數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的開發(fā)與研究

張秀榮 孟和達(dá)來

(內(nèi)蒙古民族大學(xué)傳媒學(xué)院， 中國 通遼 028043)

據(jù)研究表明，人們所獲取的全部信息中，有70%以上來源于視覺．跟語音或文字信息相比，圖像包含的信息量更大、更直觀、更確切，具有更高的使用效率和更廣泛的適用性．圖像處理已經(jīng)成為眾多領(lǐng)域中，研究視覺感知的有效工具．隨著時代的發(fā)展，圖像處理技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于工程學(xué)、醫(yī)學(xué)、軍事、遙感、氣象等眾多領(lǐng)域．?dāng)?shù)字圖像具有便于計算機(jī)處理和分析、圖像信息損失低、圖像抽象性強(qiáng)及圖像保存方便等特點．目前國內(nèi)外有很多關(guān)于圖像處理和遙感圖像處理的通用軟件，但是由于各個軟件的應(yīng)用目的和側(cè)重點不同，這些軟件在實際運(yùn)用的時候都會產(chǎn)生這樣或那樣的問題．比如有些軟件的界面不夠友好，交互性差，用戶無法調(diào)整算法參數(shù);不具備可擴(kuò)展性，軟件一旦完成，不容易修改或添加新內(nèi)容等．而且圖像處理的算法是千變?nèi)f化的，它的發(fā)展也是日新月異的，而圖像處理系統(tǒng)軟件的開發(fā)是相對滯后的．因此有些軟件的內(nèi)容不全或陳舊，沒有涉及圖像處理領(lǐng)域較新的成果．所以，在實際中，常常需要開發(fā)自己的圖像處理軟件，來方便某一領(lǐng)域的研究和學(xué)習(xí)．本文設(shè)計的可視化圖像處理程序是以Window XP作為操作平臺，采用Microsoft公司推出的開發(fā)Win32環(huán)境程序，通過Visual C++實現(xiàn)系統(tǒng)框架，實現(xiàn)了對圖像的基本處理,如圖像增強(qiáng)、正交變換、邊緣與輪廓、二值形態(tài)學(xué)變換、圖像分割、圖像復(fù)原、圖像壓縮和編碼等．

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計及主要模塊實現(xiàn)

決定系統(tǒng)功能的軟件設(shè)計主要在PC機(jī)中實現(xiàn)，是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心[1]．系統(tǒng)采用VisualC++可視化編程軟件[2-3]，使整個系統(tǒng)變得完整且能協(xié)同工作，同時面向?qū)ο蟮木幊淌管浖杀窘档颓乙子谏墸?/p>

本軟件系統(tǒng)的基本功能應(yīng)包括文件處理、圖像特技顯示、圖像幾何變換、顏色處理和圖像處理等幾個方面，如圖1所示．下面分別說明．

圖1 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的基本功能

1.1 文件處理

本系統(tǒng)軟件應(yīng)能新建、打開、存儲和關(guān)閉不同格式的位圖文件，而且在文件操作時，能方便地選擇不同的格式，包括DIB位圖、PCX、GIF、JPEG、TIFF．能同時支持打印、預(yù)覽及打印機(jī)設(shè)置．

用VC++實現(xiàn)顯示位圖

借助于CDib類，用Visual C++編制位圖顯示的步驟如下:

(1)使用Appwizard生成一個基于多文檔的項目ImagePro;

(2)將ClmageProview類的基類設(shè)為CScrollView類，使ImagePro顯示時支持滾動條;

(3)將前面介紹的DIBAPI.H和DIBAPI.CPP，以及CDib的接口和實現(xiàn)文件—DIB.H和DIB.CPP增加到ImagePro項目中;

(4)在CImageProDoc類中增加一個表示CDib對象指針公共數(shù)據(jù)成員:CDib

*m_pDib;

(5)在CImageProDoc類的構(gòu)造函數(shù)中初始化m_pDib;

(6)在ClmageProDoc類重載的成員函數(shù)Serialize中，用CDib的串行化來實現(xiàn)ClmageProDoc文檔的串行化;

(7)當(dāng)從文檔類中裝入DIB文件時，CImageProView類的OnInitialUpdate函數(shù)將首先調(diào)用．因此，在該函數(shù)中編寫從文檔類獲取用來顯示DIB的信息，主要獲取的是圖形顯示的尺寸區(qū)域;

(8)在CImageProView::onDraw函數(shù)中調(diào)用CDib::Display函數(shù)顯示DIB;

(9)協(xié)調(diào)調(diào)色板

1.2 圖像特技顯示

VisualC++并未提供圖像特技顯示方法，因此，必須自己編制圖像特技顯示的有關(guān)模塊[4-5]，包括：掃描、移動、百葉窗:水平、垂直、柵條、馬賽克等．

1.3 圖像變換

本軟件系統(tǒng)支持常見的圖像幾何變換操作，包括：旋轉(zhuǎn)、水平鏡像、垂直鏡像、圖像的縮放、圖像像框的縮放．

1.4 顏色處理

顏色處理是主要的圖像處理方法之一，可以滿足對不同顏色效果的要求．本軟件支持的顏色處理方法如下：彩色圖像的灰度化、圖形的亮度和對比度調(diào)整、顏色分離，可以獲取R，G，B分量的單色圖、濾色，可以濾除圖像中的R，G，B顏色分量、Gamma校正、底片效果、曝光效果等．

