画像と呼ばれることもあります。また表現できるのが白と黒なので白黒画像とも呼ばれます。

１ピクセルあたりのデータサイズが小さいので、画像サイズも当然小さくなります。１ビット画像は割と印刷業界では使われるデータ形式のようです。また FAX などで送受信されるデータも１ビット画像のものが多いようです。

１ビット画像の作り方

まずは簡単に１ビット画像の作り方について解説し、その後１ビット画像を作成するC言語プログラムを紹介していこうと思います。

このページで解説する１ビット画像の作り方は、大きく分けると下記の４ステップで行います。

  • カラー画像の読み込み
  • カラー画像のモノクロ化
  • モノクロ画像の１ビット化
  • １ビット画像の書き出し

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カラー画像の読み込み

まずは１ビット化するカラー画像の読み込みを行います。

カラー画像読み込みのイメージ

この画像の読み込みに関しましては、他のページで解説していますのでこちらを参考にしていただければと思います。

・libjpeg を使用したJPEG ファイルの読み込み

libjpegの使い方解説ページアイキャッチ 【C言語】libjpegのインストールと使用方法・使用例

・libpng を使用した PNG ファイルの読み込み

libpngの使い方解説ページアイキャッチ 【C言語】libpngのインストールと使用方法・使用例

・libtiff を使用した TIFF ファイルの読み込み

libtiffの使い方解説ページアイキャッチ 【C言語】LibTIFFのインストールと使用方法・使用例

このページで紹介するプログラムでは「libtiff」を用いて TIFF ファイルを読み込み、それを１ビット画像に変換するものになります。

カラー画像のモノクロ化

１ビット化をする前にカラー画像を一旦モノクロ画像に変換します。

カラー画像からモノクロ画像に変換するイメージ

モノクロ化の仕方についても下記で解説していますので、必要に応じて目を通しておいていただけると後に紹介するプログラムが読みやすくなると思います。

画像のグレースケール化の解説ページアイキャッチ 【C言語】画像をグレースケール化

モノクロ画像の１ビット化

ここからが１ビット画像作成本番で、いよいよモノクロ画像を１ビット化することで１ビット画像の作成を行います。

モノクロ画像を１ビット画像に変換するイメージ

モノクロ画像の各ピクセルに対して下記を実行することで１ビット化することが可能です。

  • ピクセルの値と閾値を比較
  • 比較結果に応じてそのピクセルに対応するビットに値を設定
    • 閾値以上の場合は “1” （白色）を設定
    • 閾値未満の場合は “0” （黒色）を設定

１ビット化におけるポイントは２つです。

閾値の設定

１つ目は「閾値」です。１ビット画像で表現できるのは “1” or “0” の２つのみです。ですので、１ビット化する場合は、モノクロ画像の各ピクセルが取りうる０から２５５の値を、ある値以上のピクセルは “1” に、ある値未満のピクセルは “0” に置き換えることで２つの値のみから表現されるデータに変換します。

その「ある値」が閾値です。

閾値を用いた変換の例

この閾値は画像に合わせて上手く設定してやる必要があります。

例えば下記のモノクロ画像を２値化する場合、閾値によって１ビット画像がどのように変化するかを見てみましょう。

閾値を「１００」に設定した場合は下のようになり、猫はぼんやり見えますがハンドルなんかは全て白色になって見えなくなってますね。

閾値を１００とした時の１ビット画像

閾値を「１５０」にした場合は下のようになり、今度はハンドルが見えるようになり、猫もクッキリ描画されるようになりました。

閾値を１５０とした時の１ビット画像

閾値を「２００」にした場合は下のようになり、今度は黒が多すぎてなんとなーく猫がいるのは分かりますが目のあたりが潰れてしまっています。

閾値を２００とした時の１ビット画像

このように閾値の設定により作成される画像が大きく変わりますので、閾値は画像を作成しながら調節するのが良いです。

ビット演算

もう一つのポイントはビット演算です。

モノクロ画像の各ピクセルは８ビットで表現されているので、１バイトに１ピクセル分のデータが格納されますが、１ビット画像のピクセルは１ビットですので、１バイトに８ピクセル分のデータを詰め込むことになります。

