畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于MATLAB的圖像復(fù)原

1、基于matlab的圖像復(fù)原摘要隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像像已經(jīng)充斥著人們身邊的任意一個(gè)角落。由于圖像的傳送、轉(zhuǎn)換，或者其他原因，可能會造成圖像的降質(zhì)、模糊、變形、質(zhì)量下降、失真或者其他情況的圖像的受損。本設(shè)計(jì)就針對“圖像受損”的問題，在matlab環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了利用幾何失真校正方法來恢復(fù)被損壞的圖像。幾何失真校正要處理的則是在處理的過程，由于成像系統(tǒng)的非線性，成像后的圖像與原圖像相比，會產(chǎn)生比例失調(diào)，甚至扭曲的圖像。圖像復(fù)原從理論到實(shí)際的操作的實(shí)現(xiàn)，不僅能改善圖片的視覺效果和保真程度，還有利于后續(xù)的圖片處理，這對醫(yī)療攝像、文物復(fù)原、視頻監(jiān)控等領(lǐng)域都具有很重要的意義。關(guān)鍵字：圖像復(fù)原；matla

2、b；幾何失真校正目錄摘要11 matlab 6.x 信號處理12 圖像復(fù)原的方法及其應(yīng)用132.1 圖像復(fù)原的方法132.2 圖像復(fù)原的應(yīng)用143 幾何失真校正實(shí)現(xiàn)153.1 空間變換153.1.1 已知和條件下的幾何校正163.1.2 和未知條件下的幾何失真163.2 灰度插值183.3 結(jié)果分析19參考文獻(xiàn)20附錄211 matlab 6.x 信號處理（1） 對matlab 6 進(jìn)行了簡介，包括程序設(shè)計(jì)環(huán)境、基本操作、繪圖功能、m文件以及matlab 6 的稀疏矩陣這五個(gè)部分。matlab的工作環(huán)境有命令窗口、啟動平臺、工作空間、命令歷史記錄與當(dāng)前路徑窗口這四部分。m文件的編輯調(diào)試環(huán)境有四

3、個(gè)部分的設(shè)置，分別是：editor/debugger的參數(shù)設(shè)置，字體與顏色的設(shè)置，顯示方式的設(shè)置，鍵盤與縮進(jìn)的設(shè)置。matlab采用路徑搜索的方法來查找文件系統(tǒng)的m文件，常用的命令文件組在matlab文件夾中，其他m文件組在各種工具箱中。基本操作主要是對一些常用的基本常識、矩陣運(yùn)算及分解、數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)這三方面進(jìn)行闡述。matlab的基本操作對象時(shí)矩陣，所以對于矩陣的輸入、復(fù)數(shù)與復(fù)數(shù)矩陣、固定變量、獲取工作空間信息、函數(shù)、幫助命令進(jìn)行了具體的描述。矩陣運(yùn)算是matlab的基礎(chǔ)，所有參與運(yùn)算的數(shù)都被看做為矩陣。matlab中共有四大矩陣分解函數(shù)：三角分解、正交分解、奇異值分解以及特征值分解。數(shù)據(jù)

4、分析與統(tǒng)計(jì)包括面向列的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)預(yù)處理、協(xié)方差矩陣與相關(guān)系數(shù)矩陣、曲線擬合這四部分。matlab 中含有豐富的圖形繪制寒素，包括二維圖形繪制、三維圖像繪制以及通用繪圖工具函數(shù)等，同時(shí)還包括一些專業(yè)繪圖函數(shù)，因此其具有很強(qiáng)大的繪圖功能。簡單的二維曲線可以用函數(shù)plot來繪制，而簡單的三維曲線圖則用plot3來繪制。在繪制圖形時(shí)，matlab自動選擇坐標(biāo)軸表示的數(shù)值范圍，并用一定的數(shù)據(jù)間隔標(biāo)記做標(biāo)注的數(shù)據(jù)，當(dāng)然自己也可以指定坐標(biāo)軸的范圍與數(shù)據(jù)間隔。專業(yè)的繪圖函數(shù)有繪梯度圖制條形圖、餅圖、三維餅圖、箭頭圖、星點(diǎn)圖、階梯圖以及等高線。m文件時(shí)用戶自己通過文本編輯器或字處理器生成的，且其之間可以相互

