【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 箱（Image Processing Tool box）。兩種開(kāi)發(fā)工具各有所長(zhǎng)且有相互間的軟件接口。 Microsoft公司的VC++是一種具有高度綜合性能的面向?qū)ο罂梢暬晒ぞ?，用它開(kāi)發(fā)出來(lái)的Win 3 2 程序有著運(yùn)行速度快、可移植能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。VC++所提供的Micr osoft基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)MFC對(duì)大部分與用戶(hù)設(shè)計(jì)有關(guān)的Wi n 32應(yīng)用程序接口API 進(jìn)行了封裝，提高了代碼的可重用性，大大縮短了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本。由于圖像格式多且復(fù)雜，為了減輕程序員將主要精力放在特定問(wèn)題的圖像處理算法上，VC++ 6. 0 提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)ImageLoad. dl l 支持BMP、JPG 、TIF 等常用6 種格式的讀寫(xiě)功能。 MATLAB 的圖像處理工具箱MATLAB 是由MathWo rks 公司推出的用于數(shù)值計(jì)算的有力工具，是一種第四代計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，它具有相當(dāng)強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算和操作功能，力求使人們擺脫繁雜的程序代碼。MATLAB 圖像處理工具箱提供了豐富的圖像處理函數(shù)，靈活運(yùn)用這些函數(shù)可以完成大部分圖像處理工作，從而大大節(jié)省編寫(xiě)低層算法代碼的時(shí)間，避免程序設(shè)計(jì)中的重復(fù)勞動(dòng)。MATLAB 圖像處理工具箱涵蓋了在工程實(shí)踐中經(jīng)常遇到的圖像處理手段和算法，如圖形句柄、圖像的表示、圖像變換、二維濾波器、圖像增強(qiáng)、四叉樹(shù)分解域邊緣檢測(cè)、二值圖像處理、小波分析、分形幾何、圖形用戶(hù)界面等。但是，MATLAB 也存在不足之處限制了其在圖像處理軟件中實(shí)際應(yīng)用。首先，強(qiáng)大的功能只能在安裝有MATL AB系統(tǒng)的機(jī)器上使用圖像處理工具箱中的函數(shù)或自編的m 文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。其次，MATLAB 使用行解釋方式執(zhí)行代碼，執(zhí)行速度很慢。第三，MATLAB 擅長(zhǎng)矩陣運(yùn)算，但對(duì)于循環(huán)處理和圖形界面的處理不及C++ 等語(yǔ)言。為此，通應(yīng)用程序接口API 和編譯器與其他高級(jí)語(yǔ)言（如C 、C++ 、Java 等）混合編程將會(huì)發(fā)揮各種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言之長(zhǎng)協(xié)同完成圖像處理任務(wù)。API 支持MATLAB 與外部數(shù)據(jù)與程序的交互。編譯器產(chǎn)生獨(dú)立于MATL AB環(huán)境的程序，從而使其他語(yǔ)言的應(yīng)用程序使用MATLAB 。43. 圖像應(yīng)用軟件是可直接供用戶(hù)使用的商品化軟件。用戶(hù)從使用功能出發(fā)，只要了解軟件的操作方法就可以完成圖像處理的任務(wù)。對(duì)大部分用戶(hù)來(lái)說(shuō)，商品化的圖像應(yīng)用軟件無(wú)需用戶(hù)進(jìn)行編程，操作方便，功能齊全，已經(jīng)能滿(mǎn)足一般需求，因而得到廣泛應(yīng)用。常用圖像處理應(yīng)用軟件有以下幾種： 1 ．PHOTOSHOP：當(dāng)今世界上一流的圖像設(shè)計(jì)與制作工具，其優(yōu)越性能令其產(chǎn)品望塵莫及。PHOT OSHOP 已成為出版界中圖像處理的專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。高版本的PHOTOSH OP 支持多達(dá)20多種圖像格式和TWAIN 接口，接受一般掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等圖像輸入設(shè)備采集的圖像。PHOT O SHOP 支持多圖層的工作方式，只是PHOT OSHOP 的最大特色。使用圖層功能可以很方便地編輯和修改圖像，使平面設(shè)計(jì)充滿(mǎn)創(chuàng)意。