【文章內容簡介】 葉變換 48 四、小波變換 48 第四節(jié) 存在問題 49 第六章 結論 50 致謝 51 參考文獻 52 ? 第一章 前言 第一節(jié) 選題背景 一、課題來源 早期 的數字圖像處理的目的是以人為對象，為了滿足人的視覺效果而改善圖像的質量，處理過程中輸入的是質量差的圖像，輸出的是質量好的圖像，常用的圖像處理方法有圖像增強、復原等。圖像處理所涉及的應用領域有軍事應用、醫(yī)學診斷、工業(yè)監(jiān)控、物體的自動分檢識別等等，這些應用系統(tǒng)無不需要計算機提供實時動態(tài)，效果逼真的圖像。隨著計算機技術的發(fā)展，有一類圖像處理是以機器為對象，處理的目的是使機器能夠自動識別目標，這稱之為圖像的識別。 隨著數字化與多媒體時代的來臨，數字圖像處理已經成為必備的基礎知識。近幾十年來由于計算機技術的蓬勃發(fā)展， 圖像處理技術也得到了空前的發(fā)展和應用。目前，圖像處理技術已經廣泛應用于 工業(yè)、軍事、醫(yī)學、交通、農業(yè)、天氣預報、銀行、超市、重要部門的監(jiān)控報警系統(tǒng)、可視電話、網絡傳輸等等 領域，成為各個學科學習和研究對象。隨著圖像處理技術的廣泛應用，學習和掌握這門科學顯得格外重要，圖像處理已經成為信息技術相關領域的核心課程。 我國科學計算可視化技術的研究開始于 90 年代初。由于數據可視化所處理的數據量十分龐大 ,生成圖像的算法又比較復雜 ,過去常常需要使用巨型計算機和高檔圖形工作站等。因此 ,數據可視化開始都在國家級研究中心、高水平的 大學、大公司的研究開第 7 頁 發(fā)中心進行研究和應用。近年來，隨著 PC 功能的提高、各種圖形顯卡以及可視化軟件的發(fā)展 , 可視化技術已擴展到科學研究、工程、軍事、醫(yī)學、經濟等各個領域。隨著 Inters 興起，信息可視化技術方興未艾。我國在 80 年代就開始進行科學計算可視化技術的研究和應用。至今，我國不論在算法方面，還是在油氣勘探、氣象、計算力學、醫(yī)學等領域的應用方面，都已取得了一大批可喜的成果。但從總體上來說，與國外先進水平還有相當的差距，特別是在商業(yè)軟件方面，還是空白。因此，組織力量開發(fā)可視化商業(yè)軟件，并通過市場競爭 ，促使其逐步成熟，已成為當務之急。 二、課題目的和意義 目的：本系統(tǒng)的功能目標就是實現(xiàn)圖像的基本操作：如圖像文件的打開，顯示、保存等；和圖像的基本處理：如圖像的放大、縮小、旋轉、拉伸、濾波、邊緣提取、直方圖、傅立葉交換、小波交換等。 意義：本系統(tǒng)的圖像處理就是利用一系列的操作來改變圖像的像素，以達到一定的目標。在圖像處理系統(tǒng)的圖像處理、圖像分析、圖像理解三個階段中圖像處理最為基本，而也尤為重要，因為這個階段的工作關系到后面其他的操作。在計算機水平大大提高的基礎上，圖像處理在實際應用中也得到的很大的發(fā)展和利用 ，本系統(tǒng)是建立在圖像處理之上，在實際中的應用得到更好的開發(fā)，也讓圖像分析，圖像理解階段得到更好的處理條件，從而讓圖像處理在實際中得到更多更廣的利用。 三、課題應該解決的問題 圖像處理技術博大精深，不僅需要有很強的數學功底，還需要熟練掌握一門計算機語言。在當前流行的語言中， Visual C++這個開發(fā)平臺在圖像開發(fā)中是比較成熟的。在課題中要解決的問題就是對圖像的基本操作如：圖像的打開保存關閉，對圖像的基本處理如：圖像的直方圖、傅立葉交換、小波交換等。 