5、調(diào)用，用戶可以根據(jù)自己的需要，自我編寫m文件。m文件從功能上可以分為底稿文件與函數(shù)文件兩類，其中底稿文件是由一系列matlab語句組成的，而函數(shù)文件的第一行必須包含關(guān)鍵字“function”，二者的區(qū)別在于函數(shù)文件可以接受輸入?yún)?shù)，并可返回輸出參數(shù)，而底稿文件不具備參數(shù)傳遞的功能；在函數(shù)文件中定義及使用的變量大都是局部變量，只在本函數(shù)的工作區(qū)內(nèi)有效，一旦退出該函數(shù)，即為無效變量，而底稿文件中定義或使用的變量都是全局變量，在退出文件后仍為有效變量。稀疏矩陣是一種特殊類型的矩陣，即矩陣中包括較多的零元素。matlab對稀疏矩陣的存儲有兩種模式：完全存儲和稀疏存儲。函數(shù)full和sparse是一對用

6、來對矩陣存儲模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換的內(nèi)部矩陣。函數(shù)sparse可以用一組非零元素直接創(chuàng)建一個(gè)稀疏矩陣，其格式如下：s=sparse(i，j，s，m，n)其中i和j都為數(shù)組，分別代表矩陣中非零元素的行號和列號；s是一個(gè)全部元素為非零的數(shù)組，元素在矩陣中排列的位置為(i,j)；m為輸出矩陣的稀疏矩陣的行數(shù)，n為輸出的稀疏矩陣的列數(shù)。函數(shù)sparse還有一種格式為：s=sparse(i，j，s，m，n，nzmax)其中，參數(shù)i、j、s、m、n的說明與上面的格式相同，參數(shù)nzmax用來設(shè)置矩陣中非零元素的最大數(shù)目。full函數(shù)可以講稀疏矩陣變?yōu)橐话憔仃?。將一個(gè)矩陣的對角線元素保存在一個(gè)稀疏矩陣中，可以使用函數(shù)s

7、pdiags實(shí)現(xiàn)，其語法格式為：s=spdiags(b，d，m，n)創(chuàng)建一個(gè)大小為的稀疏矩陣s，其非零元素來自矩陣b中的元素且按對角線排列。參數(shù)d指定矩陣b中用于生成稀疏矩陣s的對角線位置。矩陣的主對角線可以認(rèn)為是第0條對角線，每向右移動一條對角線編號加1，向左下移動一條對角線編號減1，也就是說b中j列的元素填充矢量d中第j個(gè)元素所指定的對角線。用外部文件創(chuàng)建的文本文件，如果其中的數(shù)據(jù)按3個(gè)列排列，可以將這個(gè)文本文件載入工作空間，用于創(chuàng)建一個(gè)稀疏矩陣。matlab提供了專門針對稀疏矩陣的函數(shù)。處理稀疏矩陣時(shí)，計(jì)算的復(fù)雜程度與稀疏矩陣中的非零元素的個(gè)數(shù)成正比，計(jì)算的復(fù)雜程度也與矩陣的行列大小有關(guān)