モノクロ画像を１ビット化する場合、閾値との比較によって定まった値 “1” or “0” をビット単位でバイトデータに詰め込んでいきます。

バイトデータに詰め込んでいくイメージを図示すると下の図のようになります。

１ビットデータをバイトに詰め込んでいくイメージ

このビット単位の処理を行うためにはビット演算が必要になります。ビット演算に自信がない方はまず下のページを読んでビット演算を理解しておくと良いと思います。

ビット演算解説ページのアイキャッチ C言語のビット演算（論理演算）について解説

例えばポインタ data が指すアドレスの第５ビットに “1” を格納するのであれば下記のようにビット演算を行います。

*data = *data | (1 << 5);

逆に “0” を詰め込むのであれば下記のようにビット演算を行います。

*data = *data & (~(1 << 5));

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１ビット画像の書き出し

１ビットの画像データを作成できれば、次は作成した画像データをエンコードしてファイルとして書き出す処理を行います。

１ビット画像の書き出しのイメージ

ポイントになるのが使用するエンコード形式（圧縮形式）です。有名なエンコード形式でも１ビット画像に対応していない場合もあります。

このページでは CCITT Group 4 圧縮形式を用いて１ビット画像をエンコードします。FAX の送受信データの圧縮でよく用いられる圧縮方法です。

あまり聞きなれない画像形式だと思いますが、「libtiff」を用いれば、１ビット画像データさえ用意しておけば、圧縮形式として CCITT Group 4 を選択するだけで１ビット画像をエンコードすることが可能ですし、それを CCITT Group 4 で圧縮した TIFF ファイルとして書き出すことができます。

この形式であれば、Mac OSX のプレビューでも開くことができますし、Windows のプレビューでも開くことができます。なので圧縮結果を簡単に確認することが可能です。

MacOSXのプレビューで１ビット画像を開いた例

１ビットの TIFF は “1bitTIFF” や “２値 TIFF”などと呼ばれることもあります。

１ビット画像を作成するプログラム

まずはプログラムの全体を紹介します。

main.c 
#include "myTiff.h"
#include <string.h>

/* ２値化するときの閾値 */
#define TH 100

int writeOneBitTiff(unsigned char *, unsigned int, unsigned int, char *);

/* 1ビットTIFFをファイルに書き出す関数 */
/* widthは8の倍数である必要あり */
int writeOneBitTiff(unsigned char *data, unsigned int width, unsigned int height, char *filename){
  TIFF *tiff;
  unsigned int dataSize;

  /**** １ビット画像の書き出しここから ****/
  /* TIFFファイルを開く */
  tiff = TIFFOpen(filename, "w");
  if(tiff == NULL){
    printf("TIFFが開けません\n");
    return -1;
  }

  /* TIFFにタグを設定 */

  /* 画像の横サイズ */
  TIFFSetField(tiff, TIFFTAG_IMAGEWIDTH, width);

  /* 画像の縦サイズ */
  TIFFSetField(tiff, TIFFTAG_IMAGELENGTH, height);

  /* １色を表現するビット数 */
  TIFFSetField(tiff, TIFFTAG_BITSPERSAMPLE, 1);

  /* ピクセルあたりの色数 */
  TIFFSetField(tiff, TIFFTAG_SAMPLESPERPIXEL, 1);

  /* 圧縮形式 */
  TIFFSetField(tiff, TIFFTAG_COMPRESSION, COMPRESSION_CCITTFAX4);

  /* 0の色（MINISBLACKだと0を黒で表現）*/
  TIFFSetField(tiff, TIFFTAG_PHOTOMETRIC, PHOTOMETRIC_MINISBLACK);
  
  /* データサイズはピクセル数 / 8 */
  dataSize = width * height / 8;
  printf("%d\n", dataSize);
  /* 開いたファイルにエンコードしたデータを書き込み */
  if(TIFFWriteEncodedStrip(tiff, 0, data, dataSize) == 0){
    printf("TIFFに書き込めません\n");
    return -1;
  }

  /* TIFFを閉じる */
  TIFFClose(tiff);

