fft.cpp

将数字图像处理的一般算法都集中在一个MFC的框架中

#include "stdafx.h"
#include "FFT.h"
#include "math.h"

/***********************************************************************
* 函数名称：
* Transform_FFT()
*
*说明：无参数的构造函数，对成员变量进行初始化
***********************************************************************/
Transform_FFT::Transform_FFT()
{
	m_pImgDataOut=NULL;//输出图像位图数据指针为空

	m_lpColorTableOut=NULL;//输出图像颜色表指针为空
	
	m_nColorTableLengthOut=0;//输出图像颜色表长度为0

    m_nBitCountOut=0;//输出图像每像素位数为0	

	m_imgWidthOut=0;//输出图像的宽为0

	m_imgHeightOut=0;//输出图像的高为0	

	m_pFFTBuf=NULL;//傅立叶变换缓冲区为空

	m_pImgExpandBuf=NULL;//输入图像扩展缓冲区指针初始化为0

	m_isExpanded=FALSE;// 图像没有被扩展，标志变量置假

}

/***********************************************************************
* 函数名称：
* Transform_FFT()
*
*函数参数：
*  CSize size -图像大小（宽、高）
*  int nBitCount  -每像素所占位数
*  LPRGBQUAD lpColorTable  -颜色表指针
*  unsigned char *pImgData  -位图数据指针
*
*返回值：
*   无
*
*说明：本函数为带参数的构造函数，给定位图的大小、每像素位数、颜色表
*      及位图数据，调用ImgCenterDib()对基类成员初始化，并初始化派生类的
*      数据成员
***********************************************************************/
Transform_FFT::Transform_FFT(CSize size, int nBitCount, 
							 LPRGBQUAD lpColorTable, unsigned char *pImgData):
ImgCenterDib(size, nBitCount, lpColorTable, pImgData)
{
	//输出图像每像素位数，与输入图像相同，都为灰度图像
	 m_nBitCountOut=m_nBitCount;

	 //输出图像颜色表长度
	 m_nColorTableLengthOut=ComputeColorTabalLength(m_nBitCountOut);

	 //为输出图像申请颜色表缓冲区，并将原图像输入图像和输出图像均为灰度格式，
	 //故在构造函数中直接对颜色表进行拷贝处理
	m_lpColorTableOut=new RGBQUAD[m_nColorTableLengthOut];
	memcpy(m_lpColorTableOut,m_lpColorTable, sizeof(RGBQUAD)*m_nColorTableLengthOut);

	m_pImgDataOut=NULL;//输出图像指针为空
		
	m_pFFTBuf=NULL;//傅立叶变换缓冲区为空

	m_pImgExpandBuf=NULL;//输入图像扩展缓冲区指针初始化为0

	m_isExpanded=FALSE;//图像没有被扩展，标志变量置假

	
}

/***********************************************************************
* 函数名称：
*   ~Transform_FFT()

*
*说明：析构函数，释放资源
***********************************************************************/
Transform_FFT::~Transform_FFT()
{
	//释放输出图像缓冲区
	if(m_pImgDataOut!=NULL){
		delete []m_pImgDataOut;
		m_pImgDataOut=NULL;
	}
	//释放输出图像颜色表缓冲区
	if(m_lpColorTableOut!=NULL){
		delete []m_lpColorTableOut;
		m_lpColorTableOut=NULL;
	}

	//释放傅立叶变换缓冲区
	if(m_pFFTBuf!=NULL){
		delete m_pFFTBuf;
		m_pFFTBuf=NULL;
	}

	//如果对原图像进行过扩展，则释放图像扩展缓冲区
	if(m_isExpanded==TRUE){
		delete []m_pImgExpandBuf;
		m_pImgExpandBuf=NULL;
	}
	

}




/***********************************************************************
* 函数名称：
* InputImgData()
*
*函数参数：
*  CSize size -输入图像大小（宽、高）
*  int nBitCount  -每像素位数
*  LPRGBQUAD lpColorTable  -颜色表指针
*  unsigned char *pImgData  -位图数据指针
*
*返回值：
*   无
*
*说明：输入图像数据，与带参数构造函数类似，调用基类成员函数ReplaceDib创建
*     输入图像的DIB结构，并清理缓冲区，初始化输出图像的颜色表，为图像快
*     速傅立叶变换做准备
***********************************************************************/
void Transform_FFT::InputImgData(CSize size, int nBitCount, 
						LPRGBQUAD lpColorTable, unsigned char *pImgData)
{
	//调用基类成员函数ReplaceDib为创建输入图像的DIB结构
	ReplaceDib(size, nBitCount,  lpColorTable, pImgData);

	//清理缓冲区
	if(m_pImgDataOut!=NULL){
		delete []m_pImgDataOut;
		m_pImgDataOut=NULL;
	}
	if(m_pFFTBuf!=NULL){
		delete m_pFFTBuf;
		m_pFFTBuf=NULL;
	}
	if(m_isExpanded==TRUE){
		delete []m_pImgExpandBuf;
		m_pImgExpandBuf=NULL;
	}

	//输出图像每像素位数与输入图像相同
	m_nBitCountOut=m_nBitCount;

	//输出图像颜色表长度
	 m_nColorTableLengthOut=ComputeColorTabalLength(m_nBitCountOut);