利用PHOT OSHOP 還可以方便地對(duì)圖像進(jìn)行各種平面處理、繪制簡(jiǎn)單的幾何圖形、對(duì)文字進(jìn)行藝術(shù)加工、進(jìn)行圖像格式和顏色模式的轉(zhuǎn)換、改變圖像的尺寸和分辨率、制作網(wǎng)頁(yè)圖像等。 2 ．CorelDRAW：一種基于矢量繪圖、功能強(qiáng)大的圖形圖像制作與設(shè)計(jì)軟件。位圖式圖像是由象素組成的，與其相對(duì)，矢量式圖像以幾何、色彩參數(shù)描述圖像，其內(nèi)容以線(xiàn)條和色塊為主。可見(jiàn)，采用不同的技術(shù)手段可以滿(mǎn)足用戶(hù)的設(shè)計(jì)要求。位圖式圖像善于表現(xiàn)連續(xù)、豐富色調(diào)的自然景物，數(shù)據(jù)量較大；而矢量式圖像強(qiáng)于表現(xiàn)線(xiàn)條、色塊的圖案，數(shù)據(jù)量較小。合理的利用兩種不同類(lèi)型的圖像表現(xiàn)方式，往往會(huì)收到意想不到的藝術(shù)效果。Core lDraw 是當(dāng)今流行的圖像處理軟件中為數(shù)不多的特點(diǎn)明顯、功能強(qiáng)大的基于矢量繪圖的軟件包。利用它，可以方便地制作精美的名片、賀卡、書(shū)簽、圖書(shū)封面、廣告、宣傳畫(huà)等作品。 3 ．ACDSee：快速、高性能的看圖程序，是目前最享盛名的圖片瀏覽器。它能廣泛應(yīng)用于圖片的獲取、管理、瀏覽和優(yōu)化，支持BMP、GIF、JPG 、TGA、TIF 等超過(guò)50 種常 見(jiàn)的圖形文件格式，圖片打開(kāi)速度極快，可以直接查看動(dòng)畫(huà)GIF，處理如Mpeg 之類(lèi)常用的視頻文件，還可以為每一個(gè)目錄建立一個(gè)相冊(cè)。ACDSee 可以從數(shù)碼相機(jī)和掃描儀高效獲取圖片，并進(jìn)行便捷的查找、組織和預(yù)覽。ACDSee 還是得心應(yīng)手的圖片編輯工具，輕松處理數(shù)碼影像，擁有去紅眼、剪切圖像、銳化、浮雕特效、曝光調(diào)整、旋轉(zhuǎn)、鏡像等功能，還能進(jìn)行批量處理。44. 圖像處理的應(yīng)用幾乎滲透科學(xué)研究、工程技術(shù)和人類(lèi)社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。教師可以分組對(duì)學(xué)生布置以下6 個(gè)方面的課題，通過(guò)閱讀參考文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)資源等手段寫(xiě)數(shù)字圖像處理的主要應(yīng)用的短文，并安排交流機(jī)會(huì)。 1 ．航天和航空技術(shù)方面的應(yīng)用 2 ．生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用 3 ．通信工程方面的應(yīng)用 4 ．工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)器人視覺(jué)方面的應(yīng)用 5 ．軍事和公安方面的應(yīng)用 6 ．生活和娛樂(lè)方面的應(yīng)45. 該性質(zhì)表明，一個(gè)二維傅里葉變換可由連續(xù)兩次一維傅里葉變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)的方法如下圖所示：46. 正交變換可以使得圖像能量主要集中分布在低頻率成分上，邊緣和線(xiàn)信息反映在高頻率成分上。因此正交變換廣泛應(yīng)用在圖像增強(qiáng)、圖像恢復(fù)、特征提取、圖像編碼壓縮和形狀分析等方面。47. MATLAB 程序如下： A=imread(39。39。 )。 imshow(A)。 A2=fft2(A)。 A2=fftshift(A2 )。 figure,imshow(log(a b s(A 2 )+1),[0 10 ]) 。 程序如下： RGB = im read(39。39。 )。 I = r g b2gray(R GB)。 J = dct2(I)。 J(1:512,256: 512) = 0。 J(256:5 12,1: 256)= 0 。 K = idct 2(J)。 i mshow(I), figure, im show(K,[ 0 255])49. 哈達(dá)瑪(Hadamard) 變換和沃爾什（Wal sh ）變換的變換核都是由1 ，－1 組成的正交方陣。它們不同的地方在于變換矩陣的行列排列次序不同。哈達(dá)瑪變換每行的列率排列是沒(méi)有規(guī)則的，沃爾什變換的列率是由小到大。50. 小波信號(hào)的非零點(diǎn)是有限的。它與傅里葉變換的基函數(shù)（三角函數(shù)、指數(shù)信號(hào)）是不同的，傅里葉變換的基函數(shù)從負(fù)無(wú)窮到正無(wú)窮都是等幅振蕩的。51. 