8、，稀疏矩陣的乘法、乘方，包含一定次數(shù)的線性方程等，都是比較復(fù)雜的運(yùn)算。稀疏矩陣的行交換與列交換可以用以下兩種方法表示：（1） 對于交換矩陣p，對稀疏矩陣s的行交換可表示為，列交換可以表示為。（2） 對于一個(gè)交換矢量p，p為一般矢量，包含1n個(gè)自然數(shù)的一個(gè)排列。對稀疏矩陣進(jìn)行行交換，可以表示為s(p,:)。s(p,:)為列交換形式。對于矩陣s的第i列進(jìn)行行交換的形式為s(p,i)。稀疏矩陣和一般矩陣一樣，同樣可以進(jìn)行l(wèi)u分解、cholesky分解、qr分解以及一些不完全分解。與一般矩陣的特征值求解函數(shù)eig不同的是，計(jì)算稀疏矩陣的特征值采用函數(shù)eigs。一般矩陣的奇異值分解用函數(shù)svd，對稀疏矩

9、陣額的奇異值分解使用函數(shù)svds。第二章對離散信號進(jìn)行了詳盡的闡述，并就其matlab的實(shí)現(xiàn)作了總結(jié)。典型的離散信號有單位抽樣序列、單位階躍系列、正弦序列、復(fù)正弦序列、指數(shù)序列、隨機(jī)序列6種。單位抽樣序列的表達(dá)式如下： （1-1）又被稱為kronecker函數(shù)，該信號在離散信號與離散系統(tǒng)的分析與綜合中有著重要的作用，在matlab中可以利用zeros函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。如要產(chǎn)生n點(diǎn)的單位抽樣序列，可通過下列語句實(shí)現(xiàn)：單位階躍序列的表達(dá)式如下： （1-2）matlab中的ones函數(shù)可以容易實(shí)現(xiàn)n點(diǎn)單位階躍序列：。正弦序列的表達(dá)式如下： （1-3）其matlab的實(shí)現(xiàn)如下所示：復(fù)正弦序列的表達(dá)式如下：

10、（1-4）其matlab的實(shí)現(xiàn)如下所示：指數(shù)序列的表達(dá)式如下所示： （1-5）其matlab的實(shí)現(xiàn)如下所示：隨機(jī)序列在matlab中是可以很容易實(shí)現(xiàn)的，有以下兩類：（1） rand(1,n)產(chǎn)生0，1上均勻分布的隨機(jī)序列；（2） randn(1,n)產(chǎn)生均值為0，方差為1的高斯隨機(jī)序列，也就是白噪聲序列，其他的分布的隨機(jī)數(shù)可以通過上述隨機(jī)數(shù)的變換而產(chǎn)生的。對離散信號所作的基本運(yùn)算分別是移位、相加、相乘等等，其matlab的實(shí)現(xiàn)如下所示：（1） 信號延遲：給定離散信號，若信號定義為，那么，是信號在時(shí)間軸上右移k個(gè)抽樣周期得到的新序列。（2） 信號相加：。值得注意的是，當(dāng)序列和的長度不等或位置不對

11、應(yīng)時(shí)，首先應(yīng)使兩者位置對齊，然后通過zeros函數(shù)左右補(bǔ)零使其長度相等后再相加。（3） 信號相乘：，這是樣本與樣本之間的點(diǎn)乘運(yùn)算，在matlab中可采用來實(shí)現(xiàn)，但兩序列應(yīng)做如相加運(yùn)算同樣的操作。序列和同上，相乘后得到序列。（4） 信號標(biāo)量乘：，其matlab很容易實(shí)現(xiàn)：。（5） 信號翻轉(zhuǎn)：，在matlab中可以直接用fliplr函數(shù)實(shí)現(xiàn)此操作。（6） 信號和：對于n點(diǎn)信號，其和的定義為：，采用matlab實(shí)現(xiàn)所示：。（7） 信號積：對于n點(diǎn)信號，其積的定義為：，matlab實(shí)現(xiàn)如下所示：。（8） 信號能量：有限長信號的能量定義為：，其matlab實(shí)現(xiàn)有兩種方法：或者。對于0，1上均勻分布的隨機(jī)

