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減色処理 雑談
2022.04.04


YouTube でも紹介しています。画像をクリックすると再生できます。


元画像

LCD表示画像
24ビット(1677万色)画像を一般的なTFT LCD(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display)に表示させています。
しかし、画像処理確認用のディスプレイとして使用する際には注意が必要です。

■検証環境

ノートパソコンから、TeraTermによりラズベリーパイにSSH接続して操作します。
ビルドには、PlatformIOを使用しています。
Arduino開発環境構築 PlatformIO

■Adafruit 2.2" 18-bit color TFT LCD display with microSD card breakout
ディスプレイには、ILI9340ドライバ仕様の解像度320x240、16bitカラーモニターを使用します。
・2.2" diagonal true TFT LCD display has 320x240 colour pixels
・The TFT driver (ILI9340) can display full 18-bit color (262,144 shades!)
・ultra-low-dropout 3.3V regulator and a 3/5V level shifter so you can use it with 3.3V or 5V power and logic.
・comes with a microSD card holder so you can easily load full color bitmaps from a FAT16/FAT32 formatted microSD card (card not included)


■Unexpected Maker TinyS2
TinyS2 は、ESP32-S2チップを搭載しており、4MB Flash と 2MB PSRAM を実装していますので、画像解像度320x240程度のLCDを使うのであれば、オンメモリー上での処理が可能です。
TinyS2 に関しては下記を参考にしてください。

→ Unexpected Maker TinyS2


■配線
TinyS2 - Adafruit TFT display
GND  - GND
3V3  - VIN
GPIO[14]  - DC:SPI data / command selection
GPIO[9]  - RESET
GPIO[8]  - SD CS:Chipselect
GPIO[38]  - LCD CS:Chipselect
SPI MO[35]  - SDI(MOSI):SPI data line
SPI MI[36]  - SDO(MISO):SPI data line
SPI SCK[37] - SCK:SPI clock line
GPIO[4] - BACKLIGHT

■BMPファイル → 配列データ変換

サンプル画像として左の24bit、1677万色BMP形式画像ファイル(240x320)を用います。
BMP画像ファイルの解析ですが、そのままのバイナリーデータでは検証しにくいので、16進データ・テキスト配列に変換します。 配列への変換方法はお好み次第ですが、手っ取り早く、PHPで変換プログラムを作成しました。


bin2hex.php
<?php
	$fname = $argv[1];
	if(!($file_size = filesize($fname))) return;
	list($file_name,$file_type) = explode('.',$fname,);
	if (!($infp = fopen($fname,"rb"))) return;
	$outfile = $file_name.'.h';
	$outfp   = fopen($outfile,"w");

	fwrite($outfp, "const unsigned long mid_len = ".$file_size.";\n");
	fwrite($outfp, "const unsigned char mid_data[".$file_size."] = {\n");
	$i = 0; $cnt = 0;
	while (!feof($infp)) {
		$byte = fread($infp, 1);
		$hexChar = '0x'.bin2hex($byte);
		if ((++$cnt)==$file_size) {
			fwrite($outfp,$hexChar."\n};\n");
			break;
		} else {
			if ((++$i)%16) {
				fwrite($outfp,$hexChar.",");
			} else {
				fwrite($outfp,$hexChar.",\n");
			}
		}
	}
	fclose($outfp);
	fclose($infp);
?>

BMP画像ファイル nostalgic_eye.bmp を nostalgic_eye.h に変換してみます。
$ php bin2hex.php nostalgic_eye.bmp

PHPスクリプトを実行すると、BMPファイルの拡張子が h に置き換わったデータファイルが生成されます。

【nostalgic_eye.h の内容】

const unsigned long bmp_len = 230454;
const unsigned char bmp_data[230454] = {
0x42,0x4d,0x36,0x84,0x03,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x36,0x00,0x00,0x00,0x28,0x00,0x00,0x00,0xf0,0x00,
0x00,0x00,0x40,0x01,0x00,0x00,0x01,0x00,0x18,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x61,0x0f,
0x00,0x00,0x61,0x0f,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0xbe,0xef,0xfc,0xc1,0xed,0xfa,
0xca,0xed,0xfa,0xcf,0xf2,0xfc,0xcf,0xf3,0xfa,0xd0,
0xf6,0xf9,0xd3,0xf9,0xfa,0xd2,0xf8,0xfa,0xd2,0xf6,
0xfb,0xd1,0xf5,0xfd,0xd0,0xf3,0xfe,0xd1,0xf3,0xfe,
........
};

Header
InfoHeader
Pixel Data
Header内のDataOffset値は[0x36,0x00,0x00,0x00]で、54バイトなので、ColorTableは存在せず、InfoHeaderの次にPixel Dataが続きます。