  /**** １ビット画像の書き出しここまで ****/

  return 0; 
}

int main(int argc, char *argv[]){

  BITMAPDATA_t bitmap, grayBitmap;
  int m, n;
  unsigned char y;
  unsigned char *oneBitData;
  unsigned int dataSize;
  unsigned int byte;
  unsigned char bit;
  unsigned int alignedWidth;

  if(argc != 2){
    printf("ファイル名が指定されていません\n");
    return -1;
  }

  /**** カラー画像の読み込みここから ****/
  /* TIFFファイルの読み込み */
  if(tiffFileReadDecode(&bitmap, argv[1]) == -1){
    printf("tiffFileReadDecode error\n");
    return -1;
  }

  /**** カラー画像の読み込みここまで ****/

  /* グレースケール用の画像データを作成 */
  grayBitmap.width = bitmap.width;
  grayBitmap.height = bitmap.height;
  grayBitmap.ch = 1;
  grayBitmap.data = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) * grayBitmap.height * grayBitmap.width * grayBitmap.ch);
  if(grayBitmap.data == NULL){
    printf("メモリが足りません\n");
    freeBitmapData(&bitmap);
    return -1;
  }

  /**** カラー画像のモノクロ化ここから ****/
  /* グレースケールに変換したデータをgrayBitmapに格納 */
  for(n = 0; n < bitmap.height; n++){
    for(m = 0; m < bitmap.width; m++){
      y = 0.299 * bitmap.data[bitmap.ch * (m + n * bitmap.width) + 0]
        + 0.587 * bitmap.data[bitmap.ch * (m + n * bitmap.width) + 1]
        + 0.114 * bitmap.data[bitmap.ch * (m + n * bitmap.width) + 2];

      grayBitmap.data[m + n * bitmap.width] = y;
    }
  }

  /**** カラー画像のモノクロ化ここまで ****/

  /* 元画像は不要なので解放 */
  freeBitmapData(&bitmap);

  /* 扱いやすいように画像の横サイズを8の倍数に切り上げ */
  alignedWidth = ((grayBitmap.width + 7) / 8) * 8;
  
  /* データサイズはピクセル数 / 8 */
  dataSize = grayBitmap.height * alignedWidth / 8;

  /* 1ビット画像データを格納するためのメモリを確保 */
  oneBitData = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) * dataSize);
  if(oneBitData == NULL){
    printf("メモリが足りません\n");
    freeBitmapData(&grayBitmap);
    return -1;
  }

  /* 全ピクセルを一旦1(黒色)で初期化 */
  /* 0xFF = 0b11111111 */
  memset(oneBitData, 0xFF, dataSize);

  /**** モノクロ画像の１ビット化ここから ****/
  /* 最初にビット値を格納するビットを最上位ビットに設定 */
  bit = 7;

  byte = 0;

  /* 全画素を1ビット化 */
  for(n = 0; n < grayBitmap.height; n++){
    for(m = 0; m < grayBitmap.width; m++){
      if(grayBitmap.data[m + n * grayBitmap.width] >= TH){
        /* (m, n)画素の値が閾値以上の場合
           (m, n)画素に対応するアドレスの
           第bitビットを"1"に設定 */
        oneBitData[byte] = 
          oneBitData[byte] | (1 << bit);
      } else {
        /* (m, n)画素の値が閾値未満の場合
           (m, n)画素に対応するアドレスの
           第bitビットを"0"に設定 */
        oneBitData[byte] =
          oneBitData[byte] & (~(1 << bit));
      }

      if(bit == 0 || m == grayBitmap.width - 1){
        /* 1バイト分の値を格納し終わったので
           次のバイトの最上位ビットに移動 */
        byte++;
        bit = 7;
      } else {
        /* まだ１バイト分値を格納し終わっていない場合
           次の下位ビットに移動 */
        bit--;
      }
    }
  }
  /**** モノクロ画像の１ビット化ここまで ****/
  /* １ビット画像をTIFF形式で書き出し */ 
  writeOneBitTiff(oneBitData, alignedWidth, grayBitmap.height, "out.tiff");

  /* データを解放 */
  freeBitmapData(&grayBitmap);
  free(oneBitData);

  return 0;
}

プログラムのコンパイル・実行方法

続いてプログラムのコンパイル・実行を行うために事前に準備しておくものとコンパイル・実行方法の解説を行います。

事前に準備しておくもの

上記プログラムを変更せずにそのまま実行するために事前に３つのものが必要です。

①libtiff

libtiff を使用して TIFF ファイルの読み込みを行なっていますので、下記ページを参照して事前に libtiff をインストールしておいてください。

libtiffの使い方解説ページアイキャッチ 【C言語】LibTIFFのインストールと使用方法・使用例

②myTiff.c と myTiff.h

TIFF ファイルの読み込みを行う私の自作関数 tiffFileReadDecode 関数は myTiff.c と myTiff.h で定義しています。こちらも上記の libtiff 解説ページで公開していますので、コピペして myTiff.c と myTiff.h を作成しておいてください。

