數(shù)字圖像處理圖像變換實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、數(shù)字圖象處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) 實(shí)驗(yàn)一 圖象變換實(shí)驗(yàn)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：圖像處理 姓名：劉強(qiáng) 班級(jí)：電信1102 學(xué)號(hào)：1404110128 實(shí)驗(yàn)一 圖像變換實(shí)驗(yàn)圖像點(diǎn)運(yùn)算、幾何變換及正交變換一、 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 二、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 學(xué)習(xí)使用“數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件系統(tǒng)”，能夠進(jìn)行圖像處理方面的簡(jiǎn)單操作；2、 熟悉圖像點(diǎn)運(yùn)算、幾何變換及正交變換的基本原理，了解編程實(shí)現(xiàn)的具體步驟；3、 觀(guān)察圖像的灰度直方圖，明確直方圖的作用和意義；4、 觀(guān)察圖像點(diǎn)運(yùn)算和幾何變換的結(jié)果，比較不同參數(shù)條件下的變換效果；5、 觀(guān)察圖像正交變換的結(jié)果，明確圖像的空間頻率分布情況。三、 實(shí)

2、驗(yàn)原理1、 圖像灰度直方圖、點(diǎn)運(yùn)算和幾何變換的基本原理及編程實(shí)現(xiàn)步驟圖像灰度直方圖是數(shù)字圖像處理中一個(gè)最簡(jiǎn)單、最有用的工具，它描述了一幅圖像的灰度分布情況，為圖像的相關(guān)處理操作提供了基本信息。圖像點(diǎn)運(yùn)算是一種簡(jiǎn)單而重要的處理技術(shù)，它能讓用戶(hù)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(guò)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)fA(x,y)其中f(x)被稱(chēng)為灰度變換（Gray Scale Transformation，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

3、換函數(shù)確定，該點(diǎn)運(yùn)算就完全確定下來(lái)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(chēng)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(xiàn)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(shū)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(shuō)明，用戶(hù)在操作過(guò)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：2、 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

4、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(xiàn)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(guò)于復(fù)雜，可以參考有關(guān)書(shū)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(xiàn)性變換、閾值變換、窗口變換

5、、灰度拉伸和灰度均衡幾何變換：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：1、 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；2、 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(shuō)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(lèi)似。1、 打開(kāi)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)；2、 執(zhí)行文件打開(kāi)，在OPE

6、N對(duì)話(huà)框中選擇待處理的圖像，按【OK】后系統(tǒng)顯示出圖像；3、 執(zhí)行查看圖像基本信息，將顯示圖像基本信息對(duì)話(huà)框，如圖所示；4、 執(zhí)行查看灰度直方圖，查看圖像的灰度直方圖，如圖所示； 5、 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；6、 執(zhí)行圖像變換正交變換小波變換，查看圖像經(jīng)過(guò)小波變換的效果，如圖所示； 7、 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(huà)框中的閾值參數(shù)，如圖所示；8、 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(guān)察閾值變換的效果，如圖所示； 9、 重復(fù)步驟4，查看閾值變換后圖像的直方圖分布情況；10、 重復(fù)步驟5，查看閾值變

7、換后圖像的頻率域分布情況；11、執(zhí)行文件保存或另存為，保存處理后的圖像；12、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：13、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(kāi)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；14、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；15、按照界面提示，把JPG格式的圖像文件轉(zhuǎn)換成8位BMP圖像。 步驟13示意圖 步驟14示意圖六、 思考題1、 圖像灰度線(xiàn)性變換、閾值變換、窗口變換、灰度拉伸和灰度均

8、衡之間有何區(qū)別？灰度線(xiàn)性變換就是將圖像的像素值通過(guò)指定的線(xiàn)性函數(shù)進(jìn)行變換，以此增強(qiáng)或者減弱圖像的灰度?；叶鹊拈撝底儞Q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(jiàn)的點(diǎn)運(yùn)算。它的操作和閾值變換類(lèi)似。從實(shí)現(xiàn)方法上可以看作是灰度折線(xiàn)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(xiàn)性變換有些類(lèi)似，不同之處在于灰度拉伸使用的是分段線(xiàn)性變換，所以它最大的優(yōu)勢(shì)是變換函數(shù)可以由用戶(hù)任意合成?；叶染馐窃鰪?qiáng)圖像的有效方法之一?；叶染馔瑯訉儆诟倪M(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(lái)看，灰度分布更加均勻

9、。2、 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。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)”； 2、 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；3、 觀(guān)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；4、 觀(guān)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1、 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(lèi)方法：圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)

10、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(lái)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

11、是一種間接處理方法，可以用下面的過(guò)程模型來(lái)描述：其中：F(u,v)= f(x,y)，G(u,v)= F(u,v)H(u,v)，g(x,y)= G(u,v)，和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(shuō)明，用戶(hù)在操作過(guò)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(shū)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。本次實(shí)驗(yàn)中圖像復(fù)原只作一般性了解。2、 編程實(shí)現(xiàn)步驟下面以圖像增強(qiáng)中的中值

12、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：3、 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； 4、 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(shuō)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(lèi)似。11、 打開(kāi)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

13、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)；12、 執(zhí)行文件打開(kāi)，在OPEN對(duì)話(huà)框中選擇待處理的圖像，按【OK】后系統(tǒng)顯示出圖像；13、 執(zhí)行查看圖像基本信息，將顯示圖像基本信息對(duì)話(huà)框，如圖所示；14、 執(zhí)行查看灰度直方圖，查看圖像的灰度直方圖，如圖所示； 15、 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； 16、 執(zhí)行圖像增強(qiáng)中值濾波，選擇或自定義對(duì)話(huà)框中的濾波器參數(shù)，如圖所示；17、 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(guān)察中值濾波的效果，如圖所示； 18、 重復(fù)步驟4，查看中值濾波后圖像的直方圖分布情況；19、 重復(fù)

14、步驟5，查看中值濾波后圖像的頻率域分布情況；10、執(zhí)行文件保存或另存為，保存處理后的圖像；11、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。十二、 思考題1、 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(xiàn)性的信號(hào)處理方法。2、 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(lái)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

15、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(mǎn)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(guò)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(chēng)之為圖像退化。這些因素包括傳感器噪聲、攝像機(jī)聚焦不佳、物體與攝像機(jī)之間的相對(duì)移動(dòng)、隨機(jī)大氣湍流、光學(xué)系統(tǒng)的象差、成像光源和射線(xiàn)的散射等。 圖像復(fù)原大致可以分為兩種方法： 一種方法適用于缺乏圖像先驗(yàn)知識(shí)的情況，此時(shí)可對(duì)退化過(guò)程建立模型進(jìn)行描述，進(jìn)而尋找一種去除或消弱其影響的過(guò)程，是一種估計(jì)方法； 另一種方法是針對(duì)原始圖像有足夠的先驗(yàn)知識(shí)的情況，對(duì)原始圖像建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型并根據(jù)它對(duì)退化圖像進(jìn)行擬