1.5 圖像處理

圖像處理方法是本軟件的核心和重要組成部分[6]，幾乎包括了圖像處理的各種基本方法，包括：圖像增強(qiáng)、邊緣檢測、輪廓提取與輪廓跟蹤、種子填充、圖像復(fù)原、圖像的正交變換、圖像的二值形態(tài)學(xué)變換、圖像闡值分割、投影檢測、差影檢測、模板匹配、圖像編碼等．

圖像增強(qiáng)包括點運(yùn)算[7]，空間運(yùn)算和偽彩色增強(qiáng)．

1.5.1 點運(yùn)算 點運(yùn)算是單獨(dú)地對圖像的像素點進(jìn)行運(yùn)算[8]，而不考慮圖像的鄰域．主要針對的是灰度圖，包括灰度的線性變換，灰度的閩值變換，灰度的窗日變換，灰度拉伸和直方圖均衡化．

(1)灰度的線性變換.灰度的線性變換是將圖像中所有點的灰度按照線性灰度變換函數(shù)進(jìn)行變換．

(2)灰度的闡值變換.它的思想就是圖像的二值化，即把灰度圖像轉(zhuǎn)換為黑白二值圖像．取一閾值T，當(dāng)圖像的灰度值小于此閾值時，像素值取為0，當(dāng)圖像的灰度值大于或等于此閾值時，像素值取為255．

(3)灰度的窗口變換.灰度的窗口變換和灰度的閾值變換相似，它限定一個窗口范圍，該窗口中的灰度值保持不變，小于該窗口下限的灰度值直接設(shè)置為0，大于該窗口上限的灰度值直接設(shè)置為255．

(4)灰度拉伸.灰度拉伸是分段進(jìn)行線性變換．可以靈活的控制輸出灰度直方圖的分布，有選擇的拉伸某段灰度區(qū)間以改善輸出圖像．

(5)直方圖均衡化.直方圖均衡化方法的基本原理[8]是：對在圖像中像素個數(shù)多的灰度值(即對畫面起主要作用的灰度值)進(jìn)行展寬，而對像素個數(shù)少的灰度值(即對畫面不起主要作用的灰度值)進(jìn)行歸并，從而達(dá)到清晰圖像的目的．

1.5.2 空間運(yùn)算 空間運(yùn)算不僅考慮對應(yīng)的像素點，而且考慮像素點周圍的鄰點，即對其某個鄰域進(jìn)行運(yùn)算，得到的值即為相應(yīng)像素點的值．包括濾波和銳化，濾波包括均值濾波和中值濾波，銳化包括一階梯度銳化和拉普拉斯銳化．

(1)均值濾波.均值濾波方法是，對待處理的當(dāng)前像素，選擇一個模板，該模板為其近鄰的若干像素組成，用模板中像素的均值來代替像素值的方法．

(2)中值濾波.中值濾波是基于排序統(tǒng)計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術(shù)．在一維形式下，一維中值濾波器含有奇數(shù)個數(shù)據(jù)的滑動模板，對模板中的數(shù)據(jù)由小到大排序，取排在中間位置上的數(shù)據(jù)作為最終的處理結(jié)果．

(3)一階梯度銳化.圖像中的細(xì)節(jié)是指畫面中的灰度變化情況，反映數(shù)據(jù)變化的數(shù)學(xué)手段可以采用微分算子．從數(shù)學(xué)的微分含義來看，“一階微分”是描述“數(shù)據(jù)變化率”，“二階微分”是描述“數(shù)據(jù)變化率的變化率”．無論哪種形式，通過一階微分或者是二階微分，都可以進(jìn)行細(xì)節(jié)的增強(qiáng)與檢測．

(4)拉普拉斯銳化.拉普拉斯是一種微分算子，它的應(yīng)用強(qiáng)調(diào)圖像中灰度的突變及降低灰度慢變換的區(qū)域．

1.5.3 偽彩色增強(qiáng) 偽彩色增強(qiáng)也是基于調(diào)色板操作的，按照偽彩色編碼表來更改當(dāng)前圖像的調(diào)色板．在VC++中實現(xiàn)以上偽彩色增強(qiáng)[3]．

1.6 軟件界面設(shè)計

考慮到圖像處理的方便，系統(tǒng)采用多文檔(MDI)界面[4,9]．根據(jù)Windows的界面標(biāo)準(zhǔn)和本軟件的功能設(shè)計，軟件的主菜單中包括文件、編輯、查看、特技顯示、幾何變換、正交變換、顏色處理、圖像增強(qiáng)、邊緣與輪廓、圖像復(fù)原、圖像分析、二值形態(tài)學(xué)變換和圖像編碼等菜單項．同時，通過對話框操作可實現(xiàn)圖像的交互處理．

