1、电气工程学院学院毕业设计说明书0目 录第一章 前言 .3第二章 绪论 .52.1 研究的目的及意义 .52.2 国内外研究现状 .62.2.1 国外研究现状 .62.2.2 国内研究现状 .72.3 本文主要研究内容与结构安排 .8第三章 算法分析与描述 .93.1 数字图像处理简介 .93.1.1 数字图像处理的特点 .93.1.2 数字图像处理的目的和主要内容 .103.2 VC+简介 .133.2.1 Visual C+开发语言的特点 .133.2.2 Visual C+ 6.0 的特点 .143.2.3 Visual C+ 6.0 及其开发环境 .163.3 本章小结 .17第四章 算
2、法分析与描述 .184.1 空域微分锐化方法 .184.1.1 拉普拉斯微分算子函数 .204.1.2 Roberts 交叉微分算子函数 .224.1.3 Prewitt 微分算子函数 (平均差分法) .234.1.4 Sobel 微分算子函数（加权平均差分法） .244.2 频域高通滤波锐化方法 .264.2.1 理想高通滤波器 .264.2.2 巴特沃思高通滤波器 .264.2.3 指数高通滤波器 .26第五章 详细设计过程 .285.1 微分算子图像锐化编程实现说明 .285.2 理想高通滤波图像锐化编程实现说明 .345.3 Butterworth 高通滤波图像锐化编程实现说明 .41
3、电气工程学院学院毕业设计说明书15.4 程序运行中的图像 .48设计总结 .51参考文献 .52致 谢 .54电气工程学院学院毕业设计说明书2第一章 前言图像是人类获取和交换信息的主要来源，因此，图像处理的应用领域必然涉及到人类生活和工作的方方面面。随着人类活动范围的不断扩大，图像处理的应用领域也将随之不断扩大。数字图像处理（Digital Image Processing）又称为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。 数字图像处理主要研究以下内容： 图像几何变换；如傅立叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换等；图象锐化处理；图像编码压缩；图像增强和复原；图像
4、分割；图像描述；图像分类（识别） 。在图像增强过程中，通常利用各类图像平滑算法消除噪声，图像的常见噪声主要有加性噪声、乘性噪声和量化噪声等。一般来说，图像的能量主要集中在其低频部分，噪声所在的频段主要在高频段，同时图像边缘信息也主要集中在其高频部分。这将导致原始图像在平滑处理之后，图像边缘和图像轮廓模糊的情况出现。为了减少这类不利效果的影响，就需要利用图像锐化技术，使图像的边缘变得清晰。图像锐化处理的目的是为了使图像的边缘、轮廓线以及图像的细节变得清晰，经过平滑的图像变得模糊的根本原因是因为图像受到了平均或积分运算，因此可以对其进行逆运算(如微分运算)就可以使图像变得清晰。从频率域来考虑，图像
5、模糊的实质是因为其高频分量被衰减，因此可以用高通滤波器来使图像清晰。但要注意能够进行锐化处理的图像必须有较高的性噪比，否则锐化后图像性噪比电气工程学院学院毕业设计说明书3反而更低，从而使得噪声增加的比信号还要多，因此一般是先去除或减轻噪声后再进行锐化处理。电气工程学院学院毕业设计说明书4第二章 绪论2.1 研究的目的及意义图像是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段。人出生以后第一次睁开眼睛，首先接收的就是各种各样的图像信息，因此有人说，图像与生俱来是人类生活中最直观、最丰富和最生动的信息表示形式。国外学者曾做过统计，人们从外界所获取的信息有70%以上来自于视觉摄取的图像，与文字或者语言信
6、息相比，图像包含的信息量更大，具有更广泛的适用性和更高的使用效率。在当今科学技术迅速发展的时代，人们越来越多的利用图像信息来认识和判断事物，解决实际问题。一幅静态图像可以用一个二维函数 f (x, y)来表示，这里 x和 y 表示二维空间中坐标点的位置，而 f 则代表图像在点( x, y)的某种性质的数值。例如常用的图像一般是灰度图，这时 f表示灰度值，对应客观图像被观察到的亮度。常见的图像是连续的，即 f (x, y)的值可以是任意实数。为了适应数字计算机的处理，必须对连续图像函数进行空间和幅度数字化，经过数字化后的图像称为数字图像。数字图像是由有限的元素组成的，每个元素都有一个特定的位置和
7、幅值，这些元素称为图像元素或像素。而数字图像处理是指借用数字计算机处理数字图像。数字图像一般可以通过以下三种途径获取：（1）直接由二维离散数学函数生成数字图像。（2）将模拟图像、物理图像等可见图像经过数字化处理转换为数字图像，例如将一幅照片通过扫描仪输入到计算机中，扫描的过程实质上就是一个数字化过程。（3）应用光电转换设备可以直接得到数字图像，例如数字相机使用CCD器件记录影像，然后把CCD器件的电子信号转换成数码信号，并把所得到的数字图像存入存储器中。无论采取哪种方式所获取的数字图像在数学上都是一个二维矩阵，因此，数字图像处理的实质是将原始图像变为目标图像的过程，实质上是由一个矩阵变为电气工