■BMPファイルの構造
BMPファイルは、Header,Info header,ColorTable,Pixel Dataにより構成されています。
データはリトルエンディアン、つまり後ろのバイトデータの方が上位にある形式で記録されます。
24bitビットマップの場合、1画素あたり24bit(3byte)で、Blue(8bit)、Green(8bit)、Red(8bit)の順番で色の値が記録されます。
THE BMP FILE FORMAT

■画像表示
まずは、この画像をそのまま表示させてみます。
プロジェクトを作成します。
$ mkdir ~/TinyS2
$ cd ~/TinyS2
$ pio init -b um_tinys2

ライブラリをインストールします。
$ pio lib install 571
$ pio lib install 13
$ pio lib install 6214

環境設定ファイルを編集します。>
$ vi platformio.ini
[env:um_tinys2]
platform = espressif32
platform_packages =
        framework-arduinoespressif32 @ https://github.com/espressif/arduino-esp32
board = um_tinys2
framework = arduino
build_flags =
        -DBOARD_HAS_PSRAM
        -mfix-esp32-psram-cache-issue
lib_deps =
        adafruit/Adafruit ILI9341@^1.5.10
        adafruit/Adafruit GFX Library@^1.10.14
        adafruit/Adafruit BusIO@^1.11.3

プログラムを作成します。
$ vi src/bitmap.ino
このコードでは、画像をヘッダーファイルには含めず、はファイルから読み込んでいます。
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_ILI9341.h>
#include <SD.h>

#define SPI_miso    36
#define SPI_mosi    35
#define SPI_sck     37
#define SPI_sd_ss    8
#define SPI_tft_ss  38
#define SPI_tft_dc  14
#define SPI_tft_rst  9
#define SPI_tft_bl   4

SPIClass SDSPI(HSPI);
Adafruit_ILI9341 tft = Adafruit_ILI9341(SPI_tft_ss, SPI_tft_dc, SPI_mosi, SPI_sck, SPI_tft_rst, SPI_miso);

typedef struct {
	uint8_t Signature[2];
	uint8_t FileSize[4];
	uint8_t reserved1[4];
	uint8_t DataOffset[4];
	uint8_t Size[4];
	uint8_t Width[4];
	uint8_t Height[4];
	uint8_t Planes[2];
	uint8_t BitPerPixel[2];
	uint8_t Compression[4];
	uint8_t ImageSize[4];
	uint8_t XpixelsPerM[4];
	uint8_t YpixelsPerM[4];
	uint8_t ColorsUsed[4];
	uint8_t ImportantColors[4];
} BMP_FORMAT;

uint32_t swap32(uint8_t *pt) {
	uint32_t ret;
	ret  = *pt;
	ret |= (*(pt+1)<< 8)&0x0000ff00;
	ret |= (*(pt+2)<<16)&0x00ff0000;
	ret |= (*(pt+3)<<24)&0xff000000;
	return ret;
}

void setup() {

	int32_t x, y, width, height;
	uint8_t nBuf[16];
	uint8_t *pixels, *imgpt;

	BMP_FORMAT *bmp_fmt;
	File fileSD;

	SDSPI.begin(SPI_sck, SPI_miso, SPI_mosi, -1);
	SD.begin(SPI_sd_ss, SDSPI);
	fileSD = SD.open("/nostalgic_eye.bmp", FILE_READ);

	bmp_fmt = (BMP_FORMAT *)malloc(sizeof(BMP_FORMAT));
	fileSD.read((uint8_t*)bmp_fmt,sizeof(BMP_FORMAT));
	width  = swap32(bmp_fmt->Width);
	height = swap32(bmp_fmt->Height);
	pixels = (uint8_t *)malloc(width * height * 3);
	if (swap32(bmp_fmt->DataOffset)>54) fileSD.read(nBuf,swap32(bmp_fmt->DataOffset));

	uint8_t mod = (width % 4) * 3;

	for(imgpt=pixels,y=0; y < height; y++){
		for(x=0; x < width; x++,imgpt+=3){
			fileSD.read(nBuf,3);
			*imgpt     = nBuf[0];
			*(imgpt+1) = nBuf[1];
			*(imgpt+2) = nBuf[2];
		}
		if (mod>0) fileSD.read(nBuf,mod);
	}
	fileSD.close();
	SD.end();
	SDSPI.end();

	tft.begin();
	tft.setRotation(2);
	tft.fillScreen(ILI9341_BLACK);

	for(imgpt=pixels,y=0; y < height; y++){
		for(x=width-1; x>=0; x--,imgpt+=3) {
			tft.drawPixel(x, y, tft.color565(*(imgpt+2),*(imgpt+1),*imgpt));
		}
	}
	free(bmp_fmt);
	free(pixels);
}

void loop() {}

プログラムの書込みは、TinyS2をRaspberry Pi にUSB接続後に、[BOOT]を押しながら[RESET]をクリックして、デバイスをダウンロードモードにします。
$ pio run -t upload -e um_tinys2
TinyS2の[RESET]ボタンを押すことで、ダウンロードモードから抜けて、プログラムが実行されます。


