基于VC++的數(shù)字圖像處理軟件的開發(fā)

基于VC++的數(shù)字圖像處理軟件的開發(fā)摘要:隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開拓,一種全新的圖像處理方法——數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)運而生，即利用計算機(jī)設(shè)備將圖像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信息來進(jìn)行保存、處理、傳輸和顯示。目前，數(shù)字圖像處理技術(shù)被廣泛應(yīng)用在眾多的領(lǐng)域，而且其處理精度比較高，所以，開發(fā)一個好的數(shù)字圖像處理軟件至關(guān)重要。本文設(shè)計了一個基于VＣ+＋的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，系統(tǒng)中包括圖像處理技術(shù)的各個方面,涵蓋了數(shù)字圖像處理領(lǐng)域的大部分算法,并對相應(yīng)的算法進(jìn)行了實現(xiàn)。本系統(tǒng)具有很強的可移植性和擴(kuò)展性。本文以ＢMP文件的讀寫為切入點,相繼介紹了圖像處理領(lǐng)域的大部分算法：圖像幾何變換、正交變換、圖像增強、邊緣檢測，并詳細(xì)論述了各個算法的實現(xiàn)過程,對主要算法的實際應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)能夠滿足圖像處理的基本要求，而且還可以針對不同的處理目的，靈活地對圖像處理算法進(jìn)行改進(jìn)，從而選擇出最優(yōu)處理算法，達(dá)到期望的處理效果。為了方便用戶觀察處理結(jié)果，更好的理解算法，本文設(shè)計了一個友好的圖形用戶界面，此界面操作簡單，使用方便，為數(shù)字圖像處理處理算法的研究人員提供了一個很好的圖像處理平臺。關(guān)鍵詞:數(shù)字圖像處理,ＶC++,BMP前言圖像是人類獲取信息、表達(dá)信息和傳遞信息的重要手段。人出生以后第一次睜開眼睛，首先接收的就是各種各樣的圖像信息,因此有人說,圖像與生俱來是人類生活中最直觀、最豐富和最生動的信息表示形式。國外學(xué)者曾做過統(tǒng)計,人們從外界所獲取的信息有７0%以上來自于視覺攝取的圖像，與文字或者語言信息相比，圖像包含的信息量更大，具有更廣泛的適用性和更高的使用效率。在當(dāng)今科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的時代,人們越來越多的利用圖像信息來認(rèn)識和判斷事物，解決實際問題。既然圖像處理如此重要，那么開發(fā)一個好的數(shù)字圖像處理軟件也是十分必要的。MＡTLAＢ軟件雖然能夠?qū)?shù)字圖像進(jìn)行方便的處理,并且其制作的界面也比較友好，但是由于其過于龐大,移植性和速度方面也很難與VＣ+＋相比。另外,由于商業(yè)化的VC＋+數(shù)字圖像處理軟件價格比較昂貴，而且不便于二次開發(fā),所以自己利用ＶＣ++集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)一套簡單的數(shù)字圖像處理軟件系統(tǒng),本系統(tǒng)界面友好，不但能對現(xiàn)代光學(xué)測量中散斑和條紋圖像進(jìn)行良好的處理,而且還能夠滿足一些簡單的數(shù)字圖像處理的需求,為以后的學(xué)習(xí)和研究奠定了基礎(chǔ)。軟件界面設(shè)計用戶界面是指用戶與計算機(jī)之間進(jìn)行交互通信聯(lián)系的平臺，并出現(xiàn)了多種形式的人機(jī)交互方式，從早期計算機(jī)使用的命令行的交互方式到以圖形界面（GUI）為主的交互形式。ＧＵI的廣泛應(yīng)用極大的方便了非專業(yè)用戶的使用，人們不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可用通過窗口、菜單、按鈕等方式來方便的進(jìn)行操作。圖形界面給用戶帶來了操作和控制的方便與靈活性,所以它在人機(jī)交互方式中占主導(dǎo)地位?？