圖像幾何變換程序設(shè)計(jì)

PAGEPAGE2*******************實(shí)踐教學(xué)*******************蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2012年秋季學(xué)期圖像處理綜合訓(xùn)練題目：圖像幾何變換程序設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：成績(jī)：PAGEPAGE21目錄HYPERLINK摘要 1HYPERLINK一、前言 2HYPERLINK二、算法分析與描述 3HYPERLINK2.1圖象平移 3HYPERLINK2.2圖象比例變換 3HYPERLINK2.3圖象水平、垂直翻轉(zhuǎn) 4HYPERLINK2.4圖象旋轉(zhuǎn) 4HYPERLINK三、詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程 6HYPERLINK3.1算法分析 6HYPERLINK3.2設(shè)計(jì)內(nèi)容 7HYPERLINK3.3流程圖 7HYPERLINK四、調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及相應(yīng)解決辦法 9HYPERLINK五、程序運(yùn)行截圖及其說(shuō)明 10HYPERLINK六、簡(jiǎn)單操作手冊(cè) 13HYPERLINK設(shè)計(jì)總結(jié) 17HYPERLINK參考資料 18HYPERLINK致謝 19HYPERLINK附錄 20摘要圖形圖像處理主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，從而達(dá)到預(yù)期的那種效果的技術(shù)。因?yàn)樘幚黼x不開(kāi)計(jì)算機(jī)，所以又稱(chēng)計(jì)算機(jī)圖像處理。圖像幾何變換是計(jì)算機(jī)圖像處理中很重要的一部分，主要包括圖像的水平、垂直翻轉(zhuǎn)，圖像旋轉(zhuǎn)變換，圖像比例變換。在圖像處理中，可以通過(guò)MATLAB來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的幾何變換，此軟件的語(yǔ)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且具有極強(qiáng)的數(shù)值計(jì)算、圖形文字處理、數(shù)據(jù)分析、圖形繪制及圖像處理等功能。關(guān)鍵字：圖像的幾何變換； MATLAB；圖像的旋轉(zhuǎn)；垂直、水平翻轉(zhuǎn)；比例變換一、前言MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB是一種既可交互使用又能解釋執(zhí)行的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言。所謂交互使用，是指用戶(hù)輸入一條語(yǔ)句后立即就能得到該語(yǔ)句的計(jì)算結(jié)果，而無(wú)需像C語(yǔ)言那樣首先編寫(xiě)源程序，然后對(duì)之進(jìn)行編譯，連接，才能最終形成可執(zhí)行文件。MATLAB語(yǔ)言可以用直觀的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述問(wèn)題，從而避開(kāi)繁瑣的底層編程，因此可大大提高工作效率。圖像用數(shù)字任意描述像素點(diǎn)、強(qiáng)度和顏色。描述信息文件存儲(chǔ)量較大，所描述對(duì)象在縮放過(guò)程中會(huì)損失細(xì)節(jié)或產(chǎn)生鋸齒。在顯示方面它是將對(duì)象以一定的分辨率分辨以后將每個(gè)點(diǎn)的色彩信息以數(shù)字化方式呈現(xiàn)，可直接快速在屏幕上顯示。分辨率和灰度是影響顯示的主要參數(shù)。圖像適用于表現(xiàn)含有大量細(xì)節(jié)（如明暗變化、場(chǎng)景復(fù)雜、輪廓色彩豐富）的對(duì)象，如：照片、繪圖等，通過(guò)圖像軟件可進(jìn)行復(fù)雜圖像的處理以得到更清晰的圖像或產(chǎn)生特殊效果。圖像幾何變換主要是指數(shù)字圖像的幾何變換(或稱(chēng)為空間變換)，即圖像中點(diǎn)與點(diǎn)之間的空間映射關(guān)系。