12、噪聲可以直接利用matlab中的rand函數(shù)實(shí)現(xiàn)，均值為0，方差為1的高斯隨機(jī)噪聲即白噪聲有函數(shù)randn產(chǎn)生。對于其他分布（如瑞利分布、對數(shù)正態(tài)分布等）的隨機(jī)噪聲可以通過上述隨機(jī)數(shù)的變換而產(chǎn)生，這些都是噪聲的產(chǎn)生方法。matlab中含有豐富的函數(shù)用以生產(chǎn)無線電技術(shù)以及通訊等領(lǐng)域廣泛采用的信號波形，如方波、三角波和線性調(diào)頻信號等。其中matlab內(nèi)部提供的產(chǎn)生信號波形的函數(shù)有五種，分別是：sawtooth函數(shù)、square函數(shù)、sinc函數(shù)、diric函數(shù)、chirp函數(shù)。第三章對離散系統(tǒng)的基本概念作了描述，然后對離散系統(tǒng)的時(shí)域與頻域表示方法以及相應(yīng)的matlab實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了具體的闡述，最后介紹

13、了有關(guān)離散系統(tǒng)變換的知識。離散系統(tǒng)的定義是：一個(gè)離散系統(tǒng)，可以抽象為一種變換，或是一種映射，即把輸入序列變換為輸出序列：，式中，t代表變換。這樣，一個(gè)離散系統(tǒng)既可以是一個(gè)硬件裝置，也可以是一個(gè)數(shù)字表達(dá)式。離散系統(tǒng)有四個(gè)重要定義，分別是：線性、移不變性、因果性、穩(wěn)定性。線性的定義是：設(shè)一個(gè)離散系統(tǒng)對的響應(yīng)是，對的響應(yīng)是，即 （1-6）若該系統(tǒng)對的響應(yīng)，即 （1-7）那么，該系統(tǒng)是線性的。設(shè)一個(gè)離散系統(tǒng)對的響應(yīng)是，即。若滿足，則該系統(tǒng)是移不變的，同時(shí)具有線性和移不變的離散系統(tǒng)成為線性移不變系統(tǒng)，簡稱為lsi系統(tǒng)。一個(gè)lsi系統(tǒng)，如果它在任意時(shí)刻的輸出只決定于現(xiàn)在時(shí)刻和過去的輸入，而與將來的輸入無關(guān)

14、，那么，該系統(tǒng)是因果系統(tǒng)。穩(wěn)定性的定義是一個(gè)信號，如果存在一個(gè)實(shí)數(shù)r，使得對所有的n都滿足，那么，稱是有界的。對一個(gè)lsi系統(tǒng)，若輸入是有界的，輸出也有界，那么該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)定性是一個(gè)系統(tǒng)能否正常工作的先決條件。對于同一個(gè)離散系統(tǒng)，可以從時(shí)域和頻域兩個(gè)方面來進(jìn)行描述，也可以對其進(jìn)行內(nèi)部描述。另外，頻域描述又可以分為頻率響應(yīng)、轉(zhuǎn)移函數(shù)、零極點(diǎn)增益與二次分式幾種不同的表示形式。一個(gè)lsi系統(tǒng)可以用一個(gè)常系數(shù)線性差分方程來描述： （1-8）式中，m是方程的系數(shù)。給定輸入信號以及系統(tǒng)的初始條件，可求出該差分方程的解，從而得到系統(tǒng)的輸出。lsi系統(tǒng)的頻域表示分為頻率響應(yīng)、轉(zhuǎn)移函數(shù)、零極點(diǎn)增益、二次分