本軟件界面友好，凡是需要確定參數(shù)的算法都有設(shè)置參數(shù)的對話框，使用者可以方便的輸入不同的參數(shù)，便于比較不同參數(shù)條件下的圖像處理效果，從而理解有關(guān)參數(shù)變化對處理結(jié)果的影響．友好的界面使得對該軟件的使用極為簡單．而且，當(dāng)用戶使用不當(dāng)時也會有相應(yīng)的提示(如在針對二值圖像處理的算法中輸入了非二值圖像[10]，系統(tǒng)即會提示“本處理只針對二值圖像，請輸入一幅二值圖像”)，使用者根據(jù)提示即可方便的使用該軟件．

2 系統(tǒng)實現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 代碼可重用性設(shè)計

本系統(tǒng)采用Visual C++6.0為編程環(huán)境[11]．以代碼的高可重用性、代碼的精簡性為目標(biāo)．將系統(tǒng)中通用函數(shù)，如獲取圖像信息、通用模板函數(shù)設(shè)計為通用模塊[7]，可以在全局范圍內(nèi)被靈活調(diào)用，符合代碼重用性的“一次編碼，多次使用”特點．

2.2 圖像處理后像原值超限的處理技術(shù)

常規(guī)數(shù)字圖像都是unsigned char數(shù)據(jù)類型，像素值范圍是0～255．由此產(chǎn)生了圖像處理后像素值可能超出數(shù)據(jù)范圍的問題．如：某像元處理后為752，很明顯752超出了unsigned char的數(shù)值范圍．有兩種方法可以處理這個問題：舍去法和拉伸法．

舍去法是把超出圖像像素范圍上限的值設(shè)為255，超出下限的像素值設(shè)為0．這種方法比較簡單，在對圖像質(zhì)量要求不高時使用．拉伸法相對來說比較復(fù)雜，對處理后的像素值，提取它的最小值，把它的負(fù)值加到所有的像素值上，然后求出這些像素值的最大值，用255除以這個最大值去乘所有的像素點，則所有的像素點都被拉伸在(0～255)之間．

美國的ERDAS遙感圖像處理軟件和Photoshop軟件都采用的是舍去法．根據(jù)舍去法，系統(tǒng)將752存儲為255．這種方法只保存了處在目標(biāo)數(shù)據(jù)類型范圍內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)[12]，對像元值超界的像元不能進(jìn)行分辨，導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)丟失．而采用拉伸的方法能夠很好地保存圖像的細(xì)節(jié)[13]．本軟件系統(tǒng)采用的就是拉伸法．

3 結(jié)論

本文設(shè)計的可視化圖像處理程序能打開、存儲、關(guān)閉不同格式的圖像文件，而且在文件操作時，能方便地選擇不同的格式，包括DIB位圖、PCX、GIF、JPEG、TIFF等格式．軟件界面友好，凡是需要確定參數(shù)的算法都有設(shè)置參數(shù)的對話框．而且，當(dāng)用戶使用不當(dāng)時都會有相應(yīng)的提示，使用者根據(jù)提示即可方便地使用該軟件．圖像處理算法內(nèi)容豐富，涵蓋了圖像處理領(lǐng)域大部分算法，能夠滿足基本的圖像處理要求，且具有很強(qiáng)的可移植性和可擴(kuò)展性，可以較方便地增加新的內(nèi)容．

但是在系統(tǒng)方面，處理后的圖像覆蓋了處理前的圖像，不能同時顯示處理前和處理后的圖像，不便于直觀地比較處理效果．并且在算法方面，數(shù)字圖像處理的算法還應(yīng)繼續(xù)完善．

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂鳳軍.數(shù)字圖像處理編程入門[M].北京：清華大學(xué)出版社,2000.

[2] 周長發(fā).精通Visual C++圖像編程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2000.

[3] 伍俊良.VC++課程設(shè)計與系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2002.

[4] 周長發(fā).多媒體計算機(jī)技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社,1995.

[5] 楊淑瑩. VC++圖像處理程序設(shè)計[M].邊奠英主審.北京：清華大學(xué)出版社、北方交通大學(xué)出版社,2003.

[6] 陳江婷.圖形組態(tài)的數(shù)字圖像處理實驗系統(tǒng)的設(shè)計[J].科技廣場,2010(3): 102-105.

[7] 楊 靖,李捍東.基于ARM和CPLD的嵌入式數(shù)字圖像處理系統(tǒng)[J].機(jī)械與電子,2010(s1): 203-205.

[8] 白 羽,索麗敏.基于MATLAB的數(shù)字圖像處理分析及應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2009(32):84.

[9] 張 銳,吳婉蘭.DM642在數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2008(1):211-212，246.

[10] 張衛(wèi)國,王 斌.基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的實況視頻圖像處理系統(tǒng)設(shè)計[J].長春理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011(3):93-95，106.

[11] 趙 兆. Visual C++在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代計算機(jī):專業(yè)版,2011(11):57-58，62.

[12] 楊淑瑩,張 樺.“數(shù)字圖像處理”教學(xué)軟件的開發(fā)設(shè)計[J].天津師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009(4):76-80.

[13] 舒世昌.基于DEMD與多尺度幾何分析的圖像壓縮方法[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報,2009，32(4):18-22.