8、程学院学院毕业设计说明书5另一个矩阵的数学过程。不管是图像的放缩、图像的几何变换、图像的灰度变换还是离散余弦等正交变换，本质上都是基于图像矩阵的数学运算。获取图像信息的目的不仅仅只是为了获取图像，更为主要的是对图像信息进行加工处理，以满足我们的视觉心理或者应用需求。因此，从某种意义上讲，对图像信息进行处理比图像获取更为重要。图像处理一般是指数字图像处理，所谓数字图像处理就是指对一个物体的数学表示，即对一个二维矩阵施加一系列的操作，以得到所期望的结果。虽然某些处理也可以用光学方法或模拟技术实现，但它们远不及数字图像处理那样灵活和方便，因而数字图像处理成为图像处理的主要方面。2.2 国内外研究现状
9、2.2.1 国外研究现状图像处理软件是用于处理图像信息的各种应用软件的总称，现在国外比较流行的数字图像处理软件品种繁多。例如美国Math Works公司出品的MATLAB软件，功能十分强大，它主要应用于工程计算、信号处理与通讯、图像处理等领域。MATLAB之所以称为世界流行的科学计算与数学应用软件，是因为它有着强大的矩阵运算和处理功能，具体表现在强大的数值计算功能、数据分析和科学计算可视化功能、强大的符号计算功能、强大的非线性动态系统建模和仿真功能、灵活的程序接口功能等方面。而数字图像处理与矩阵运算具有密切的联系，并且MATLAB图像处理工具箱提供了丰富的图像处理函数，熟练使用这些函数可以完成
10、几乎所有的图像处理工作。应用MATLAB进行数字图像处理可以节省大量编写低层算法源代码的时间，避免程序设计中的重复劳动，达到事半功倍的效果。另外，新版本的MATLAB在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善。MATLAB的不足之处是运行程序时需要安装有MATLAB系统，可移植性能差，应用不方便，执行速度慢。Microsoft Visual C+，简称MSVC、VC+，是微软公司的C+开发工具，具有可视化的集成开发环境，称为Visual Studio。具有编辑C 语言，C+等编程语言的能力，从传统的Windows API 编程到MFC 编程、再到基于组件的编程，电气工程学院学院毕业设计说明
11、书6Visual C+都为之提供了方便的设计工具，几乎能够完成Windows 各个方面的应用。自1993 年Microsoft 公司推出Visual C+1.0 后，随着其新版本的不断问世，所开发出来的应用程序运行速度快，代码执行效率高，并具有一定的可移植性能。因此，Visual C+已成为专业程序员进行软件开发的首先工具。目前最新的版本是Microsoft Visual C+ 2008，Visual C+ 6.0 是其经典版本。Photoshop是Adobe公司开发的世界上最优秀的平面图像处理软件之一，集图像扫描、编辑修改、图像制作、广告创意，图像输入与输出与一体，在图像处理及平面设计领域里
12、，Photoshop一直都以界面美观，操作方便，在图像处理和电脑绘图软件领域里独占鳌头。Photoshop的功能非常强大，它支持多种图像格式和颜色模式，能同时进行多色层处理。其绘画功能和选取功能能使图像编辑变得十分方便，图像变形功能可用来制作特殊的视觉效果。Photoshop还采用开放式的结构，能接受常用的图像输入设备。目前最新版本Adobe Photoshop CS4除了包含Adobe Photoshop CS3的所有功能外，还增加了3D和视频流、动画、深度图像分析等。Ulead公司的PhotoImpact是一款以个人用户多媒体应用为主的图像处理软件，其主要功能是改善相片品质，进行简易的相片
13、处理并支持位图图像和矢量图像的无缝组合，打造3D效果以及在网页图像方面的应用。它内置的各种效果要比Photoshop更加方便。Painter是一款由加拿大Corel公司开发的图形图像软件，是最优秀的电脑绘画软件之一，它结合了photoshop为代表的位图图像软件和Illustrator freehand等为代表的矢量图形软件的功能和特点，在图像编辑合成、特效制作、二维绘图等方面均有突出表现。2.2.2 国内研究现状国内在此领域的研究中最具有代表性的是梦幻科技推出的彩影图形处理和相片制作软件，彩影拥有非常智能、傻瓜而功能强大的图像处理、修复和合成功能。解决了国内外图像处理软件过于复杂、不易操作的
