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  • C语言实现直方图统计和直方图均衡化
    万次阅读
    2017-12-06 11:56:54

    C语言实现直方图统计

    #include <stdio.h>
    
    void DrawHistogram(int nArray[], int nCount, char ch) {
    
        for (int i = 0; i < nCount; i++) {
            for (int j = 0; j < nArray[i]; j++)
                printf("%c", ch);
            printf(" %d\n", nArray[i]);
        }
        printf("\n");
    }
    
    void CountRangeItems(int dArray[], int nDataItems, int nArray[]) {
        for (int i = 0; i < nDataItems; i++) {
            if (dArray[i] <= 160) nArray[0]++;
            else if (dArray[i] < 165) nArray[1]++;
            else if (dArray[i] < 170) nArray[2]++;
            else if (dArray[i] < 175) nArray[3]++;
            else if (dArray[i] > 175) nArray[4]++;
        }
    }
    
    int main() {
        int height[] = { 185, 176, 165, 169, 160, 152, 173, 196, 178, 169, 166, 182, 181, 171, 159, 163, 168 };
        int nArray[5] = { 0 };
        int nCount = 5, size = sizeof(height) / sizeof(height[0]);
        CountRangeItems(height, size, nArray);
        DrawHistogram(nArray, nCount, '*');
        getchar();
        return 0;
    }
    

    C语言实现直方图均衡化

    #include <stdio.h>
    
    void DrawHistogram(int nArray[], int nCount, char ch) {
    
        for (int i = 0; i < nCount; i++) {
            for (int j = 0; j < nArray[i]; j++)
                printf("%c", ch);
            printf(" %d\n", nArray[i]);
        }
        printf("\n");
    }
    
    void CountRangeItems(int dArray[], int nDataItems, int nArray[]) {
        for (int i = 0; i < nDataItems; i++) {
            if (dArray[i] <= 160) nArray[0]++;
            else if (dArray[i] < 165) nArray[1]++;
            else if (dArray[i] < 170) nArray[2]++;
            else if (dArray[i] < 175) nArray[3]++;
            else if (dArray[i] > 175) nArray[4]++;
        }
    }
    
    int main() {
        int height[] = { 158, 176, 165, 159, 160, 182, 173, 159, 178, 169, 166, 182, 179, 171, 159, 166, 157, 176, 171, 159 };
        int nArray[5] = { 0 };
        int nCount = 5, size = sizeof(height) / sizeof(height[0]);
        CountRangeItems(height, size, nArray);
        DrawHistogram(nArray, nCount, '*');
        printf("\n");
    
        //直方图归一化
        float histPDF[] = { 0 };
        printf("直方图归一化:\n");
        for (int i = 0; i < nCount; i++)
        {
            histPDF[i] = float(nArray[i])/20.0;
            //printf(" (%d) ", nArray[i]);
            printf("%.2f ", histPDF[i]);
        }
    
        //累积直方图
        printf("\n累积直方图:\n");
        float histCDF[] = { 0 };
        for (int i = 0; i < nCount; i++)
        {
            if (0 == i)
                histCDF[i] = histPDF[i];
            else 
                histCDF[i] = histCDF[i - 1] + histPDF[i];
            printf("%.2f ",histCDF[i]);
    
        }
        //直方图均衡化,映射
        printf("\n直方图均衡化:\n");
        int histEQU[] = {0};
        for (int i = 0; i < nCount; i++)
        {
            histEQU[i] = (int)(5.0 * histCDF[i] + 0.5);
            printf("%d ",histEQU[i]);
        }
        getchar();
        return 0;
    }
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    千次阅读 多人点赞 2019-10-23 13:27:49
    关键字:直方图统计C语言、lena256色灰度图 本文内容主要给大家介绍数字图像处理领域中直方图的相关内容以及在C语言下的实现,重点介绍了BMP图像文件格式,对于进一步的直方图均衡、直方图匹配、局部直方图处理等...