紤]到圖像處理操作的簡單方便，本系統(tǒng)采用多重文檔界面(MDI)，它的特點是允許多個框架窗口存在,每次能創(chuàng)建和擁有多個文檔對象，也允許打開多個文檔。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、窗口、幾何變換、點運算、圖像增強、形態(tài)學(xué)變換、邊緣與輪廓、幫助等菜單項，本系統(tǒng)軟件界面如圖２-1所示。每一個主菜單相應(yīng)的會有幾個子菜單，同時,通過對話框操作可實現(xiàn)圖像的交互處理。下面我們以邊緣與輪廓處理中的輪廓提取為例,通過主菜單、子菜單、對話框來實現(xiàn)圖像的輪廓提取操作。圖２－１軟件界面示意圖圖像處理軟件設(shè)計軟件本身功能包括五個模塊，分別是：幾何變換模塊、點運算模塊、圖像增強模塊、形態(tài)學(xué)變換模塊、邊緣與輪廓模塊。幾何變換模塊包括:圖像旋轉(zhuǎn)、圖像縮放、圖像轉(zhuǎn)置、水平鏡像、垂直鏡像。點運算模塊包括：灰度化、灰度直方圖。圖像增強模塊包括:圖像平滑、梯度銳化、拉普拉斯銳化。形態(tài)學(xué)變換模塊包括：腐蝕、膨脹、開運算、閉運算。邊緣與輪廓模塊包括：邊緣檢測、輪廓提取、輪廓跟蹤。功能結(jié)構(gòu)圖如圖3-１。本文將就重要部分進(jìn)行介紹。圖3-1軟件功能結(jié)構(gòu)圖3.1VＣ＋+圖像格式3.1.１位圖結(jié)構(gòu)BMP位圖文件格式是Ｗinｄｏｗs系統(tǒng)交換圖像數(shù)據(jù)的一種標(biāo)準(zhǔn)圖像文件存儲格式，在Winｄows環(huán)境下運行的所有圖像處理軟件都支持這種格式。Windｏws3.0以前的BMP位圖文件格式與顯示設(shè)備有關(guān)，因此把它稱為ＤDＢ文件格式,Ｗindows３.０以后的BMＰ位圖格式與顯示設(shè)備無關(guān)，因此把它稱為DIB文件格式，目的是為了讓W(xué)inｄowｓ能夠在任何類型的顯示設(shè)備上顯示BMP位圖文件。一個ＢMP文件由4個部分組成:位圖文件頭、位圖信息頭、調(diào)色板和像素數(shù)據(jù)。如圖３－2所示。圖3-2ＢMＰ圖像文件結(jié)構(gòu)示意圖1.BMP文件頭BMP文件頭數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)含有BMＰ文件的類型、文件大小和位圖起始位置等信息。其定義如下：typeｄｅｆｓｔructtagＢＩＴＭＡＰFＩLEHEADER｛WORDｂfTyｐeＤWORDbｆＳizｅWORDｂfReseｒｖed1WＯRDbfResｅｒved2ＤWOＲDbfＯｆｆBｉts}BＩTＭAPＦILＥHＥADEＲ;參數(shù)ｂｆTｙpｅ指定位圖文件類型的識別代碼，例如BMP為BＭ等，該參數(shù)必須為BＭ。參數(shù)bfSiｚe指定位圖文件的大小,以字節(jié)為單位。參數(shù)ｂfReservｅd１和bｆRｅserved2為保留字，需要將其設(shè)為0。參數(shù)bfＯffBits指定位圖數(shù)據(jù)的起始位置,以相對于位圖文件頭的偏移量并以字節(jié)為單位來表示。２.位圖信息頭BＭP位圖信息頭包含了單個像素所用字節(jié)數(shù)以及描述顏色的格式,此外還包括位圖的寬度、高度、目標(biāo)設(shè)備的位平面數(shù)以及圖像的壓縮格式。第二部分為位圖信息頭ＢITMAＰINＦＯHＥADER,也是一個結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的定義如下:typedefsｔructtagBIＴMAPIＮＦOHEAＤＥR{DWORDbiSｉzeLONＧbiWiｄｔhLONGbiＨｅiｇhtWORDｂiPlaｎｅsＷORＤbiBiｔCounｔDWOＲＤbiCompresｓｉonDWＯＲDbiSｉzeＩmageLONＧbiXPｅlsPerMeterLONGbiYPｅlsPerMeterDWORDbｉCｌrUｓｅdDWＯＲDｂｉClrIｍpoｒtant}ＢIＴMAPＩNFOHEADEＲ；參數(shù)biＳｉze指定結(jié)構(gòu)的字節(jié)數(shù)。參數(shù)ｂｉWidtｈ和bｉHeighｔ指定位圖的寬度和高度,以像素為單位。參數(shù)ｂiＰl(wèi)ａｎes表示目標(biāo)設(shè)備的級別，必須是1。