③TIFF ファイル

１ビット化を行う TIFF ファイルを準備しておいてください。準備する TIFF ファイルは RGB カラーのアルファチャンネルなしの TIFF ファイルにしてください。

コンパイル・実行方法

コンソール等のコマンドラインで gcc を用いてコンパイルする場合は下記の３つのコマンドを実行すればコンパイルすることができます。

gcc main.c myTiff.c -ltiff -o main.exe

これにより main.c と myTiff.c の２つをコンパイルした結果と “libtiff” をリンクして実行ファイル “main.exe” が作成されます。ポイントは libtiff をリンクするために “-ltiff” をつけることです。

実行は下記のように、作成した “main.exe” を実行すれば良いです。引数に用意した TIFF ファイルを指定してください。

./main.exe [TIFFファイル名]

これにより指定した TIFF ファイルを１ビット化した “out.tiff” が作成されます。

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プログラムの解説

基本的に１ビット画像の作り方で解説した下記の４つを行っているプログラムになります。

  • カラー画像の読み込み
  • カラー画像のモノクロ化
  • モノクロ画像の１ビット化
  • １ビット画像の書き出し

ソースコード中で「/**** xxxxここから ****/」と「/**** xxxxここまで ****/」とコメントを書いていますので、その部分と上記４つの解説を照らし合わせて読んでいただけると処理の大枠は掴めると思います。

カラー画像の読み込み

tiffFileReadDecode 関数でカラー画像を libtiff で TIFF を読み込んでデコードしています。この関数については下記のページで紹介していますので興味がある方は読んでみてください。

libtiffの使い方解説ページアイキャッチ 【C言語】LibTIFFのインストールと使用方法・使用例

カラー画像のモノクロ化

こちらに関しては下の「C言語で画像をモノクロ・グレースケール化」のページで解説していますので、詳細を知りたい方はこちらを参考にしてください。

画像のグレースケール化の解説ページアイキャッチ 【C言語】画像をグレースケール化

モノクロ画像の１ビット化

ポイントは３つです。

１つ目は横幅の調整です。C言語で扱えるデータの型は基本的にバイト単位です（例えば char 型もサイズは１バイトですよね）。ビット単位で扱える基本的なデータの型はありません。ですので、１ビット画像の１ライン分をバイト単位で扱えるように、画像の横幅を８の倍数に調整し、調整後の横幅で１ビット画像のデータを確保するメモリを確保しています。

  /* 扱いやすいように画像の横サイズを8の倍数に切り上げ */
  alignedWidth = ((grayBitmap.width + 7) / 8) * 8;
  
  /* データサイズはピクセル数 / 8 */
  dataSize = grayBitmap.height * alignedWidth / 8;

  /* 1ビット画像データを格納するためのメモリを確保 */
  oneBitData = (unsigned char*)malloc(sizeof(unsigned char) *

で、基本的にモノクロ画像のデータ（先頭アドレスは graybitmap.data）を原点から横方向に対して各ピクセルの値が閾値以上か閾値未満かに応じて、１ビット画像データ（先頭アドレスは oneBitData）に値を格納していっています。この値の格納はビット演算により実行しています。

if(grayBitmap.data[m + n * grayBitmap.width] >= TH){
  /* (m, n)画素の値が閾値以上の場合
     (m, n)画素に対応するアドレスの
     第bitビットを"1"に設定 */
  oneBitData[byte] = 
    oneBitData[byte] | (1 << bit);
} else {
  /* (m, n)画素の値が閾値未満の場合
     (m, n)画素に対応するアドレスの
     第bitビットを"0"に設定 */
  oneBitData[byte] =
    oneBitData[byte] & (~(1 << bit));
}