    关键字:直方图统计、C语言、lena256色灰度图

    本文内容主要给大家介绍数字图像处理领域中直方图的相关内容以及在C语言下的实现,重点介绍了BMP图像文件格式,对于进一步的直方图均衡、直方图匹配、局部直方图处理等内容之后会陆续推出。

    目录

    1.直方图

    2.图像的格式

    2.1位图文件头

    2.2位图信息头

    2.3调色板

    2.4位图数据

    3.C语言实现

    参考


    1.直方图

           直方图是多种空间域处理技术的基础,从统计学角度出发,提供关于一幅图像质量、对比度的相关信息,在暗图像中,直方图的分量集中在灰度级的低端,类似的,亮图像直方图的分量倾向于灰度级的高端;低对比度图像具有较窄的直方图,而高对比度图像倾向于占据整个可能的灰度级并且分布均匀。

    2.图像的格式

           图像有多种存储格式,像我们熟悉的jpg、png、bmp等等,其中bmp(bitmap的缩写)作为Windows操作系统的图像标准格式,使用广泛,加上bmp格式通常是不压缩的,初学数字图像处理时更易上手些,本文使用BMP格式的lena图像,该图适度的混合了细节、平滑区域、阴影和纹理,能够很好的测试各种图像处理算法,是数字图像处理的标准图之一。

    BMP文件格式主要由位图文件头、位图信息头、调色板、位图数据四部分组成,下面我们依次介绍:

    2.1位图文件头

           位图文件头(bitmap file header)这部分主要介绍图像类型、图像大小以及图像存放地址和两个保留未使用的字段,该部分共14个字节。打开WINGDI.h文件,定位到tagBITMAPFILEHEADER部分:

    字段

    大小(字节)

    描述

    bfType

    2

    位图类别,Windows下为BM

    bfSize

    4

    该BMP图像文件的大小

    bfReserved1

    2

    保留字段,总为0

    bfReserved2

    2

    保留字段,总为0

    bfOffBits

    4

    BMP位图数据的地址

    我们结合lena.bmp图像具体来看一下

    十六进制值

    描述

    42 4D

    BM的ASCII值,表明该文件为BMP格式

    36 04 04 00

    40436H=263222字节,约257KB

    00 00 00 00

    保留字段,总为0

    36 04 00 00

    436H=1078,位图数据开始的地方,即文件头、信息头、调色板的总长

    2.2位图信息头

    位图信息头(bitmap information header)主要介绍图像宽高、图像的色深、图像压缩等相关参数,该部分共40个字节。与上文类似,在WINGDI.h文件,定位到tagBITMAPFILEHEADER部分:

    字段名

    大小(字节)

    描述

    biSize

    4

    本结构的大小,在Windows中总为28H=40字节

    biWidth

    4

    该位图的宽度,以像素为单位

    biHeight

    4

    该位图的高度,以像素为单位

    biPlanes

    2

    目标设备的位平面数,必须为1

    biBitCount

    2

    位深度,常用1、4、8、24分布对应单色、16色、256色、真彩色

    biCompression

    4

    位图的压缩类型,0、1、2分别对应不压缩、BI-RLE8压缩、BI-RLE4压缩

    biSizeImage

    4

    位图的大小,以字节为单位

    biXPelsPerMeter

    4

    位图的目标设备水平分辨率,以每米像素数为单位

    biYpelsPerMeter

    4

    位图的目标设备垂直分辨率,以每米像素数为单位

    biClrUsed

    4

    该位图使用的颜色数

    biClrImportant

    4

    位图显示时被认为重要的颜色数

    结合lena.bmp图像具体看一下

    十六进制值

    描述

    28 00 00 00

    该部分共28H=40字节

    00 02 00 00

    该位图宽200H=512个像素

    00 02 00 00

    该位图高200H=512个像素

    01 00

    目标设备平面数,必须为1

    08 00

    位深度为8,256色

    00 00 00 00

    位图不压缩

    00 00 04 00

    位图大小不超过40000H=262144个字节

    00 00 00 00

    目标设备参数

    00 00 00 00

    目标设备参数

    00 01 00 00

    使用颜色100H=256色

    00 01 00 00

    其中重要的颜色100H=256色

    2.3调色板

    调色板(color table)是单色、16色和256色图像所特有的,分别对应于上文中的biBitCount为1、4、8,调色板每四个字节存放一个颜色值,所以256色图像调色板占256 * 4=1024个字节,假设某点的像素值为n,则该像素的颜色为bmiColor[n]所定义的颜色。在WINGDI.h文件中,定位到" tagRGBQUAD"部分:

    字段

    大小(字节)

    描述

    rgbBlue

    1

    蓝色亮度值

    rgbGreen

    1

    绿色亮度值

    rgbRed

    1

    红色亮度值

    rgbReserved

    1

    保留,总为0

    2.4位图数据

    接下来便是真正的位图数据了,14 + 40 + 256 * 4 = 1078,即位图文件头中的bfOffBits字段。另外要注意,我们这里用的是256色的图像,24位的真彩色图像时没有调色板的,位图信息头后直接就是位图数据。

    3.C语言实现

    由于篇幅原因,这里给出统计直方图相关代码,灰度最大值、最小值、数学期望、方差、图像熵等源码在下方GitHub地址中一并给出:https://github.com/fuyuanhao/HDIL-DIP :)欢迎大家给我点点小星星

    //需要引入头文件window.h
    //声明相关变量
    BITMAPFILEHEADER bmpFileHeader;
    BITMAPINFOHEADER bmpInfoHeader;
    RGBQUAD bmpColorTable[256];
    BYTE bmpValue[512 * 512];
    FILE *fp;
    //打开lena.bmp图像文件
    fp = fopen("lena.bmp", "rb");
    if (!fp){
    	printf("Cann't open the file!\n");
    	return 0;
    }
    //读取图像信息
    fread(&bmpFileHeader, sizeof(BITMAPFILEHEADER), 1, fp);
    fread(&bmpInfoHeader, sizeof(BITMAPINFOHEADER), 1, fp);
    fread(bmpColorTable, sizeof(RGBQUAD), 256, fp);
    fread(bmpValue, 1, 512 * 512, fp);	
    //将图像灰度值存入一位数组中
    int grayValue[512 * 512] = { 0 };
    for (int i = 0; i < 512 * 512; i++)
    {
    	grayValue[i] = bmpColorTable[bmpValue[i]].rgbBlue;
    }
    //统计直方图
    int grayCount[256] = { 0 };
    double grayFrequency[256] = { 0.0 };
    for (int i = 0; i < 512 * 512; i++)
    {
    	grayCount[grayValue[i]]++;
    }
    for (int i = 0; i < 256; i++){
    	if (grayCount[i]){
    		grayFrequency[i] = grayCount[i] / (512.0*512.0);
    		printf("灰度值%3d 频数为%6d 频率为%f\n", i, grayCount[i], grayFrequency[i]);
    	}	
    }
    //关闭图像文件
    fclose(fp);
    

    参考

    [1]冈萨雷斯.数字图像处理[M].电子工业出版社:北京,2011:72-87.

    [2]贾永红.数字图像处理[M].武汉大学出版社:武汉,2015:34-38.

    此外,本文撰写时参考了网上多篇博客,在此感谢大家的帮助。

     

    如果觉得本文有帮助,可以关注公众号【妙手】,获取更多数字图像处理相关内容:

    展开全文
  • C语言写的直方图统计

    2009-07-03 12:51:07
    用C编写的直方图显示,每个矩形分别为不同颜色,在WinTC下编译通过
  • 这是那本著名的《C语言程序设计》里的数组那部分的一个练习题基本思路是先统计出每个单词的长度(longth)和每个长度的单词出现的次数(number),然后用用两重循环分别扫描X和Y轴绘制直方图代码:#include #include #...