四、課題技術關鍵 要利用計算機對數字化圖像進行處理，首先要 對圖像的文件格式要有清楚的認識，因為自然界的圖像以模擬信號的形式存在，在用計算機進行處理以前，首先要數字化；如果用戶想要生成目標圖像文件，必須根據文件的格式做相應的處理。 圖像處理中一個很重要的問題就是如何表示有關的知識并以恰當的方式引入圖像處理。由于圖像處理任務的復雜性，目前要找出一個通用的方法適應各種情況是幾乎不可能的。另一方面，在建立普適的圖像處理方法時，往往會忽略某類圖像具有的特定屬性。相反，針對某類特定問題，則可能找到有效的方法。為此， 有研究者 提出基于對象圖像處理的概念：限定圖像處理的對象為一類物 體 （ BMP 灰度圖像） ，考察對象的共有屬性（稱為先驗），并將其結合到圖像處理的任務中以提供更多的信息，從而提升圖像處理的性能、提高處理效果。它由以下要素構成：待處理的對第 8 頁 象；有關對象共同屬性的表示；將對象屬性的表示引入或結合到圖像處理中的途徑；問題求解算法。 第二節(jié) 數字圖像介紹 一、數字圖像的基本概念 計算機屏幕上顯示出來的畫面通常有兩種描述方法：一種為圖形，另一種為圖像。圖形、圖像在存儲結構和表示方法上有著根本的區(qū)別。圖形是矢量結構的畫面存儲形式，是由指令集合組成的描述，這些指令描述構成一幅圖的所有直線、 圓、圓弧、矩形、曲線等的位置、維數的大小、形狀、顏色，顯示時需要相應的軟件讀取這些命令，并將其轉變?yōu)槠聊簧纤@示的形狀和顏色，圖形記錄的主要內容是坐標值或坐標值序列，對一般畫面內容的顏色或亮度隱含且統(tǒng)一地描述，因此，矢量結構顯式地表現(xiàn)畫面內容的坐標值。圖像是以柵格結構存儲畫面內容，柵格結構將一幅圖劃分為均勻分布的柵格，每個柵格稱為像素，顯式地記錄每一像素的光度值（亮度或彩色），所有像素位置按規(guī)則方式排列，像素位置的坐標值卻是有規(guī)則地隱含。圖像由數字陣列信息組成，用以描述圖像中各像素點的強度與顏色，因此圖像適 合于表現(xiàn)含有大量細節(jié)（如明暗變化、場景復雜和多種顏色等）的畫面，并可直接、快速地在屏幕上顯示出來。圖像占用存儲空間較大，一般需要進行數據壓縮。 色度學理論認為，任何顏色都可由紅（ red）、綠（ green）、藍（ blue）三種基本顏色按照不同的比例混合得到。紅、綠、藍被稱為三原色，簡稱 RGB 三原色。在 PC 的顯示系統(tǒng)中，顯示的圖像是由一個個像素組成的，每一個像素都有自己的顏色屬性，像素的顏色是基于 RGB 模型的，每一個像素的顏色由紅、綠、藍三原色組合而成。 3 種顏色值的結合確定了在圖像上看到的顏色。人眼看到的圖像都 是連續(xù)的模擬圖像，其形狀和形態(tài)表現(xiàn)由圖像各位置的顏色所決定。因此自己然界的圖像可用基于位置坐標的三維函數來表示，即： ? ?),(),(),(),( zyxfzyxfzyxfzyxf b l u eg r e e nr e d? 其中 f 表示空間坐標為（ x,y,z）位置點的顏色， redf ， greenf ， bluef 分別表示該位置點的紅、綠、藍三種原色的顏色分量值。它們都是空間的連續(xù)函數，即連續(xù)空間的每一點都有一個精確的值與之相對應。 為了研究的方便，主要考慮平面圖像 。平面上每一點僅包括兩個坐標值，因此，平面圖像函數是連續(xù)的二維函數，即： 第 9 頁 ? ?),(),(),(),( yxfyxfyxfyxf b lu eg r e e nr e d? 