是通過(guò)數(shù)學(xué)建模實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖象進(jìn)行幾何變換的處理?？梢宰屛覀儚牟煌嵌热ビ^察或欣賞圖片，增加對(duì)個(gè)方位圖像的理解。二、算法分析與描述2.1圖象平移圖像平移是將一幅圖像中所有的點(diǎn)都按照指定的平移量在水平、垂直方向移動(dòng)，平移后的圖像與原圖像相同。平移后的圖像上的每一點(diǎn)都可以在原圖像中找到利用齊次坐標(biāo)，變換前后圖像上的點(diǎn)P0(x0,y0)和P(x,y)之間的關(guān)系可以用如下的矩陣變換表示為：2.2圖象比例變換圖象比例變換是指圖象縮小。圖象縮小是通過(guò)減少像素個(gè)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)所期望縮小的尺寸數(shù)據(jù)，從原圖象中選擇合適的像素點(diǎn)，使圖象縮小之后可以盡量保持原有圖像的概貌特征不丟失。以圖象縮小為例設(shè)原圖像大小為M*N，縮小為k1M*k2N，（k1<1，k2<1）。算法步驟如下：(1)設(shè)原圖為F(i,j)，i=1,2,…,M；j=1,2,…,N.壓縮后圖像是G(x,y),x=1,2,…,k1M,y=1,2,…,k2N.其中，c1=1/k1c2=1/k2為采樣間隔(2)G(x,y)=F(c1*x,c2*y)2.3圖象水平、垂直翻轉(zhuǎn)圖像的水平翻轉(zhuǎn)操作是以原圖像的垂直中軸線為中心，將圖像分為左右兩部分對(duì)稱(chēng)變換；圖像的垂直鏡像操作是以原圖的水平中軸線為中心，將圖像分為上限兩部分對(duì)稱(chēng)變換。翻轉(zhuǎn)后的高和寬都不變。設(shè)圖像高度為Height，寬度為Width，原圖中的（，）經(jīng)過(guò)水平翻轉(zhuǎn)后坐標(biāo)將變?yōu)椋╓idth-，）即同樣，（，）經(jīng)過(guò)垂直翻轉(zhuǎn)后坐標(biāo)將變成為（，Width-），即2.4圖象旋轉(zhuǎn)圖像的旋轉(zhuǎn)是指以圖像中的某一點(diǎn)為原點(diǎn)以逆時(shí)針或順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)一定的角度。通常是圍繞圖像的起始點(diǎn)以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。這樣，就可以利用解析幾何的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的旋轉(zhuǎn)。（，）直角坐標(biāo)系中的圖像旋轉(zhuǎn)（，）圖像旋轉(zhuǎn)計(jì)算公式如下：圖2.1圖像旋轉(zhuǎn)示意圖圖2.1圖像旋轉(zhuǎn)示意圖其中，是原圖像中的像素的坐標(biāo)；是對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換后圖像的像素的像素點(diǎn)坐標(biāo)。圖像旋轉(zhuǎn)以后會(huì)出現(xiàn)空穴的現(xiàn)象，可以用插值法來(lái)解決。所謂插值法就是在判斷為空穴的位置上填充一個(gè)估計(jì)的值。因?yàn)楣烙?jì)值的選擇不同，得到的方法的復(fù)雜度和效果也不同，在這里用的是均值插值法。均值插值法是將空穴像素周?chē)袼氐木底鳛樘畛渲堤钤谠摽昭c(diǎn)中，如：其空穴像素點(diǎn)為的周?chē)ㄉ?、下、左、右）的像素值為，則該點(diǎn)的像素值，即。三、詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程3.1算法分析本課程設(shè)計(jì)通過(guò)菜單和按鈕的方式來(lái)對(duì)圖片進(jìn)行各種幾何變換，操作簡(jiǎn)單，處理結(jié)果一目了然。系統(tǒng)具備良好的圖形用戶(hù)界面，通過(guò)按鈕或菜單進(jìn)行操作控制，能讓用戶(hù)方便地選擇不同的圖像文件進(jìn)行處理，并顯示圖像處理的結(jié)果。利用菜單按鈕及簡(jiǎn)介的版塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)各功能的處理結(jié)果與操作方式。介紹圖片處理按鈕菜單的功能。主界面設(shè)計(jì)如下：圖（1）主界面3.2設(shè)計(jì)內(nèi)容圖像的幾何變換：平移，縮放，翻轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)。