    这是那本著名的《C语言程序设计》里的数组那部分的一个练习题

    基本思路是先统计出每个单词的长度(longth)和每个长度的单词出现的次数(number),然后用用两重循环分别扫描X和Y轴绘制直方图

    代码:

    #include

    #include

    #define N 50

    struct words

    {

    int longth;

    int number;

    };

    int main()

    {

    //statistics

    printf("Please input some words:\n");

    words w[N];

    for(int i=0;i

    int flag=0;

    char c;

    for(int i=0;i

    {

    while((c = getchar())!= ' ')

    {

    if(c == '\n') break;

    else w[i].longth++;

    }

    flag = i;

    if(c == '\n') break;

    }

    printf("Count the longth of each word inputted:\n");

    printf("No.\tLongth\n");

    for(int j=0;j

    {

    if(w[j].longth != 0) printf("%2d\t%2d\n",j+1,w[j].longth);

    }

    //统计长度为i的单词有几个

    for(int i=1;i

    {

    for(int j=0;j<=flag;j++)

    if(w[j].longth == i) w[i].number++;

    else continue;

    }

    printf("Count the appearance times of each longth word:\n");

    printf("Longth\tCount\n");

    for(int i=1;i

    if(w[i].number!=0)printf("%d\t%d\n",i,w[i].number);

    //sort

    int s[N];

    for(int i=0;i

    //for(int i=0;i

    //找到横坐标的最大值

    for(int j=0;j

    for(int k=0;k

    if(s[k]

    {

    int temp=s[k];

    s[k]=s[k+1];

    s[k+1]=temp;

    }

    int ss[N];

    for(int i=1;i

    //for(int i=1;i

    //找到纵坐标的最大值

    for(int j=1;j

    for(int k=1;k

    if(ss[k]

    {

    int temp=ss[k];

    ss[k]=ss[k+1];

    ss[k+1]=temp;

    }

    //draw the Histogram

    int max_longth = s[0];//最长的长度,即横坐标的最大点

    int max_number = ss[1];//最多的个数,即纵坐标的最高点

    printf("max_longth=%d\nmax_number=%d\n",max_longth,max_number);

    //print

    printf("The Histogram :\n");

    printf("X: The longth of each input word\n");

    printf("Y: The statistics of their appearance\n");

    for(int i=max_number;i>0;i--)//打印纵坐标

    {

    printf("%2d",i);

    for(int k=1;k<=max_longth;k++)//开始对横坐标进行扫描

    {

    if((w[k].longth = k)&&(w[k].number >= i)) printf("%c",219);

    else printf(" ");

    }

    printf("\n");

    }

    printf(" ");

    for(int i=1;i<=max_longth;i++)

    printf("%d",i);

    printf("\nJob Done!\n");

    }

    其实一部分调试时所用的语句我没有删掉,或许对读程序有帮助。

    下面是我的一个测试的结果图:

    efc42429586a8ef646fd3e1114ba6bbb.png

    展开全文
  • 直方图既是一种精确表示数值型数据分布的统计图。从更一般的数学意义看,直方图也是一种不预先设定概率分布模型,只利用数据本身,进行概率密度估计的算法。属于统计学中非参数估计的基础算法。直方图也有很多种,用...

    一、直方图的基本概念

    在上文中介绍了,要计算联合熵,可以借助直方图提供的概率密度估计结果。

    直方图既是一种精确表示数值型数据分布的统计图。从更一般的数学意义看,直方图也是一种不预先设定概率分布模型,只利用数据本身,进行概率密度估计的算法。属于统计学中非参数估计的基础算法。

    直方图也有很多种,用得最多的一维频率直方图。虽然这种直方图看起来跟条形图(bar graph)差不多,但是条形图目的是关联两个数据维度,而直方图只涉及一个数据维度。要构建一维频率直方图,大致分为如下几步:

    第一步,是将一维数据的所有n个样本从小到大升序排列,记作{x1, x2, x3, … , xn},从而确定其样本取值范围[x1, xn];