このビット演算が２つ目のポイントですね。ビット演算について詳しくしたい方は下記ページを是非読んでみてください。

ビット演算解説ページのアイキャッチ C言語のビット演算（論理演算）について解説

３つ目のポイントはアドレスやビットの変更です。ソースコード中における “byte” は oneBitData の先頭から何バイト目かのデータに値を格納するか、 “bit” はそのデータの何ビット目かにデータを格納するかを制御する変数になっています。

oneBitData には１つのバイトに対して８ピクセル分のデータを格納していく訳ですから、８ピクセル分のデータを格納した時に byte を１増やすように制御する必要があります。このプログラムでは最上位ビット（第７ビット）から順に最下位ビット（第０ビット）まで順に値を格納していくようにしていますので、bit が最下位ビットを表す “0” の状態で値を格納し終わった時に、byte を次のバイトに移動し（byte++）、bit を最上位ビットを表す “7” に戻す処理を行っています。

最下位ビットでない場合は単に bit を１減らす処理を行います。これらを行っているのが下記部分になります。

if(bit == 0 || m == grayBitmap.width - 1){
  /* 1バイト分の値を格納し終わったので
     次のバイトの最上位ビットに移動 */
  byte++;
  bit = 7;
} else {
  /* まだ１バイト分値を格納し終わっていない場合
     次の下位ビットに移動 */
  bit--;
}

これらをモノクロ画像の全ピクセルに対して処理してやれば、oneBitData に graybitmap.data に格納されたモノクロ画像データを１ビット化したデータが格納されます。

１ビット画像の書き出し

最後に行うのは１ビット画像データのエンコードとファイル書き出しです。これらの処理は writeOneBitTiff 関数で行なっています。

この関数では下記の四つの処理を libtiff が提供する関数を用いて実行しています。

  1. TIFFを開く（TIFFOpen）
  2. タグを設定（TIFFSetField）
  3. エンコードとファイル書き込み（TIFFWriteEncodedStrip）
  4. TIFFファイルを閉じる（TIFFClose）

ポイントは「タグ設定」です。TIFF ファイルは大きく分けると「（エンコードされた）画像データそのもの」と「画像の情報を表すタグ」の二つから構成されます。

TIFFファイルの構造

この「タグ」には画像のサイズ・各ピクセルのビット数・エンコード形式などの画像の情報が格納されています。プレビューなどの画像を表示するアプリはこの「タグ」の情報から画像がどのようなものかを調べ、その情報に基づいてデータをデコードして表示しているというわけです。

libtiff ではこの「タグ」を TIFFSetField 関数で設定することができます。どのようなタグを設定しているかはソースコード中のコメントを見ていただければ理解していただけると思います。

特に下記の２つは１ビット画像を libtiff に入力する時に必要な設定になります。

/* １色を表現するビット数 */
TIFFSetField(tiff, TIFFTAG_BITSPERSAMPLE, 1);

/* ピクセルあたりの色数 */
TIFFSetField(tiff, TIFFTAG_SAMPLESPERPIXEL, 1);

また下記ではエンコード形式を設定しており、エンコード形式に１ビット画像の書き出しで紹介したCCITT Group 4 を指定しています。

/* 圧縮形式 */
TIFFSetField(tiff, TIFFTAG_COMPRESSION, COMPRESSION_CCITTFAX4);

そして TIFFWriteEncodedStrip 関数に、そのタグを設定した tiff と１ビット画像のデータサイズと先頭アドレスを指定して実行することで、指定したデータがエンコードされてファイルとして書き出されることになります。

/* 開いたファイルにエンコードしたデータを書き込み */
if(TIFFWriteEncodedStrip(tiff, 0, data, dataSize) == 0){
  printf("TIFFに書き込めません\n");
  return -1;
}

libtiff が提供している関数の詳細は下記ページから調べることができますので、ここで使った関数について詳しく知りたい方は下記を参照していただければと思います。

参考 Man Pages - LibTIFFlibtiff.org

まとめ

このページではまず１ビット画像について解説し、続いてその１ビット画像の作り方と１ビット画像を作成するプログラムについて解説しました。

なかなか１ビット画像を扱う機会は無いかもしれませんが、１ビット画像を作成するプログラムを作ってみるとかなりプログラミングの力が付きますので一度自分で作ってみても良いと思います。難易度も高いですし、画像として結果が確認できますので作成出来たときは達成感を感じられると思います。

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