元画像はR、G、B各1バイト計3バイトの色情報を持っていますが、このTFT DISPLAYでは2バイトの色情報が用いられます。
画像表示には、tft.drawPixel()関数を用いて、1ドットずつ表示しています。
tft.drawPixel(x, y, tft.color565( red, green, blue));

tft.color565()関数では、赤を5ビット、緑を6ビット、青を5ビットの計16ビット、2バイトに減色しています。
tft.drawPixel()関数では、この減色された色情報を元に画像を再現します。

独自の関数color565()に置き換えてみても表示結果は変わらないので、tft.color565()は単純にビット処理を行っているだけです。
uint16_t color565(uint8_t red, uint8_t green, uint8_t blue){
 return ((red>>3)<<11) | ((green>>2)<<5) | (blue>>3);
}


3バイトの色情報を2バイトに減色する様子を、画像データ先頭の1ピクセルを例にとって説明します。
BGR
0xbe0xef0xfc
元画像1011 11101110 11111111 1100
↓3bitシフト↓2bitシフト↓3bitシフト
減色画像0001 01110011 10110001 1111
↓↓↓
LCD表示画像1111 1111 0111 0111
24bit BMP画像では、青、緑、赤の順番で色情報が繰り返されます。
青と赤は右に3ビットシフトして、それぞれ5ビットに、緑は2ビットシフトして6ビットの情報に切り詰められています。
赤5ビット、緑6ビット、青5ビットの順でつなぎ合わせて、計16ビット、2バイトにしています。


元画像

減色画像
緑の色情報が、赤と青に比べて1bit多いので、全体的に緑がかった画像になっています。 また、各色のビット数が減ったため、色の数値が小さくなり、黒に近づくため、暗い色合いになっています。


減色画像

LCD表示画像
ディスプレイ表示の際には、減色された2バイトの色情報を用いて画像を再現しています。
結果として、tft.drawPixel()内部で優れた補正処理が行われていることがわかります。

このように、TFT LCDを使った画像の表示では、モジュール自体が適正な補正を実行してしまうため、表示される画像が本来の画像とは異なっていることを理解しておく必要があります。
画像処理の確認に用いるのであれば、24bit画像でれば、各色1バイトをそのまま表現できるフルカラーディスプレイの使用も検討したほうがよいかもしれません。

■補足
tft.color565 では 24bit BMP画像を 16bit BMP画像に変換していました。
16ビットカラーでは、最大65,536色を表現できます。 光の三原色、赤・緑・青のうち、赤と青を5ビット(32段階)、緑を6ビット(64段階)で表現しています。 緑だけ1ビット多いのは、人間の目は緑色の変化に敏感なためと言われています。

単純にビット数を減らしていくと、赤緑青各色が 0x00 に近づくので全体として暗くなっていきます。

元画像(例:0xbe,0xef,0xfc)

各色1bit減色(例:0x5f,0x77,0x7e)

各色2bit減色(例:0x2f,0x3b,0x3f)

各色3bit減色(例:0x17,0x1d,0x1f)

■参考文献
Bitmapファイルを入出力してみる - [物理のかぎしっぽ]
Bitmapファイルフォーマット
 Raspberry Pi(ラズベリー パイ)は、ARMプロセッサを搭載したシングルボードコンピュータ。イギリスのラズベリーパイ財団によって開発されている。
2020.05.28 画像処理 第1回トイカメラ
2020.06.09 画像処理 第2回カメラモジュール制御
2020.06.28 画像処理 第3回リアルタイムクロック
2020.07.08 画像処理 第4回電源回路
2020.10.27 画像処理 第5回自作デジカメ初号機完成
2020.11.10 画像処理 第6回ドーナツデジカメ
2021.05.16 画像処理・基本変換
2021.07.10 M5Stackアプリの移植
2022.04.04 減色処理 雑談
2022.04.18 減色処理 均等量子化法とK平均法
2022.05.04 減色処理 グレースケール・二値化
2022.05.18 減色処理 二値化画像印刷
2022.08.12 京セラ feelH” Treva カメラ
2022.10.15 デジカメ弐号機 1.仕様変更
2022.10.21 デジカメ弐号機 2.SDカードとRTC
2022.11.04 デジカメ弐号機 3.SPI DISPLAY
2022.11.18 デジカメ弐号機 4.ストリーミング
2022.12.02 デジカメ弐号機 5.機能統合
2022.12.17 デジカメ弐号機 6.完成
2023.05.15 アナログ風ゲージ
2023.06.01 ADS1115デジタル電圧計
2023.10.01 立体視(ステレオグラム)
2024.04.08 自作デジカメ参号機・雑談
2024.08.24 シリアルカメラ


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