1平移：平移是日常生活中最普遍的運(yùn)動(dòng)方式，而圖像的平移是幾何變換這中最簡(jiǎn)單的變換之一。菜單中使用translate函數(shù)和movesult對(duì)圖像進(jìn)行平移，通過(guò)改變程序中的參數(shù)可以控制平移的方式，視需求而定。2翻轉(zhuǎn)：實(shí)現(xiàn)水平，垂直，翻轉(zhuǎn)處理，雙精度取點(diǎn)后調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)。3縮放與旋轉(zhuǎn)變換：利用'nearest''bilinear''bicubic'三個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)圖片的三種縮放與旋轉(zhuǎn)處理。利用imresize和imrotate兩個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)縮放及旋轉(zhuǎn)功能。3.3流程圖（1）翻轉(zhuǎn)圖（2）翻轉(zhuǎn)流程圖（2）縮放與旋轉(zhuǎn)圖（3）縮放與旋轉(zhuǎn)四、調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及相應(yīng)解決辦法對(duì)matlab函數(shù)調(diào)用不夠熟悉，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)的時(shí)候陷入很多誤區(qū)。比如，平移變換的方法二總是指示錯(cuò)誤，后來(lái)幾經(jīng)調(diào)試，才排除錯(cuò)誤，得到正確的結(jié)果。還有提高部分的努力也是一樣。本次課程設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用了上課所學(xué)的知識(shí)與Matlab的強(qiáng)大函數(shù)調(diào)用功能，不足之處甚多，但是本次的設(shè)計(jì)中我們也有少許的創(chuàng)新之處，比如，Matlab參數(shù)錄入子程序就是小組自己編寫(xiě)的，花了很多功夫收集資料以及改進(jìn)。五、程序運(yùn)行截圖及其說(shuō)明（1）未經(jīng)處理的原圖圖（4）原圖（2）圖像進(jìn)行平移變換：圖（5）平移后的結(jié)果（3）水平翻轉(zhuǎn)：圖（6）水平翻轉(zhuǎn)（4）垂直翻轉(zhuǎn)：圖（7）垂直翻轉(zhuǎn)（5）旋轉(zhuǎn)圖（8）旋轉(zhuǎn)45度六、簡(jiǎn)單操作手冊(cè)在matlab中打開(kāi)kk.fig并運(yùn)行，在打開(kāi)的圖形界面中單擊：文件>打開(kāi)，選中所要處理的圖片，打開(kāi)。選擇所要進(jìn)行的變換方式，進(jìn)行變換，打開(kāi)圖片界面圖（9）操作界面平移效果：圖（10）圖（11）放大、縮?。簣D（12）圖（13）雙線性?xún)?nèi)插法放大2倍水平翻轉(zhuǎn)：圖（14）水平翻轉(zhuǎn)垂直翻轉(zhuǎn)：圖（15）垂直翻轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)：圖（16）圖(17)圖像旋轉(zhuǎn)100度（截取部分）撤銷(xiāo)、退出：“撤銷(xiāo)”可以實(shí)現(xiàn)圖像的還原，“退出”可以退出編輯圖（18）設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)這次“基于matlab的數(shù)字圖像處理”的課程設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多很多，最基本的就是重新熟悉了matlab語(yǔ)言，不僅僅只是在matlab編程上面有所提高和對(duì)界面設(shè)計(jì)熟悉，對(duì)數(shù)字圖像處理也有了更深刻的認(rèn)識(shí)。首先，明白了圖像對(duì)于matlab而言就是矩陣，灰度圖像和彩色圖像對(duì)應(yīng)于不同維數(shù)的矩陣，分別為二維和三維，其中三維矩陣每一位代表一種顏色。矩陣可以使實(shí)數(shù)，也可以使復(fù)數(shù)，不同的圖像矩陣的元素對(duì)應(yīng)于不同的類(lèi)型，有double，uint8等類(lèi)型。