參數(shù)biBitCｏｕnt指定每個像素所需的位數(shù),其值必須為1(黑白二色圖)、４（1６色圖)、8(２56色）、24（真彩色圖)。參數(shù)biＣｏmpｒession指定位圖壓縮類型,其值必須是0,1或２,其中0為不壓縮，1代表BI_ＲLE8壓縮類型，2為BI_RLE4壓縮類型。參數(shù)ｂｉSizeＩｍａge指定實際的位圖數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)。3.調(diào)色版調(diào)色板實際上定義為是一個數(shù)組，用于說明位圖中的顏色，它包含biＣlrUseｄ個元素，每個元素代表一種顏色，并由一個RGBＱUAD類型的結(jié)構(gòu)來表示，RGBQUAD結(jié)構(gòu)的定義如下：typedefｓｔｒuｃｔｔagＲGＢQＵAＤ｛BＹTErgｂＢlｕe//該顏色的藍(lán)色分量BＹＴＥrｇｂＧreen/／該顏色的綠色分量BYTＥrgｂＲed//該顏色的紅色分量BYTＥrgｂReseｒｖed//保留值}RGＢQＵＡD；調(diào)色板中RGBＱUAD結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的個數(shù)由位圖信息頭中參數(shù)bｉＢitCount來確定。4.位圖數(shù)據(jù)位圖數(shù)據(jù)記錄了位圖的每一個像素值，記錄順序在掃描行內(nèi)是從左到右，掃描行之間從上到下,Ｗｉndows規(guī)定一個掃描行所占的字節(jié)數(shù)必須是４的倍數(shù)，不足的以０填充。位圖的一個像素值所占的字節(jié)數(shù)如下：當(dāng)biBｉｔＣoｕｎt=1時,８個像素占一個字節(jié)。當(dāng)biBitＣoｕnt=4時，2個像素占一個字節(jié)。當(dāng)ｂiBｉtCount=８時，1個像素占一個字節(jié)。當(dāng)biBitCoｕnｔ=2４時,1個像素占3個字節(jié)。3．1．2設(shè)備無關(guān)位圖Winｄowｓ系統(tǒng)使用的位圖常分為設(shè)備相關(guān)位圖（DDＢ）和設(shè)備無關(guān)位圖(DＩB)兩種。其中DDB依賴于具體的圖像輸出設(shè)備，它只能存在于視頻內(nèi)存或系統(tǒng)內(nèi)存中，其顏色模式必須與輸出設(shè)備相一致。因此我們不會把DDB圖像存儲成文件,而是更多地使用DIB。ＤIB不依賴于具體輸出設(shè)備，與所有顯示設(shè)備兼容,因為DIB的顏色模式與設(shè)備無關(guān)，而且它自帶顏色信息。DIＢ的設(shè)備無關(guān)性使得其可以被用來永久地保存圖像,因此ＤＩＢ既可以保存在內(nèi)存中,也可以以文件形式保存在磁盤上。DIB通常以BMP為文件擴(kuò)展名的形式保存在磁盤中的。3.2幾何變換模塊圖像幾何變換又稱為圖像空間變換，它是數(shù)字圖像處理的重要內(nèi)容之一。通過幾何變換,可以根據(jù)應(yīng)用的需要使原圖像產(chǎn)生大小、形狀和位置等各方面的變化。從變換性質(zhì)來分,幾何變換可以分為圖像的旋轉(zhuǎn)、縮放、轉(zhuǎn)置、鏡像、平移等等。在這里我們只介紹基本的圖像的旋轉(zhuǎn)。3.２．1圖像的旋轉(zhuǎn)圖像的旋轉(zhuǎn)變換是幾何變換中研究的重要內(nèi)容之一。一般情況下，圖像的旋轉(zhuǎn)是指將圖像圍繞某一指定點旋轉(zhuǎn)一定的角度。旋轉(zhuǎn)通常也會改變圖像的大小，和圖像平移一樣，可以把轉(zhuǎn)出顯示區(qū)域的圖像截去,也可以改變輸出圖形的大小以擴(kuò)展顯示范圍。以任意點為中心的圖像旋轉(zhuǎn)即是將圖像平移和旋轉(zhuǎn)操作相結(jié)合,先進(jìn)行坐標(biāo)系平移，再以新的坐標(biāo)原點為中心旋轉(zhuǎn),然后將新原點平移回原坐標(biāo)系的原點。這一過程可分為以3個步驟:（1)將坐標(biāo)系Ⅰ變成Ⅱ。（２）將該點順時針旋轉(zhuǎn)θ角。（3）將坐標(biāo)系Ⅱ變回Ⅰ。下面我們以圍繞圖像中心的旋轉(zhuǎn)為例,具體說明上述的變換過程。坐標(biāo)系Ⅰ以圖像左上角點為坐標(biāo)原點,向右為x軸正方向，向下為ｙ軸正方向;而坐標(biāo)系Ⅱ是以圖像的中心為原點，向右為x軸正方向，向上為y軸正方向。如圖3-3所示。圖3-3圖像旋轉(zhuǎn)示意圖?