數字圖像是連續(xù)圖像 f（ x,y）的一種近似表示，通常用由采樣點的值所組成的矩陣來表示： ??????????????????)1,1(. . .)1,1()0,1(. . .. . .. . .. . .)1,1(. . .)1,1()0,1()1,0(. . .)1,0()0,0(MNfNfNfMfffMfff 每一個采樣單元叫做一個像素（ pixel ），上式中， M， N 分別為數字圖像在橫（行）、縱（列）方向上的像素總數。在計算機內通常用二維數組來表示數字圖像的矩陣，把像素按不同的方式進行組織或存儲，就得到不同的圖像格式，把圖像數據存成文件就得到圖像文件。圖像文 件按其數字圖像格式的不同一般具有不同的擴展名。最常見的圖像格式是位圖格式，其文件名以 BMP 為擴展名。圖像數字化的精度包括兩個部分，即分辯率和顏色深度。分辯率指圖像數字化的空間精細程度，有顯示分辯率的圖像分辯率兩種不同的分辯率。 二、位圖的分類 對于現(xiàn)存的所有的圖像文件格式（包括 JPEG、 GIF、 BMP），在這里主要介紹 BMP圖像文件格式，并且文件里的圖像數據是未壓縮的，因為圖像的數字化處理主要是對圖像中的各個像素進行相應的處理，未壓縮的 BMP 圖像中的像素數值正好與實際要處理的數字圖像相對應，這種格式的文件最 合適對之進行數字化處理。 圖像分辯率是安息字化圖像化分圖像的像素密度，即單位長度內的像素數，其單位是每英寸的點數 DPI（ dots Per inch）。顯示分辯率是把數字圖像在輸出設備（如顯示屏或打印機等）上能夠顯示的像素數目和所顯示像素之間的點距。顯示分辯率是用戶在屏幕上觀察圖像時，所感受到的分辯率。一般顯示分辯率是由計算機的顯示卡所決定的。圖像分辯率說明了數字圖像的實際精細度，顯示分辯率說明了數字圖像的表現(xiàn)精細度，具有不同的圖像分辯率的數字圖像在同一輸出設備上的顯示分辯率相同。 位圖種類分有單色圖像、灰度 圖像、偽彩色圖像及 24 位真彩色圖像，其中，單色和灰度圖像統(tǒng)稱為黑白圖像，偽彩色和 24 位真彩色圖像稱為彩色圖像。 （一）單色圖像 單色像中每個像素點僅占一位，其值只有 0或 1， 0代表黑， 1代表白?；蛳喾?。 因為圖像中的每個像素僅需 1 位信息，常把單色圖像稱為是 1 位圖像。單色圖像具有比簡單的格式，一般由黑色區(qū)域和白色區(qū)域組成。 第 10 頁 （二）灰度圖像 灰度圖像具有如下特征： （ 1） 灰度圖像的存儲文件帶有圖像顏色表，此顏色表共有 256 項，圖像顏色表中每表項由紅、綠、藍顏色分量組成，且紅、綠、藍顏色分量值都相等，即： ),(),(),( yxfyxfyxf b lu eg re e nre d ?? （ 2） 每個像素由 8位組成，其值范圍從 0~255，表示 256 種不同的灰度級。每個像素的像素值 f (x,y)是圖像顏色表的表項入口地址。 （三）偽彩色圖像 偽彩色圖像與灰度圖像相似，其存儲文件中也帶有圖像顏色表，偽彩色圖像具有如下特征： （ 1） 圖像顏色表中的紅、綠、藍顏色分量值不全等，即： ),(),(),( yxfyxfyxf b lu eg re e nre d ?? （ 2）整幅圖像僅有 256 種不同的顏色，像素必須由 8 位組成，每個像素的像素值不是由每個基色分量的數值直接決定 ，而是把像素值當作圖像顏色表的表項入口地址。把具有 256色的圖像稱為 8位彩色圖像。 256 色圖像有照片效果，比較真實。 （四） 24位真彩色圖像 具有全彩色照片表達能力的圖像為 24 位彩色圖像， 24位真彩色圖像存儲文件中不帶有圖像顏色表，其具有如下特征： （ 3） 圖像中每一像素由 RGB 三個分量組成，每個分量各占 8位，每個像素需 24 位； （ 4） ),(),(),( yxfyxfyxf b lu eg re e nre d 取值范圍為 0~255。 