小波變換的伸縮因子的變化，使得可以在不同尺度上觀察信號(hào)，所以又稱(chēng)電子顯微鏡。實(shí)現(xiàn)小波變換可以應(yīng)用Mall at 的快速算法。52. 傅里葉變換使得時(shí)間信號(hào)變成了頻域信號(hào)，加窗傅里葉變換使得時(shí)間信號(hào)變成了時(shí)頻信號(hào)，但是窗口是固定的，小波變換同樣變成了視頻信號(hào)，但是時(shí)頻的窗口是變化的。53. MATLAB 程序如下： X=imread(39。39。 )。 [cA 1 ,c H1 ,cV 1,cD 1 ] = dwt2(X,39。 39。 )。 subp lo t(2, 2,1) 。 im show( cA1,[0 900])。 tit le(39。Approxi ma tion A 1 39。) subp lo t(2, 2,2) 。 im show(cH 1 )。 tit le(39。Horizontal Deta il H139。 ) subp lo t(2, 2,3) 。 im show(cV 1 )。 tit le(39。Ve rtical Detail V139。) subp lo t(2, 2,4) 。 im show(cD 1 )。54. 圖像增強(qiáng)是指對(duì)圖像的某些特征，如邊緣、輪廓、對(duì)比度等進(jìn)行強(qiáng)調(diào)或銳化，以便于顯示、觀察或進(jìn)一步分析與處理。55. 為了去除或減弱圖像中的噪聲，可以對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理，稱(chēng)為圖像平滑。大部分的噪聲都可以看作是隨機(jī)信號(hào)，它們對(duì)圖像的影響可以看作是孤立的。對(duì)于某一像素而言，如果它與周?chē)袼攸c(diǎn)相比，有明顯的不同，我們就認(rèn)為該點(diǎn)被噪聲感染了?；谶@樣的分析，我們可以用求均值的方法，來(lái)判斷每一點(diǎn)是否含有噪聲，并用適當(dāng)?shù)姆椒ㄏl(fā)現(xiàn)的噪聲。56. 中值濾波是非線(xiàn)性的處理方法，在去噪的同時(shí)可以兼顧到邊界信息的保留。 中值濾波首先選一個(gè)含有奇數(shù)點(diǎn)的窗口W ，將這個(gè)窗口在圖像上掃描，把該窗口中所含的像素點(diǎn)按灰度級(jí)的升（或降）序排列，取位于中間的灰度值，來(lái)代替該點(diǎn)的灰度值。 程序如下： A= imread(39。39。)。 %讀入圖像 i msh o w(A)。 % 顯示圖像 figure,im hist(A)。 %顯示圖像的直方圖 J1=im a djust(A, [ ],[ ]) 。 % 將圖像在0. 32 5 5~ 0. 725 5 灰度之間的值通過(guò)線(xiàn)性變換映射到0~255 之間 figure, imshow(J1)。 %輸出圖像效果圖 figure, imhist(J1) %輸出圖像的直方圖 J2=im a djust(A, [],[0 ])。 % 使用此函數(shù)，將圖像灰度通過(guò)線(xiàn)性變換映射到0~ 2550. 7 之間 figure, imshow(J2)。 %輸出圖像效果圖 figure, imhist(J2) %輸出圖像的直方圖58. 采用數(shù)字技術(shù)會(huì)使信號(hào)處理的性能大為提高，但其數(shù)據(jù)量的增加也是十分驚人的。圖像數(shù)據(jù)更是多媒體、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)重點(diǎn)研究的壓縮對(duì)象。不加壓縮的圖像數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)的處理速度、通信信道的容量等所無(wú)法承受的。 這樣的數(shù)據(jù)率是與當(dāng)前信息存儲(chǔ)介質(zhì)的容量、計(jì)算機(jī)的總線(xiàn)速度以及網(wǎng)絡(luò)的傳輸率不相匹配的。盡管人們?cè)诖鎯?chǔ)介質(zhì)、總線(xiàn)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)性能等方面不斷有新的突破，但數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)超過(guò)硬件設(shè)施的提高水平，以上的矛盾仍然無(wú)法緩解。 如果將上述圖像信號(hào)壓縮幾倍、十幾倍，甚至上百倍，將十分有利于圖像的傳輸和存儲(chǔ)?？梢?jiàn)，在現(xiàn)有硬件設(shè)施條件下，對(duì)圖像信號(hào)本身進(jìn)行壓縮是解決上述矛盾的主要出路。59. 圖像數(shù)據(jù)量大，同時(shí)冗余數(shù)據(jù)也是客觀存在的。一般圖像中存在著以下數(shù)據(jù)冗余因素：（1 ）編碼冗余；（2 ）像素間的相關(guān)性形成的冗余；（3 ）視覺(jué)特性和顯示設(shè)備引起的冗余。 