【文章內(nèi)容簡介】 基本信息。 圖像點(diǎn)運(yùn)算是一種簡單而重要的處理技術(shù)，它能讓用戶改變圖像數(shù)據(jù)占據(jù)的灰度范圍。點(diǎn)運(yùn)算可以看作是“從象素到象素”的復(fù)制操作，而這種復(fù)制操作是通過灰度變換函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。如果輸入圖像為A(x,y)，輸出圖像為 B(x,y)， 則點(diǎn)運(yùn)算可以表示為： B(x,y) ＝ f[A(x,y)] 其中 f(x) 被 稱 為 灰 度 變 換（ GrayScaleTransformation， GST）函數(shù)，它描述了輸入灰度值和輸出灰度值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。一旦灰度變換函數(shù)確定，該點(diǎn)運(yùn)算就完全確定下來了。另外，點(diǎn)運(yùn)算處理將改變圖像的灰度直方圖分布。點(diǎn)運(yùn)算又被稱為對(duì)比度增強(qiáng)、對(duì)比度拉伸或灰度變換。點(diǎn)運(yùn)算一般包括灰度的線性變換、閾值變換、窗口變換、灰度拉伸和均衡等。 圖像幾何變換是圖像的一種基本變換，通常包括圖像鏡像變換、圖像轉(zhuǎn)置、圖像平移、圖像縮放和圖像旋轉(zhuǎn)等 ，其理論基礎(chǔ)主要是一些矩陣運(yùn)算，詳細(xì)原理可以參考有關(guān)書籍。 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了圖像灰度直方圖、點(diǎn)運(yùn)算和幾何變換相關(guān)內(nèi)容的文字說明，用戶在操作過程中可以參考。下面以圖像點(diǎn)運(yùn)算中的閾值變換為例給出編程實(shí)現(xiàn)的程序流程圖，如下： 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 圖像正交變換的基本原理及編程實(shí)現(xiàn)步驟數(shù)字圖像的處理方法主要有空域法和頻域法，點(diǎn)運(yùn)算和幾何變換屬于空域法。頻域法是將圖像變換到頻域后再進(jìn)行處理，一般采用的變換方式是線性的正交變換（酉變換），主要包括傅立葉變換、離散余弦變換、沃爾什變換、霍特林變換和小波變換等。正交變換被廣泛應(yīng)用于圖像特征提取、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像壓縮和圖像識(shí)別等領(lǐng)域。 正交變換實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是快速傅立葉變換（ FFT），其原理過于復(fù)雜，可以參考有關(guān)書籍，這里不再贅述。至于 FFT 的編程實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用的方法是：首先編制一個(gè)一維 FFT 程序模塊，然后調(diào)用該模塊對(duì)圖像數(shù)據(jù)的列進(jìn)行一維 FFT，再對(duì)行進(jìn)行一維 FFT，最后計(jì)算并顯示幅度譜。程序流程圖如下： 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 圖像灰度直方圖 點(diǎn)運(yùn)算：圖像反色、灰度線性變換、閾值變換、窗口變換、灰度拉伸和灰度 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 均衡 幾何變換：圖像鏡像變換、圖像轉(zhuǎn)置、圖像平移、圖像縮放和圖像旋轉(zhuǎn)正交變換：傅立葉變換、離散余弦變換、沃爾什變換、霍特林變換和小波正反變換 注意： 所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均針對(duì) 8 位 BMP 灰度圖像進(jìn)行處理，其它格式（如JPG）的圖像可以利用系統(tǒng)提供的圖像格式轉(zhuǎn)換工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行處理； 本次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是圖像的灰度直方圖和點(diǎn)運(yùn)算，幾何變換和正交變換只作一般性了解。 五、實(shí)驗(yàn)步驟 以圖像灰度閾值變換為例說明實(shí)驗(yàn)的具體步驟，其它實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的步驟與此類似。 打開計(jì)算機(jī)，在系統(tǒng)桌面上雙擊“數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件系統(tǒng)”的可執(zhí)行文件“圖象處理”的圖標(biāo)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)； 執(zhí)行文件→打開，在 OPEN 對(duì)話框中選擇待處理的圖像，按【 OK】后系統(tǒng)顯示出圖像； 執(zhí)行查看→圖像基本信息，將顯示圖像基本信息對(duì)話框，如圖所示； 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 執(zhí)行查看→灰度直方圖，查看圖像的灰度直方圖，如圖所示； 執(zhí)行圖像變換→正交變換→傅立葉變換，查看圖像的頻率域分布情況，如圖所示； 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 