C言語で画像処理プログラミングに挑戦してみよう!

ここではC言語で画像データを扱い、画像処理する方法・画像処理プログラムの紹介をします。

C言語で画像処理を学ぶ意義

プログラミングを学ぶ上で画像処理は良い題材だと思ってます。

1つ目の理由は楽しく学べることです。

扱うデータが馴染みのある画像ですし、自分のプログラムで画像がどう変わるかが目に見えてわかるので楽しく学べると思います。

2つ目の理由はポインタが理解できることです。

C言語でポインタは難所と言われています。画像処理プログラミングをやっていると画像データのどこにどうやってアクセスするかをポインタを使って考える必要があり、必ずポインタを使ったプログラムになります。画像処理を通してポインタに慣れたり理解を深めることもできますので、ポインタを学びたい人にもおすすめです。

3つ目の理由は学べることが多いことです。

このページにも書いていますが画像データの構造画像データのフォーマットなどの画像関連のことだけでなく、三角関数補間などの数学的要素の知識も必要になります。2つ目の理由にも挙げたようにポインタの利用も必要です。また画像処理は処理の重いケースが多くそれをいかにして高速するかの高速化についても考える必要があります。JPEGやTIFFなどの難しいフォーマットの画像を扱うためにOSSをリンクしたプログラム作成も必要になります。画像処理プログラミングではたくさんの知識・考慮が必要になりますので、最初は敷居が高いかもしれませんが、かなりプログラミングの力をつけることが出来ると思います。

画像データの構造

画像処理プログラミングを行う上で画像データの構造を知ることは必要不可欠です。

下の記事では画像データとは何か?画素とは何か?RAW形式とは何か?について説明していますので、是非読んでみてください。

画像データの構造・画素・RAWデータについて解説画像データの構造・画素・RAWデータについて解説

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画像処理を行う手順

C言語の画像処理プログラミングでは次のような手順を踏んで行うのが一般的です。

STEP.1
画像ファイル読み込み

JPEGやTIFF等の画像ファイルを読み込みます

STEP.2
デコード

読み込んだデータをデコードしRAW形式へ変換します

STEP.3
画像処理

RAW形式の画像データに対して画像処理を実行します

STEP.4
エンコード

画像処理後の画像データをエンコードし、JPEGやTIFF形式に変換します

STEP.5
ファイルの保存

エンコードしたデータをファイルに書き出しします

要は、画像処理しやすい形式のRAW形式に変換してから画像処理を行おう!というわけです。なぜなら、JPEGやTIFFなどの画像フォーマットは画像サイズが小さく一般的によく使用されていますが、画像の中身は圧縮のために符号化されており、画像処理プログラミングを行うのに適していないためです。

ちなみに入出力するファイルの形式がRAWで問題ない方はSTEP.2とSTEP.4は省いて良いです。が、RAW形式の画像はサイズが大きいですし、読み込めないソフトやアプリが多いのであまりお勧めはしないです。

画像の読み込み・デコード・エンコード・画像のファイル保存

言ってしまうと、STEP.1〜STEP.2の画像の読み込みとデコードは画像処理を行うにあたっての前作業であり、STEP.4〜STEP.5のエンコードと画像のファイル保存は画像処理の後作業です。

しかし、実はこの中の特にデコードとエンコードのプログラムを作成するのは難しく、ここが画像処理プログラミングを行うにあたっての大きなハードルとなっています。

このサイトではこれらをlibjpegやlibpng等のライブラリを用いて簡単に実現する方法を下の記事にまとめています。画像処理プログラミングを始めたいと思っている方は是非読んでみてください。