理論上，數(shù)據(jù)沒(méi)有冗余度是不壓縮的，否則無(wú)法解碼出原始數(shù)據(jù)。但在大部分應(yīng)用場(chǎng)合下采用有損壓縮，數(shù)據(jù)沒(méi)有冗余度也可以進(jìn)行壓縮。60. 一般地，圖像壓縮應(yīng)能做到壓縮比大、算法簡(jiǎn)單、易于用硬件和軟件實(shí)現(xiàn)、壓縮和解壓縮實(shí)時(shí)性好、解壓縮恢復(fù)的圖像失真小等。但這些指標(biāo)對(duì)同一壓縮方法很難統(tǒng)一，在實(shí)際系統(tǒng)中往往需要抓住主要矛盾，全面權(quán)衡。常用的圖像壓縮技術(shù)指標(biāo)有：（1 ）圖像熵與平均碼長(zhǎng)；（2）圖像冗余度與編碼效率；（3）壓縮比；（4）客觀評(píng)價(jià)SNR；（5）主觀評(píng)價(jià)。圖像的主客觀兩種評(píng)價(jià)之間存在著密切的聯(lián)系。但一般來(lái)說(shuō)，客觀評(píng)價(jià)高的主觀評(píng)價(jià)也高，因此在圖像編碼的質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，首先作客觀評(píng)價(jià)，以主觀評(píng)價(jià)為參考。61. 不計(jì)算較小的文件頭和彩色查找表（LTU）的數(shù)據(jù)量，原始圖像的數(shù)據(jù)量為： 6404 8 0 1 byt e=3 07,200 byt e。 經(jīng)轉(zhuǎn)換后各種格式的壓縮比如下： 24位色 BMP格式： 307,20 0/ 921,654= 0. 333 （增加了冗余度） 24位色 JPEG 格式： 3 07 , 20 0/ 17 ,707 =17 .3 5 GIF 壓縮格式： 307,20 0/ 177,152= 1. 73 24位色 TIFF壓縮格式： 307,20 0/ 923,044= 0. 333 （增加了冗余度） 24位色 TGA壓縮格式： 307,20 0/ 768,136= 0. 400 （增加了冗余度）62. 視頻比靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)量更大，同時(shí)可壓縮的冗余信息更多。大部分視頻壓縮方法是以人眼感覺(jué)無(wú)明顯失真為依據(jù)的，因此采用有損壓縮。事實(shí)上，視頻可以看成是一幅幅不同但相關(guān)的靜態(tài)圖像的時(shí)間序列。因此，靜態(tài)圖像的壓縮技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)可以直接應(yīng)用于視頻的單幀圖像。另外，利用視頻幀間信息的冗余可以大大提高視頻的壓縮比。63. 不能。像素的空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性是以空間和時(shí)間的相鄰性為基礎(chǔ)的。因此，圖像上任意兩像素點(diǎn)的亮度電平值相等或者任意兩時(shí)刻同一位置上的像素的亮度電平值相等帶有偶然性，不能說(shuō)明兩像素相關(guān)。64. 由于JPEG 算法將整幅圖像分成若干個(gè)88 的子塊，解碼也是以子塊為單位的，所以塊間的解碼誤差可能反映為方塊效應(yīng)，在視覺(jué)上會(huì)出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象。65. 混合編碼一般指將預(yù)測(cè)編碼與變換編碼相結(jié)合進(jìn)行編碼的方法。預(yù)測(cè)編碼根據(jù)相鄰像素相關(guān)性來(lái)確定后繼像素的預(yù)測(cè)值，若用差值進(jìn)行編碼則可以壓縮數(shù)據(jù)量；變換編碼對(duì)原始圖像進(jìn)行正交變換，在變換域進(jìn)行抽樣達(dá)到壓縮的目的；混合編碼將兩種編碼方法結(jié)合起來(lái)，可以發(fā)揮兩種編碼方法的優(yōu)點(diǎn)，取得更好的效果。66. Hu ff ma n 編碼在無(wú)失真的編碼方法中效率優(yōu)于其他編碼方法，是一種最佳變長(zhǎng)碼，其平均碼長(zhǎng)接近于熵值。但當(dāng)信源數(shù)據(jù)成分復(fù)雜時(shí)，龐大的信源集致使Huff ma n 碼表較大，碼表生成的計(jì)算量增加，編譯碼速度相應(yīng)變慢；另外不等長(zhǎng)編碼致使硬件譯碼電路實(shí)現(xiàn)困難。上述原因致使Huff ma n 編碼的實(shí)際應(yīng)用受到限制。67. 在信源符號(hào)概率接近的條件下，算術(shù)編碼效率高于Huff ma n 編碼。因此，在擴(kuò)展的JPEG 系統(tǒng)中用算術(shù)編碼取代了Huff ma n 編碼。另外，算術(shù)編碼除了常見(jiàn)的基于概率統(tǒng)計(jì)的模式外，還有