執(zhí)行圖像變換→正交變換→小波變換，查看圖像經(jīng)過小波變換的效果，如圖所示； 執(zhí)行圖像變換→點(diǎn)運(yùn)算→閾值變換，修改閾值變換對(duì)話框中的閾值參數(shù)，如 圖所示； 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 設(shè)置完閾值參數(shù)后按【 OK】 ,系統(tǒng)顯示閾值變換后的圖像，與原圖像進(jìn)行比較，觀察閾值變換的效果，如圖所示； 重復(fù)步驟 4，查看閾值變換后圖像的直方圖分布情況； 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 重復(fù)步驟 5，查看閾值變換后圖像的頻率域分布情況； 1執(zhí)行文件→保存或另存為，保存處理后的圖像； 1執(zhí)行文件→重新加載，重新加載原始圖像，但要注意先前對(duì)圖像的處理將會(huì)丟 失；注意： 1在執(zhí)行步驟 2 時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)有些圖像文件不能打開的情況，如圖所示，此時(shí)可以先利用圖像格式轉(zhuǎn)換工具將圖像文件轉(zhuǎn)換為 8 位BMP圖像，再利用系統(tǒng)進(jìn)行處理。步驟 14 和 15 是使用圖像格式轉(zhuǎn)換工具的方法； 1在桌面上雙擊圖像格式轉(zhuǎn)換工具 Jpg2bmp 的圖標(biāo)，進(jìn)入轉(zhuǎn)換工具界面，如圖所示； 1按照界面提示，把 JPG 格式的圖像文件轉(zhuǎn)換成 8 位 BMP 圖像。 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 步驟 13 示意圖 步驟 14 示意圖 六、思考題 圖像灰度線性變換、閾值變換、窗口變換、灰度拉伸和灰度均衡之間有何區(qū)別？ 灰度線性變換就是將圖像的像素值通過指定的線性函數(shù)進(jìn)行變換，以此增強(qiáng)或者減弱圖像的灰度。 灰度的閾值變換可以讓一幅圖像變成黑白二值圖。 灰度的窗口變換也是一種常見的點(diǎn)運(yùn)算。它的操作和閾值變換類似。從實(shí)現(xiàn)方法上可以看作是灰度折線變換的特列。窗口灰度變換處理結(jié)合了雙固定閾值法，與其不同之處在于窗口內(nèi)的灰度值保持不變。 灰度拉伸又叫做對(duì)比度拉伸，它與線性變換有些類似，不同之處在于灰度拉伸使用的是分段線性變換，所以它最大的優(yōu)勢(shì)是變換函數(shù)可以由用戶任意合成。 灰度均衡是增強(qiáng)圖像的有效方法之一。灰度均衡同樣屬于改進(jìn)圖像的方法，灰度均衡的圖像具有較大的信息量。從變換后圖像的直方圖來看，灰度分布更加均勻。 利用圖像鏡像和旋轉(zhuǎn)變換可以實(shí)現(xiàn)圖像轉(zhuǎn)置嗎？如果可以，應(yīng)該怎樣實(shí)現(xiàn)？ 可以。進(jìn)行一次鏡像變換，順（逆）時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩次，再以與第一次相反的方向鏡像變換。 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一 圖象變換實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)二圖像增強(qiáng)及復(fù)原實(shí)驗(yàn) 七、實(shí)驗(yàn)條件 PC 機(jī)數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件 大量樣圖 八、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 熟練使用“數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件系統(tǒng)”； 熟悉圖像增強(qiáng)及復(fù)原的基本原理，了解編程實(shí)現(xiàn)的具體步驟； 觀察圖像中值濾波、平滑、銳化和偽彩色編碼的結(jié)果，比較不同參數(shù)條件下的圖像增強(qiáng)效果； 觀察圖像退化和復(fù)原的結(jié)果，比較不同復(fù)原方法的復(fù)原效果。 九、實(shí)驗(yàn)原理 圖像增強(qiáng)和復(fù)原的基本原理 對(duì)降質(zhì) 圖像的改善處理通常有兩類方法：圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原。 圖像增強(qiáng)不考慮圖像降質(zhì)的原因，只將圖像中感興趣的特征有選擇地進(jìn)行突出，并衰減圖像的次要信息，改善后的圖像不一定逼近原始圖像，只是增強(qiáng)了圖像某些方面的可讀性，如突出了目標(biāo)輪廓，衰減了各種噪聲等。圖像增強(qiáng)可以用空域法和頻域法分別實(shí)現(xiàn)，空域法主要是在空間域中對(duì)圖像象素灰度值直接進(jìn)行運(yùn)算處理，一般包括中值濾波、模板平滑和梯度銳化等，空域法可以用下式來描述： g(x,y)＝ f(x,y)*h(x,y)其中 f(x,y)是處理前圖像， g(x,y)表示處理后 圖像， h(x,y)為空間運(yùn)算函數(shù)。圖像增強(qiáng)的頻域法是在圖像的頻率域中對(duì)圖像的變換值進(jìn)行某種運(yùn)算處理，然后變換回空間域，系統(tǒng)涉及的各種濾波器屬于頻域法增強(qiáng)，這是一種間接處理方法，可以用下面的過程模型來描述： 其中： F(u,v)= [f(x,y)]， G(u,v)=F(u,v)H(u,v)， g(x,y)=1[G(u,v)] 1 分別表示頻域正變換和反變換。