由于幾乎所有的matlab函數(shù)及其工具箱函數(shù)都可以使用double作為參數(shù)類(lèi)型，不過(guò)由于64bit來(lái)表示圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量特別巨大，所以matlab還支持圖像數(shù)據(jù)的無(wú)符號(hào)整型存儲(chǔ)，所以使用時(shí)還要注意輸出數(shù)據(jù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換。最后，我們必須要明白理論指導(dǎo)實(shí)踐，要想實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，必須明白它實(shí)現(xiàn)的機(jī)制和相應(yīng)的算法，只有通過(guò)相應(yīng)的理論來(lái)指導(dǎo)，我們才能有所創(chuàng)新，才能有所突破，而不只是單純的引用相應(yīng)的處理函數(shù)。例如對(duì)于截圖函數(shù)，它只能是截取坐標(biāo)軸內(nèi)的圖像，對(duì)坐標(biāo)軸意外的圖像卻不能處理，而且對(duì)于同時(shí)顯示在坐標(biāo)軸上的幾張圖像，它只能處理最后顯示的那張，如果我們通過(guò)對(duì)它改進(jìn)，能實(shí)現(xiàn)像qq截圖那樣的功能就很強(qiáng)大了。不過(guò)通過(guò)這次的實(shí)現(xiàn)，我對(duì)圖像的模式，幾何變換的原理，圖像的平移，水平、垂直翻轉(zhuǎn)，縮放以及旋轉(zhuǎn)等原理都有了更清楚的認(rèn)識(shí)，也明白了它們的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。matlab還有很多很多新功能等待我們?nèi)ヌ剿鳌Ｍㄟ^(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，我們受益匪淺。參考資料[1]鄭阿奇，曹戈，趙陽(yáng).MATLAB實(shí)用教程[M].北京：電子工業(yè)出版社2002年版[2]張弘.數(shù)字圖像處理與分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社2005年版[3]孫兆林.MATLAB6.X圖像處理[M].北京：清華大學(xué)出版社2010年版致謝通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，在一定程度上提高了我的實(shí)際動(dòng)手能力，同時(shí)也培養(yǎng)了我思考問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。對(duì)于matlab軟件的應(yīng)用能力也得到了很大的提高，了解到了很多自己有所不足的地方。雖然只有短短的兩周時(shí)間，但是這使我認(rèn)識(shí)到了做設(shè)計(jì)的樂(lè)趣，也明白了課程設(shè)計(jì)對(duì)于知識(shí)的吸收和要點(diǎn)的理解是非常重要，在兩周的時(shí)間里，遇到了很多問(wèn)題，周?chē)瑢W(xué)和老師的幫助起了很大的作用，非常感謝他們，充分體會(huì)到了團(tuán)隊(duì)合作的重要性。附錄Matlab程序?qū)崿F(xiàn)代碼（1）圖片的平移平移axes(handles.axes2);%定義圖像顯示位置I=handles.img;%選定操作圖T=getimage;%獲取圖像信息prompt={'輸入?yún)?shù):'};defans={'2'};p=inputdlg(prompt,'input',1,defans);%創(chuàng)建數(shù)據(jù)輸入窗口p1=str2num(p{1});J=double(I);%定義為雙精度型H=size(I);%定義尺寸I_moveresult=zeros(H)；%平移后背景變成了黑色的x_move=p1;y_move=p1;I_moveresult(x_move+1:H(1),y_move+1:H(2),1:H(3))=J(1:H(1)-x_move,1:H(2)-y_move,1:H(3));imshow(mat2gray(I_moveresult));（2）圖片的放大、縮小縮放axes(handles.axes2);%定義圖像顯示位置;I=handles.img;%選定操作圖T=getimage;%獲取圖像信息prompt={'輸入?yún)?shù):'};defans={'2'};%定義數(shù)據(jù)，放大縮小p=inputdlg(prompt,'input',1,defans);