JPEGファイル

こちらの記事ではLibJPEGライブラリを用いたJPEGファイルのデコード・エンコードするプログラムを紹介していますので、よろしければ参考にしてください。

LibJPEGのインストールとC言語での使用方法・使用例LibJPEGのインストールとC言語での使用方法・使用例

TIFFファイル

またこちらの記事ではLibTIFFライブラリを用いたTIFFファイルのデコード・エンコードするプログラムを紹介しています。

LibTIFFのインストールとC言語での使用方法・使用例LibTIFFのインストールとC言語での使用方法・使用例

PNGファイル

さらにこちらの記事ではlibpngライブラリを用いたPNGファイルのデコード・エンコードするプログラムを紹介しています。

libpngのインストールとC言語での使用方法・使用例libpngのインストールとC言語での使用方法・使用例

WebPファイル

こちらではlibwebpライブラリを用いたWebPファイルのデコード・エンコードするプログラムを紹介しています。

libwebpのインストールとC言語での使用方法・使用例libwebpのインストールとC言語での使用方法・使用例

PPMファイル

PPM形式は簡単に言ってしまうと「RAW形式の画像データにヘッダが付加された形式」です。ですので、画像サイズは大きいものの、画像のデコードが簡単(ヘッダを読み込んで画像サイズ等を取得すれば良いだけ)なので、STEP.2とSTEP.4を簡単に実行することができます。

こちらは自分でプログラミングすることも可能ですし、ライブラリを使用せずにプログラミングするのであればこの形式の画像を用いて画像処理の勉強をするのは良い手だと思います。

PPMに関しましては碧色工房さんのページがかなり詳しくわかりやすいのでご参照ください。

参考 画像ファイルの扱い方 (2) -PPM/PGM/PBM形式 (1)碧色工房

C言語で画像処理してみよう

RAW形式への変換、RAW形式からの変換が行えるようになれば後はSTEP.3の画像処理プログラムを実装してやれば良いだけです。

このサイトでもいろいろな画像処理について記事を作成し、その記事内で詳細と実例プログラムを紹介していますので是非参考にしてください。

グレースケール変換

画像をモノクロ化する原理とプログラムを紹介します。

C言語で画像をモノクロ・グレースケール化

画像の拡大縮小

画像の拡大縮小を行う原理とプログラムを紹介します。

・拡大縮小の原理

画像の拡大縮小・リサイズの原理、アルゴリズムによる違いを解説!

・最近傍補間法

C言語で画像の拡大縮小(最近傍補間編)

・線形補間法

C言語で画像の拡大縮小(線形補間編)

画像の回転

画像を回転する原理とプログラムを紹介します。

C言語で画像を回転

画像のアフィン変換

アフィン変換とは何か?をまず説明し、アフィン変換を行うプログラム例を紹介します。

C言語で画像をアフィン変換

画像のトリミング

画像の一部を切り取ってトリミングする原理とプログラムを紹介します。

C言語で画像の切り抜き・トリミング

画像のスキュー

画像をスキューして平行四辺形化する原理とプログラムを紹介します。

C言語で画像のスキュー

画素値の取得

画像を加工する画像処理とは違いますが、画像の情報を取得するプログラムの一つとして画素値を取得するプログラムを紹介しています。

C言語での画像の画素値取得

アルファチャンネル付き画像の処理

アルファチャンネル付きPNGの扱い方、RGBA画像からRGB画像への変換方法などのプログラムを紹介しています。

C言語でアルファチャンネル付きPNGを画像処理

画像処理の高速化

計算量の多い画像処理プログラムを高速化するポイントを紹介します。

C言語 画像処理プログラムの高速化方法を解説C言語 画像処理プログラムの高速化方法を解説

マルチスレッドを用いた画像処理

画像の拡大縮小処理をマルチスレッド化する方法を紹介します。

マルチスレッドで画像の拡大縮小を高速化

画像処理における逆行列の重要性

特に座標変換(アフィン変換・回転など)における逆行列の重要性、変換後座標でのループの重要性について説明します。

画像処理プログラミングにおける逆行列の重要性

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まとめ

・画像処理はC言語プログラミングを学ぶのに最適

・画像データはポインタを用いて簡単に扱える

・デコードとエンコードのプログラミングは難しいがライブラリを用れば簡単に実装可能

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