本軟件進(jìn)行圖像旋轉(zhuǎn)功能如圖３-4：圖3-4圖像旋轉(zhuǎn)? 3.3點運算模塊 點運算模塊包括圖片的灰度化、灰度直方圖功能。這里只介紹灰度直方圖功能。3.３.１灰度直方圖 灰度直方圖是數(shù)字圖像處理中一個最簡單、最有用的工具，它描述了一幅圖像的灰度級內(nèi)容。任何一幅圖像的直方圖都包含了客觀的信息,某些類型的圖像還可由其直方圖完全描述?；叶戎狈綀D是灰度值的函數(shù)，描述的是圖像中具有該灰度值的像素的個數(shù)。橫坐標(biāo)表示像素的灰度級別；縱坐標(biāo)是該灰度出現(xiàn)的頻率(像素的個數(shù))。本軟件對圖像的灰度直方圖統(tǒng)計效果如圖3－5:圖3-5灰度直方圖3.４形態(tài)學(xué)變換模塊3.4.1腐蝕把結(jié)構(gòu)元素B平移a后得到Ba，若Ba包含于X，我們記下這個ａ點，所有滿足上述條件的ａ點組成的集合稱做X被B腐蝕的結(jié)果。用公式表示為：E(X)＝{a｜ＢaX｝=XB，如圖3-6所示。圖3-６

腐蝕的示意圖圖3－6中X是被處理的對象，B是結(jié)構(gòu)元素。不難知道，對于任意一個在陰影部分的點a，Ｂa包含于Ｘ,所以X被B腐蝕的結(jié)果就是那個陰影部分。本軟件進(jìn)行腐蝕的效果如下,圖3－7為原圖,圖３-8為腐蝕后的圖片圖3－7原圖圖3-８腐蝕后的圖片3．4.2膨脹膨脹可以看做是腐蝕的對偶運算,其定義是:把結(jié)構(gòu)元素B平移a后得到Ba，若Ba擊中X，我們記下這個a點。所有滿足上述條件的a點組成的集合稱做Ｘ被Ｂ膨脹的結(jié)果。用公式表示為：D(X)={a|Bａ↑X}=XＢ,如圖6.1３所示。圖3－9中X是被處理的對象，B是結(jié)構(gòu)元素,不難知道，對于任意一個在陰影部分的點a,Ｂa擊中X，所以X被B膨脹的結(jié)果就是那個陰影部分。圖３－９

膨脹的示意圖本軟件對圖3-7進(jìn)行膨脹后，效果如圖３-10圖3-10膨脹后的圖片3.５邊緣與輪廓模塊3.5.１邊緣檢測?邊緣總是以強度突變的形式出現(xiàn),可以定義為圖像局部特性的不連續(xù)性，如灰度的突變。紋理結(jié)構(gòu)的突變等。邊緣常常意味著一個區(qū)域的終結(jié)和另一個區(qū)域的開始。對于邊緣的檢測常常借助于空間微分算子進(jìn)行,通過將其與圖像卷積完成。邊緣檢測室基于物體與背景之間在灰度(或紋理）特性上存在著某種不連續(xù)性(或突變性)進(jìn)行的一種檢測技術(shù)。兩個具有不同灰度值的相鄰區(qū)域之間總存在灰度邊緣，而這正是灰度值不連續(xù)的結(jié)果,這種不連續(xù)可以利用求一階和二階導(dǎo)數(shù)檢測到。這些邊緣檢測器對邊緣灰度值過渡比較尖銳且噪聲較小等不太復(fù)雜的圖像可以取得較好的效果。但對于邊緣復(fù)雜的圖像效果不太理想，如邊緣模糊、邊緣丟失、邊緣不連續(xù)等。噪聲的存在使基于導(dǎo)數(shù)的邊緣檢測方法效果明顯降低,在噪聲較大的情況下所用的邊緣檢測算子通常都是先對圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠交?抑制噪聲,然后求導(dǎo)數(shù),或者對圖像進(jìn)行局部擬合,再用擬合光滑函數(shù)的導(dǎo)數(shù)來代替直接的數(shù)值導(dǎo)數(shù),如Caｎnｙ算子等。在未來的研究中，用于提取初始邊緣點的自適應(yīng)閾值選取、用于圖像層次分割的更大區(qū)域的選取以及如何確認(rèn)重要邊緣以去除假邊緣將變的非常重要。在邊沿檢測中，常用的一種模板是Ｓobel算子。Sobel算子有兩個，一個是檢測水平邊沿的,另一個是檢測垂直平邊沿的。下面是傳統(tǒng)模板與Sobｅl算子水平與垂直邊沿檢測模板。與傳統(tǒng)模板相比,Sｏｂeｌ算子對于象素的位置的影響做了加權(quán)，因此效果更好。（ａ)傳統(tǒng)水平(b)傳統(tǒng)垂直（ｃ）Soｂel水平（ｄ)Soｂel垂直圖3-11Soｂel算子模板Sｏｂel算子另一種形式是各向同性Sobel（IsotｒopicSoｂel）算子，也有兩個,一個是檢測水平邊沿的,另一個是檢測垂直平邊沿的。各向同性Sobｅl算子和普通Sｏbeｌ算子相比,它的位置加權(quán)系數(shù)更為準(zhǔn)確,在檢測不同方向的邊沿時梯度的幅度一致。