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供了圖像增強(qiáng)相關(guān)內(nèi)容的文字說明，用戶在操作過程中可以參考。 圖像復(fù)原是針對(duì)圖像降質(zhì)的原因，設(shè)法去補(bǔ)償降質(zhì)因素，使改善后的圖像 盡可能逼近原始圖像，提高了圖像質(zhì)量的逼真度。關(guān)于圖像復(fù)原的詳細(xì)原理可以參考相關(guān)書籍，這里不再贅述。本系統(tǒng)提供了圖像的噪聲退化、卷積退化和運(yùn)動(dòng)模糊退化操作，并提供了相應(yīng)的逆濾波復(fù)原、維納復(fù)原和運(yùn)動(dòng)模糊復(fù)原操作。本次 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中圖像復(fù)原只作一般性了解。 編程實(shí)現(xiàn)步驟 下面以圖像增強(qiáng)中的中值濾波操作為例給出編程實(shí)現(xiàn)的程序流程圖，如下： 十、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 圖像增強(qiáng)：中值濾波、圖像模板平滑、理想低通濾波器平滑、巴特沃斯低通濾波器平滑、梯度銳化、拉普拉斯銳化、理想高通濾波器銳化、巴特沃斯高通濾波器銳化和偽彩色編碼 圖像復(fù)原：圖像的噪聲退化、卷積退化、卷積加噪聲退化、運(yùn)動(dòng)模糊退化、逆濾波復(fù)原、維納復(fù)原和運(yùn)動(dòng)模糊復(fù)原 注意： 所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目均針對(duì) 8位 BMP灰度圖像進(jìn)行處理； 本次實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是圖像增強(qiáng)中的中值濾波和模板平滑，圖像復(fù)原只作一般性了解。 十一、實(shí)驗(yàn)步驟 以圖像中值濾波操作為例說明實(shí)驗(yàn)的具體步驟， 其它實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的步驟與此類似。 1打開計(jì)算機(jī)，在系統(tǒng)桌面上雙擊“數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件系統(tǒng)”的可執(zhí)行文件“圖象處理”的圖標(biāo)，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)； 1執(zhí)行文件→打開，在 OPEN 對(duì)話框中選擇待處理的圖像，按【 OK】后系統(tǒng)顯示出圖像； 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 1執(zhí)行查看→圖像基本信息，將顯示圖像基本信息對(duì)話框，如圖所示； 1執(zhí)行查看→灰度直方圖，查看圖像的灰度直方圖，如圖所示； 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 1執(zhí)行圖像變換→正交變換→傅立葉變換，查看圖像的頻率域分布情況，如圖所示； 1執(zhí)行圖像增強(qiáng)→中值濾波，選擇或自定義對(duì)話框中的濾波器參數(shù)，如圖所示； 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 1設(shè)置完濾波器參數(shù)后按【 OK】 ,系統(tǒng)顯示中值濾波后的圖像，與原圖像進(jìn)行比較，觀察中值濾波的效果，如圖所示； 1 重復(fù)步驟 4，查看中值濾波后圖像的直方圖分布情況； 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 1重復(fù)步驟 5，查看中值濾波后圖像的頻率域分布情況； 執(zhí)行文件→保存或另存為，保存處理后的圖像； 1執(zhí)行文件→重新加載，重新加載原始圖像，但要注意先前對(duì)圖像的處理將會(huì)丟失。 數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 實(shí)驗(yàn)一圖象變換實(shí)驗(yàn) 十二、 思考題 圖像中值濾波和模板平滑之間有何區(qū)別？ 圖像平滑處理就是用平滑模板對(duì)圖像進(jìn)行處理，以減少圖像的噪聲。而中值濾波是一種非線性的信號(hào)處理方法。 圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原之間有何區(qū)別？ 圖像增強(qiáng)：利用一定的技術(shù)手段，不用考慮圖像是否失真（即原始圖像在變換后可能會(huì)失真）而且不用分析圖像降質(zhì)的原因。針對(duì)給定圖像的應(yīng)用場(chǎng)合，有目的地強(qiáng)調(diào)圖像的整體或局部特性，將原來不清晰的圖像變得清晰或強(qiáng)調(diào)某些感興趣的特征，擴(kuò)大圖像中不同物體特征之間的差別，抑制不感興趣的特征，使之改善圖像質(zhì)量、豐富信息量，加強(qiáng)圖像判讀和識(shí)別效果，滿足某些特殊分析的需要。 圖像復(fù)原：針對(duì)質(zhì)量降低或者失真的圖像，恢復(fù)圖像原始的內(nèi)容或者質(zhì)量。圖像復(fù)原的過程包含對(duì)圖像退化模型的分析，再對(duì)退化的圖像進(jìn)行復(fù)原。圖像退化是由于成像系 統(tǒng)受各種因素的影響，導(dǎo)致了圖像質(zhì)量的降低，稱之為圖