15、式四部分。頻率響應(yīng)定義是：任意lsi系統(tǒng)都可由單位抽樣響應(yīng)表示，相應(yīng)的在頻域中可以用頻率響應(yīng)來表示，它是的離散傅里葉變換。若定義，則lsi系統(tǒng)的頻率響應(yīng)變?yōu)椋?，該式為單位抽樣的z變換，是系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)。將轉(zhuǎn)移函數(shù)的分子、分母分別作因式分解，便可得出lsi系統(tǒng)的零極點(diǎn)增益表示形式： （1-9）式中，稱為系統(tǒng)的增益因子。使分母多項(xiàng)式等于零的z值（即），稱為系統(tǒng)的極點(diǎn)，同理，使分子多項(xiàng)式等于零的z值（即），稱為系統(tǒng)的極點(diǎn)。通過系統(tǒng)的零極點(diǎn)增益表示形式，很容易判斷一個(gè)lsi系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也就是說，若所有的極點(diǎn)都位于單位圓內(nèi)，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。離散系統(tǒng)的內(nèi)部描述是用狀態(tài)方程和輸出方程來表示的。離散系統(tǒng)的m

16、atlab實(shí)現(xiàn)是用函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，對這些函數(shù)進(jìn)行簡要介紹。能產(chǎn)生單位抽樣響應(yīng)的函數(shù)有：zeros函數(shù)、filter函數(shù)、impz函數(shù)。零極點(diǎn)增益是用roots函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。離散系統(tǒng)變換函數(shù)包括：tf2zp函數(shù)、tf2ss函數(shù)、zp2tf函數(shù)、zp2sos函數(shù)、zp2ss函數(shù)、sos2tfz函數(shù)、sos2zp函數(shù)、sos2ss函數(shù)、ss2tf函數(shù)、ss2zp函數(shù)、ss2sos函數(shù)。第四章對離散傅里葉變換dft、chirp z 變換、離散余弦變換dct、hilbert變換進(jìn)行了闡述，并對其進(jìn)行了matlab仿真。有限長序列的離散傅里葉變換公式如下所示： （1-10）離散傅里葉dft的性質(zhì)有線性、正交

17、性、圓周移位、圓周卷積、共軛對稱性5個(gè)性質(zhì)。z變換是離散系統(tǒng)與離散信號分析與綜合的重要工具。一個(gè)離散序列的z變換定義為： （1-11）z變換有線性、序列移位、與指數(shù)序列相乘、的微分、復(fù)序列的共軛、序列卷積、序列乘積7個(gè)特性。chirp z變換即線性調(diào)頻z變換，可用來計(jì)算單位圓上任一段曲線上的z變換。做dft時(shí)輸入的點(diǎn)數(shù)n和輸出點(diǎn)數(shù)m可以不相等，從而達(dá)到頻域”細(xì)化“的目的。序列的hilbert變換是，則，求出，即可構(gòu)成的解析信號：，也可以用dft求出一個(gè)信號的解析信號及hilbert變換，步驟是：（1） 求的dft，k=0,1，n-1，其中對應(yīng)負(fù)數(shù)頻率。（2） 令（3） 對做逆dft，得到的解析

18、信號。（4） 由，得。hilbert變換具有兩個(gè)性質(zhì)，分別是：序列通過hilbert變換器后，信號頻譜的幅度不發(fā)生變化；序列與其hilbert變換是正交的。第五章對iir系統(tǒng)、fir系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、離散系統(tǒng)的lattice結(jié)構(gòu)進(jìn)行了具體描述。一個(gè)n階iir數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以表示為： （1-12）其差分方程為： （1-13）無限長單位取樣響應(yīng)iir數(shù)字濾波器的主要特點(diǎn)是：（1） 單位取樣響應(yīng)是無限長的，即，。（2） 系數(shù)函數(shù)在有限平面z上有極點(diǎn)存在。（3） 結(jié)構(gòu)上存在著輸出到輸入的反饋網(wǎng)絡(luò)，即結(jié)構(gòu)式遞歸的。實(shí)現(xiàn)同一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)，可以用不同的結(jié)構(gòu)形式，它的主要的結(jié)構(gòu)形式有直接型、直接型、級聯(lián)型與并聯(lián)