14、问题，让所有用户不需要专业的图像美工技能即可轻松点击并制作出绚丽多彩的图像特效图。另外，光影魔术手也是国内最受欢迎的图像处理软件之一，被电脑报 、天极、PCHOME等多家权威媒体及网站评为2007年最佳图像处理软件。其简单、易用，每个人都能制作电气工程学院学院毕业设计说明书7精美相框，艺术照，专业胶片效果，而且完全免费，不需要任何专业的图像技术。其功能主要表现在图片美容、摄影作品的后期处理方面。新一代在线图像编辑软件OPCOL是国内领先的在线图像处理系统，它采用最新Flash技术开发，不用下载任何插件，只需flash10的支持即可实现在线图片编辑，可无缝嵌入主流浏览器，具有文件体积小速度快，兼
15、容各种浏览器等特点；适于各种自动在线图片编辑的场合使用，是未来网站的一个新功能和亮点，满足您的创新需求，解决网站在线图片编辑难题；通过本编辑软件提供丰富的接口，能与JSP,PHP,ASP等动态编程语言完美接口，方便集成，系统数据交互采用标准的HTTP协议。2.3 本文主要研究内容与结构安排本文主要设计的内容是:理解分析空域微分锐化方法。理解分析图像频域高通滤波锐化方法，特别是理想高通滤波器法、Butterworth滤波器法和指数形滤波器法。在VC中代码实现以上算法，并通过调试，得到所给图像的变换结果。本文以下的内容是这样安排的：第三章主要讲述了数字图像的特点及信息；第四章主要讲述了图像锐化处理
16、的方法；第五章主要是VC+编程实现了人机软件界面；而后为总结与展望，对本课题进行了总结和对课题的展望。电气工程学院学院毕业设计说明书8第三章 算法分析与描述3.1 数字图像处理简介数字图像处理是指用计算机对数字图像进行的处理，因此也成为计算机图像处理。由于数字图像在数学上是一个二维矩阵，所以数字图像处理又可以描述为对一个二维矩阵施加一系列操作，以得到所期望的结果。与之相对应的是模拟图像处理（Analog Image Processing） ，它包括：电子处理和光学处理，如电视信号处理、遥感图像处理等都是对模拟信号进行处理的过程，模拟图像处理一般为实时处理。它的特点是速度快、精度差、灵活性差。3
17、.1.1 数字图像处理的特点（1）信息量大由于数字图像在计算机中采用二维矩阵表示和存储，所以其信息量很大。比如对一幅由512512个像素组成的电视图像，其灰度级用8比特的二进制数来表示，其信息量为5125128 = 256KB对于这样大信息量的图像，虽然我们可以获取较多的信息，但是如果要对此图像进行处理，我们必须要用具有相当大内存和存储器的计算机。（2）数字图像占用的频带较宽数字图像信息占用的频带要比语音信息大几个数量级。如语音带宽约为4KHz，而电视图像的带宽却为5.6MHz 左右。所以在成像、传输、存储、处理、显示等各个环节的实现上，技术难度较大，成本亦高，这就对频带压缩技术提出了更高的要
18、求。（3）数字图像像素间相关性大数字图像中各个像素的灰度并不是独立的，其间的相关性很大，就电视画面而言，同一帧各相邻像素间的相关系数可达0.9 以上，而相邻两帧之间的相关性比帧内相关性一般还要大些，因此图像信息具有很大的可压缩性。如果在图像通电气工程学院学院毕业设计说明书9信领域中，能够充分利用数字图像的这一特性，将大大提高图像处理和传输的效率。（4）再现性好、适用面宽由于数字图像在计算机中采用二维矩阵表示和存储，这样计算机容易处理。因此，在传送和复制图像时，只在计算机内部进行处理，这样数据就不会丢失或遭破坏，保持了完好的再现性。这一点在模拟图像处理中，几乎是很难实现的。另外，对于数字图像处理
19、来说，图像可以来自多种信息源，它们可以是可见光图像，也可以是不可见的多光普图像；可以是电子显微镜图像，也可以是遥感图像甚至天文望远镜图像。只要对这些来自不同信息源的图像数字化后，都可以采用计算机来处理。（5）图像信息的视觉效果主观性大、识别困难经过处理后的图像一般是给人观察和评价的，因此受人的主观因素影响较大，比如说兴趣、视觉、情绪等。通常情况下，图像的识别比较困难。如果要求取图像上某一区域的面积，利用计算机可以很方便的达到目的，并且精确度很高；但是要计算机识别某一区域是什么东西，则十分困难。（6）图像处理技术综合性强数字图像处理涉及的技术领域相当广泛，如计算机技术、电子技术、通信技术等。当然
20、，数学、物理学等领域更是数字图像处理的基础。并且在数字图像处理中涉及到硬件、软件、接口、网络等多项技术。总而言之，数字图像处理技术的发展涉及越来越多的基础理论知识，它是一项涉及多学科的综合性技术。3.1.2 数字图像处理的目的和主要内容数字图像处理就是利用计算机系统对数字图像进行各种特定的处理。通常情况下，对图像进行处理主要以下3 个目的：一是提高图像的可观性，以获得所期望的结果。例如如对图像进行灰度变换、几何变换、滤波等从而改善图像的质量以达到所需的、清晰的效果；二是对图像数据进行编码和压缩，以便于解决数据量与存储和传输的矛盾。三是特征提取，以便于计算机进行图像分析。比如常用作模式识别的预处理，这就涉及到特征参数的提取问题。不管图像处理是何种目的，都需要计算机系统对图像数据进行输入、分析加