    第二步是将整个取值范围划分为一系列连续的间隔,这个间隔被称之为箱(bin)或者bucket(桶),间隔通常(但不是必须)具有相同的尺寸;

    第三步是计算每个间隔中落入了多少个样本(频数),从而计算出每个间隔中落入样本的频率(频数/n);

    第四步是作图,在直角坐标系上,纵坐标是频率,横坐标是一维数据的数值。在每个间隔上方依据其频率画一个矩形。矩形的高度总和等于1。

    6159252dd42a28347a31f9e350b5c9ea14cebf47.jpg

    直方图概念可以参考维基百科hisogram词条或者百度百科频率直方图词条。直方图绘制中,最重要的工作就是间隔的选取。当样本总数n趋近与无穷而间隔趋近于极小时,频率直方图的阶梯形折线将逼近于概率密度曲线。下文中将统一以bin(箱)来代表间隔。

    二、直方图的数学意义

    在更一般的数学意义上,直方图是计算落入每个不相交类别(bin)的观察数量的函数mi,而直方图的图形仅仅是表示直方图的一种方式。设bin的宽度为h,bin的数量为k,样本总数为n。这直方图函数m满足如下条件:

    45b5f398849f28002815cc3a8a74d6f74a7626aa

    样本中最大值为max x, 最小值为min x, 则bin的数量k可以计算如下:

    d3f97cb49e14592952c50dd4eb2e8d24338df0c8

    每个设第i个bin内落入的样本数量为mi个,对应的频率fi为:

    fi = mi / n

    题外话:使用数组将每个bin的上下确界(记作Si和Ii)和对应的频率fi以键值对的形式保存,记为(Si, Ii]: fi,即可将整个直方图的计算结果保存,可随时取出绘制成图形。python的pandas类库就是这么做的。

    然而bin的宽度如何选取呢?没有“最佳”的bin宽度,不同的bin宽度可以揭示数据的不同特征。这就是分组数据的精妙之处。有一些经验性的规则可以帮我们。比如:

    平方根选择:它取样本总数的平方根并舍入到下一个整数。此方法由Excel、python等许多程序使用

    5234a4828c2eb281662ea74bb909395899b3d76a

    Sturges公式,来自二项式分布,并隐含地假设近似正态分布。它隐含地将箱尺寸基于数据范围,并且如果n  <30 则可能表现不佳  ,因为箱的数量将小 – 小于7 – 并且不太可能在数据中显示趋势。如果数据不是正态分布,它也可能表现不佳。

    c020d823eb7a197d7db70bc66f8189c2ed7782b8

    更多的bin宽度/个数 的经验选择法请参考维基百科hisogram词条。

    三、使用Python计算直方图

    使用python的pandas类库可以非常轻松地计算一维频率直方图。pandas有两个主要数据结构Series(一维)和DataFrame(二维)。使用Series.value_counts()方法,可以很容易地把某一维数据series的分组频率结果,也保存成series的结构。series结构其实就是个一维数组,只不过其数组下标不一定是递增的自然数列,也可以是指定的索引。关于该函数的详细介绍请参考pandas官方文档pandas.Series.value_counts

    PowerShell

    In [121]: data = np.random.randint(0, 7, size=50)

    In [122]: data

    Out[122]:

    array([6, 4, 1, 3, 4, 4, 4, 6, 5, 2, 6, 1, 0, 4, 3, 2, 5, 3, 4, 0, 5, 3, 0,

    1, 5, 0, 1, 5, 3, 4, 1, 2, 3, 2, 4, 6, 1, 4, 3, 5, 2, 1, 2, 4, 1, 6,

    3, 6, 3, 3])

    In [123]: s = pd.Series(data)

    In [124]: s.value_counts()

    Out[124]:

    4 10

    3 10

    1 8

    6 6

    5 6

    2 6

    0 4

    dtype: int64

    //注意,value_counts只统计了频数,没算频率

    //要算频率需要归一化,s.value_counts(normalize=True)

    //另外bin数量这里取的默认值,如果想指定bin数量,可以写成s.value_counts(bins=10)