19、型四種。有限長單位取樣響應(yīng)fir濾波器突出特點(diǎn)是單位取樣僅有有限個(gè)非零值，即為一個(gè)n點(diǎn)序列，其中系統(tǒng)函數(shù)為： （1-14）在z=0處有n-1階極點(diǎn)，而沒有除z平面原點(diǎn)（z=0）外的極點(diǎn)。fir濾波器的結(jié)構(gòu)主要是非遞歸結(jié)構(gòu)，沒有輸出反饋。fir系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有直接型、級聯(lián)型兩種。 lattice結(jié)構(gòu)是一種新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，在功率譜估計(jì)、語音處理、自適應(yīng)濾波等方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。這里從零點(diǎn)系統(tǒng)和全極點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行討論。一個(gè)m階的fir系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)可寫為： （1-15）系數(shù)表示m階fir系統(tǒng)的第i個(gè)系數(shù)。第六章是用matlab來進(jìn)行iir df（iir數(shù)字濾波器）的設(shè)計(jì)。先對數(shù)字濾波器進(jìn)行簡介。數(shù)字

20、濾波器是數(shù)字信號處理的重要基礎(chǔ)，在對信號的過濾、檢測與參數(shù)的估計(jì)等信號處理中，數(shù)字濾波器是使用最為廣泛的一種線性系統(tǒng)。數(shù)字濾波器是對數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)濾波的線性是不變系統(tǒng)。設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器包括以下幾個(gè)步驟：（1） 按照實(shí)際任務(wù)的要求，確定濾波器的性能指標(biāo)。（2） 用一個(gè)因果、穩(wěn)定的離散線性時(shí)不變的系統(tǒng)函數(shù)去逼近這一性能指標(biāo)。根據(jù)不同的要求可以用iir系統(tǒng)函數(shù)，也可以用fir系統(tǒng)函數(shù)去逼近。（3） 利用有限精度算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)函數(shù)，這里包括結(jié)構(gòu)的選擇、字長選擇等。設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器，重要的是尋找一個(gè)穩(wěn)定、因果的系統(tǒng)函數(shù)去逼近濾波器的技術(shù)指標(biāo)。一個(gè)也能過、穩(wěn)定的模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)應(yīng)該滿足如下條件：（1） 濾波器

21、的單位沖擊響應(yīng)函數(shù)應(yīng)該是一個(gè)實(shí)函數(shù)，即是一個(gè)具有實(shí)系數(shù)的s的有理函數(shù)。（2） 的極點(diǎn)必須分布在s平面的左半平面。（3） 的分子多項(xiàng)式的階數(shù)必須小于或者等于分母多項(xiàng)式的階數(shù)。實(shí)際上設(shè)計(jì)模擬原型濾波器是要尋求一個(gè)逼近理想低通濾波器的函數(shù)，所謂原型低通濾波器是指低通模擬或數(shù)字濾波器。模擬低通濾波器的設(shè)計(jì)方法有：巴特沃斯、切比雪夫和橢圓濾波器。模擬低通巴特沃斯濾波器是以巴特沃斯函數(shù)作為濾波器的系統(tǒng)函數(shù)，它的幅度平方函數(shù)表示為： （1-16）式中的n為正整數(shù)，表示濾波器的階數(shù)。為通帶的截止頻率，或的3分貝帶寬。模擬的低通巴特沃斯濾波器的設(shè)計(jì)過程包括以下兩個(gè)過程：（1） 按照給定的通帶和阻帶指標(biāo)確定階數(shù)n