	 //申请输出图像颜色表缓冲区m_lpColorTableOut，并将输入图像颜色表数据拷贝
	 //至m_lpColorTableOut
	m_lpColorTableOut=new RGBQUAD[m_nColorTableLengthOut];
	memcpy(m_lpColorTableOut,m_lpColorTable, sizeof(RGBQUAD)*m_nColorTableLengthOut);

	m_isExpanded=FALSE;//图像没有被扩展，标志变量置假
}

/***********************************************************************
* 函数名称：
* GetDimensions()
*
*函数参数：
*  无
*
*返回值：
*   图像的尺寸，用CSize类型表达
*
*说明：返回输出图像的宽和高
***********************************************************************/
CSize Transform_FFT::GetDimensions()
{
	return CSize(m_imgWidthOut, m_imgHeightOut);
}



/***********************************************************************
* 函数名称：
* FFT1D()
*
*函数参数：
*  ComplexNumber *arrayBuf  -复数结构体类型数组
*  int n  -数组arrayBuf的长度，必须为2的幂次方
*
*返回值：
*   无
*
*说明：对复数结构体数组arrayBuf进行一维快速傅立叶变换，变换后的结果仍
*      存回arrayBuf中
***********************************************************************/
void Transform_FFT::FFT1D(ComplexNumber *arrayBuf, int n)
{
	//循环变量
	int i, k, r;

	//申请临时复数缓冲区buf1，长度为n
	ComplexNumber *buf1=new ComplexNumber[n];

	//将arrayBuf拷贝进buf1
	memcpy(buf1,arrayBuf,sizeof(ComplexNumber)*n);

	//申请临时复数缓冲区buf2，长度为n
	ComplexNumber *buf2=new ComplexNumber[n];

	//将arrayBuf数组元素基2抽取并重新排列
	//若0、1、2、3、4、5、6、7八点序列对调后变作0、4、2、6、1、5、3、7
	int t1,t2;
	for(r=1;pow(2,r)<n;r++){
		t1=pow(2,r);
		t2=pow(2,r-1);
		for(k=0;k<t1;k++){
			for(i=0;i<n/t1;i++){
				buf2[k*n/t1+i].real=buf1[k/2*n/t2+i*2+k%2].real;
				buf2[k*n/t1+i].imag=buf1[k/2*n/t2+i*2+k%2].imag;
			}
		}
		memcpy(buf1,buf2,sizeof(ComplexNumber)*n);
	}


	//采用蝶型算法进行快速傅立叶变换
	//buf1是第r级的输入，buf2存放第r级的输出
	float c,s;
	for(r=1;pow(2,r)<=n;r++){
		t1=pow(2,r);
		for(k=0;k<n/t1;k++){
			for(i=t1/2;i<t1;i++){
				//加权因子
				c=cos(-2*PI*(i-t1/2)/t1);
				s=sin(-2*PI*(i-t1/2)/t1);
				buf1[k*t1+i].real= buf2[k*t1+i].real*c - buf2[k*t1+i].imag*s;
				buf1[k*t1+i].imag=buf2[k*t1+i].imag*c+buf2[k*t1+i].real*s;
			}
		}
		for(k=0; k<n/t1; k++){
			for(i=0;i<t1/2;i++){
				buf2[k*t1+i].real= buf1[k*t1+i].real+buf1[k*t1+i+t1/2].real;
				buf2[k*t1+i].imag= buf1[k*t1+i].imag+buf1[k*t1+i+t1/2].imag;
			}
			for(i=t1/2;i<t1;i++){
				buf2[k*t1+i].real= buf1[k*t1+i-t1/2].real-buf1[k*t1+i].real;
				buf2[k*t1+i].imag= buf1[k*t1+i-t1/2].imag-buf1[k*t1+i].imag;
			}
		}

		//第r级的输出存入buf1,作为下一级的输入数据
		memcpy(buf1,buf2,sizeof(ComplexNumber)*n);
	}
	

	//傅立叶变换的结果存入arrayBuf
	memcpy(arrayBuf,buf2,sizeof(ComplexNumber)*n);

	//释放缓冲区
	delete[]buf2;
	delete[]buf1;

}

/***********************************************************************
* 函数名称：
* ImgFFT2D()
*
*函数参数：
*  unsigned char* imgBuf  -图像数据指针
*  int width  -图像宽
*  int height  -图像高
*  unsigned char *imgBufOut  -傅立叶变换后的输出图像
*
*返回值：
*   无
*
*说明：图像数据二维快速傅立叶变换将图像数据变成复数形式,进行两个一维快速
*      傅立叶变换,变换后的频谱以图像形式存入imgBufOut，此处要求图像宽和高
*      都为2的幂次方
***********************************************************************/
void Transform_FFT::ImgFFT2D(unsigned char* imgBuf, int width, int height,
						  unsigned char *imgBufOut)
{
	//循环变量
	int i, j, u, v;

	//图像数据变成复数类型存入m_pFFTBuf
	for(i=0;i<width*height;i++){
		m_pFFTBuf[i].real=imgBuf[i];
		m_pFFTBuf[i].imag=0;
	}

	//申请ComplexNumber结构体数组,长度为height
	ComplexNumber *array=new ComplexNumber[height];

	//先纵向一维快速傅立叶变换
	for(u=0;u<width;u++){
		for(v=0;v<height;v++){
			array[v].real=m_pFFTBuf[v*width+u].real;
			array[v].imag=m_pFFTBuf[v*width+u].imag;
		}
		FFT1D(array, height);
		for(v=0;v<height;v++){
			m_pFFTBuf[v*width+u].real=array[v].real;
			m_pFFTBuf[v*width+u].imag=array[v].imag;