    1

    2

    3

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    21

    22

    23

    24

    In[121]:data=np.random.randint(0,7,size=50)

    In[122]:data

    Out[122]:

    array([6,4,1,3,4,4,4,6,5,2,6,1,0,4,3,2,5,3,4,0,5,3,0,

    1,5,0,1,5,3,4,1,2,3,2,4,6,1,4,3,5,2,1,2,4,1,6,

    3,6,3,3])

    In[123]:s=pd.Series(data)

    In[124]:s.value_counts()

    Out[124]:

    410

    310

    18

    66

    56

    26

    04

    dtype:int64

    //注意,value_counts只统计了频数,没算频率

    //要算频率需要归一化,s.value_counts(normalize=True)

    //另外bin数量这里取的默认值,如果想指定bin数量,可以写成s.value_counts(bins=10)

    另外python的numpy类库也有numpy.histogram函数也可以计算直方图统计结果,只是更为底层,它会将频率和bin用两个数组返回。

    四、二维联合直方图( 2D Joint Histograms )

    之前主要以一维频率直方图为例简单介绍什么是直方图。事实上多个维度也可以计算直方图。先从最简单的二维联合直方图开始介绍。

    设有两个样本集X和Y,各有n和m个样本。如果这X与Y各自绘制一维频率直方图,bin的尺寸分别为hx和hy,bin的个数分别是kx, ky。则X与Y构成的二维联合直方图,是一个三维图形:纵轴代表X,横轴代表Y,则二维直方图的bin是一个矩形,面积h = hx * hy。bin的总数k = kx *ky 个。落入每个bin中的样本数或者频率,则以颜色或者Z轴高度表示。

    0de8cb779568d2a3cfefa65edfd6cbbf.png

    上图是使用python的numpy类库中的numpy.histogram2d 方法来计算二维联合直方图后的结果。这里使用了颜色来表示每个bin中的样本频率。三个小图的不同显示效果是由bin边缘的不同设置造成的。详见numpy官方文档numpy.histogram2d

    61f9fb7cf4664980a2adfb491e98b9d3.png

    上图是同时使用颜色和Z轴高度来表示每个bin中的样本频率的二维联合直方图。在这个图中,还在X轴和Y轴处还将各自的一维频率直方图展示了出来,更为容易理解。

    存储二维联合直方图的重点,是使用标号保存每个bin的位置信息,及bin所对应的频率。故可以用二维数组来存储。简单记作bin[x][y] = f(x,y), 其中x和y是数组下标, f(x,y)是下标为x,y的bin对应的频率。

    五、多维联合直方图( Multivariate Joint Histogram )

    我们可以将直方图这一概率密度估计的算法推广到3维或者更高维度,但3维或者更高维度的联合直方图就不好用图形表示了,更多的时候是作为一种记录统计数据的数据结构而存在,可直接帮助我们计算多个数据维度的联合概率分布,稍作变换就可以计算联合熵和条件熵。

    站在计算机科学的角度,多维联合直方图的一个重要问题是,如何表示和存储其计算结果。

    一个简单的方法是将多变量联合直方图直接存储为多维数组。一维数据的直方图可以存储成一维数组bin[x]=f(x),二维数据的二维联合直方图可以存储为二维数组bin[x][y] = f(x,y), 以此类推,n维数据可以存储为n维数组bin[x1][x2]…[xn]=f(x1, x2, …, xn)。

    有一些C语言类库可以直接计算多维联合直方图,并且可以与python绑定: https://github.com/boostorg/histogram

    然而,使用多维数组的内存需求会随着数据维度和bin数量的增加而显著增加。假设有N个数据维度,我们对所有维度都使用B个bin,如果频率也以浮点数进行存储,那么我们就需要B^N个浮点数才能表示这个多维联合直方图。这对存储空间的消耗也指数型增长的。这给我们处理多维联合直方图造成了很大的麻烦。在下一节中将详细介绍存储多维联合直方图的新数据结构。

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