由于 24位真彩色圖像所需的存儲空間很大，處理速度較慢，當需要的存儲空間不大，并且要求實時快速處理圖像時，一般都要利 用相應的8 位位圖對其進行近似處理，因此 8 位位圖是圖像技術中涉及范圍比較廣泛的一種圖像表示方法。 第 11 頁 第三節(jié) 本文組織結構 一、本文的主要工作 綜上所述， 隨著計算機性能及圖像處理技術的發(fā)展， 隨著數字化與多媒體時代的來臨，數字圖像處理已經成為必備的基礎知識。近幾十年來由于計算機技術的蓬勃發(fā)展，圖像處理技術也得到了空前的發(fā)展和應用 。 由于國內圖像處理水平 離國外先進水平還有相當的差距，特別是在商業(yè)軟件方面，還是空白。因此本文對圖像處理技術進行了研究。 在目前存在的圖像處理系統(tǒng)中，包括國內國外都能滿足一般用戶的要求，但是 在特定的場合或特殊的應用領域里還達不到用戶的要求。因此，本文從用戶需求出發(fā)設計圖像處理系統(tǒng) 。 本文系統(tǒng)具有界面直觀、操作簡易、通俗易懂等特點，能滿足一般圖像處理的要求。 本文主要實現(xiàn)的技術及功能有以下四點： （ 1） 圖像的打開、關閉及保存：打開并顯示圖像，并在處理過圖像后關閉或保存圖像； （ 2） 圖像的直方圖表示：圖像的直方圖均衡化、亮度 N倍、平滑化、擴展亮范圍等表示； （ 3） 圖像的傅立葉變換：實現(xiàn)圖像的二次傅立葉變換，快速傅立葉變換，并直觀顯示傅立葉變換的頻率圖像及濾波后圖像； （ 4） 圖像的小波交換：實現(xiàn)圖像的小波交換并直觀表示； 二 、本文的組織結構 本文共分六章。 第一章：簡述課題的背景、目的、意義、技術關鍵 、數字圖像基本概念及位圖分類； 第二章：簡介數字圖像處理概況、特點、特征；圖像處理硬件及軟件構成；位圖格式、采樣量化及基本處理步驟； 第三章：簡介系統(tǒng)方案設計、可行性論證； 第四章：簡介系統(tǒng)設計流程分析、系統(tǒng)功能框架結構，開發(fā)語言特征及代碼風格與質量；詳細介紹系統(tǒng)設計步驟； 第五章：詳細 介紹系統(tǒng)設計測試步驟、性能測試結果及存在問題； 第 12 頁 第六章：結論。 ? 第二章 數字圖像處理簡介 第一節(jié) 圖像處理概況 一、基于計算機的圖像處理 在 這個高度信息化的社會中，圖形圖像和計算機在人們的生活中越來越重要。用計算機處理圖像的技術也得到了迅速的發(fā)展的普及。 圖像（ Image）有各種各樣的形式，圖 21 對各種圖像進行了歸納。根據處理圖像的種類、處理結果的精度、處理速度的不同，有必要選擇不同的處理方法。 圖像 靜態(tài)圖像 二值圖像 例如文字，圖形 動態(tài)圖像 灰度圖像 例如黑白照片 彩色圖像 例如彩色照片 高精度（廣角）彩色圖像 例如印刷圖像 多光譜段圖像 例如衛(wèi)星圖像 灰度圖像 例如用于產品檢查的攝像機 彩色圖像 例如普通電視、高清晰度電視的圖像 第 13 頁 圖 21 現(xiàn)在電視機的顯像管已經被用在個人計算機的顯示器中，也可以在個人的計算機中觀看電視節(jié)目了。隨著圖像處理技術和平計算機技術的發(fā)展，攝取圖像的環(huán)境也越來越多，圖 22一些示例。當然，隨著技術的進步，模擬世界的電視機已經吸收了數字化技術和計算機技術，開始了全數字化的數字電視廣播，打印機也從原來只能處理文字和灰度圖像發(fā)展到能夠處理彩色動態(tài)圖像了。計算機圖形學（ puter graphics）和圖像處理（ im