22、。（2） 從幅度平方函數(shù)確定系統(tǒng)函數(shù)。切比雪夫型濾波器在通帶內(nèi)幅度特性是等波紋的，在阻帶是單調(diào)的，而切比雪夫則相反，它在通帶內(nèi)是單調(diào)的，在阻帶內(nèi)是等波紋的。切比雪夫?yàn)V波器由3個(gè)參數(shù)需要確定：、和n，其中是給定的截止頻率，由容許的通帶波紋或通帶的幅度誤差確定。橢圓濾波器是采樣有限零點(diǎn)設(shè)計(jì)的濾波器，它能更好的逼近理想的低通濾波器。它的幅度平方函數(shù)為： （1-17）式中的是雅可比橢圓函數(shù)，是與通帶衰減有關(guān)的函數(shù)，階數(shù)n等于通帶和阻帶內(nèi)最大點(diǎn)和最小點(diǎn)的總和。脈沖響應(yīng)不變法的設(shè)計(jì)原理是使得數(shù)字濾波器的單位取樣響應(yīng)序列模仿模擬濾波器的沖激響應(yīng)。雙線性變換化是使得數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)模仿模擬濾波器的頻率響應(yīng)

23、模仿模擬濾波器的頻率響應(yīng)的一種方法。這種方法的基本思路是：首先將整個(gè)s平面壓縮到平面的一條帶寬為（從到）的橫帶里，然后通過標(biāo)準(zhǔn)的變換關(guān)系將橫帶變換成整個(gè)z平面上去，這便得到s平面與z平面之間的一一對應(yīng)的單值關(guān)系。第7章 對有限長單位脈沖響應(yīng)數(shù)字濾波器進(jìn)行介紹。窗函數(shù)在設(shè)計(jì)fir數(shù)字濾波器中有很重要的作用，正確的選擇窗函數(shù)可以提高所設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器的性能，或者在滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，減小fir數(shù)字濾波器的階數(shù)。常見的窗函數(shù)有矩形窗、三角窗、布拉克曼窗、漢寧窗、海明窗、凱塞窗、巴特里特窗、切比雪夫窗8種。設(shè)計(jì)fir數(shù)字濾波器最簡單的方法是窗函數(shù)法，通常也稱為傅里葉級數(shù)法。fir濾波器的設(shè)計(jì)同iir

24、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)一樣，首先給出要求的理想濾波器的頻率響應(yīng)，設(shè)計(jì)一個(gè)fir數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)，去逼近理想的頻率響應(yīng)。然而窗函數(shù)法設(shè)計(jì)fir數(shù)字濾波器是在時(shí)域進(jìn)行的，因而必須由理想的頻率響應(yīng)推導(dǎo)出對應(yīng)的單位取樣響應(yīng)，在設(shè)計(jì)一個(gè)fir數(shù)字濾波器的單位取樣響應(yīng)去逼近。頻率取樣法設(shè)計(jì)fir數(shù)字濾波器是從頻域出發(fā)，根據(jù)頻域的采樣定理，對給定的理想濾波器的頻率響應(yīng)進(jìn)行等間隔的采樣： （1-18）等波紋切比雪夫法是采用最大誤差最小準(zhǔn)則得到最佳數(shù)字濾波器，并且最佳解是唯一的。切比雪夫逼近法設(shè)計(jì)fir數(shù)字濾波器的過程是：（1） 規(guī)定所需的頻率響應(yīng)，加權(quán)函數(shù)和濾波器的單位脈沖響應(yīng)的長度n。（2） 形成、和。（3）

25、利用雷米茲多重交換算法求解逼近問題。（4） 計(jì)算濾波器的單位脈沖響應(yīng)。采用切比雪夫逼近設(shè)計(jì)方法能夠得到既有嚴(yán)格線性相位，又有很好衰減特性的濾波器，因此，切比雪夫逼近法在濾波器設(shè)計(jì)中占有很重要的位置。第8章 講述了功率譜估計(jì)的問題。功率譜估計(jì)方法可以分為經(jīng)典譜估計(jì)和現(xiàn)代譜估法兩種，經(jīng)典譜估計(jì)法又可分為直接法和間接法，bartlett法和welch法是直接法的改進(jìn)。隨機(jī)序列自相關(guān)函數(shù)估計(jì)的兩種形式為： （1-19）用fft計(jì)算自相關(guān)函數(shù)的一般步驟：（1） 對補(bǔ)n個(gè)零，得，對做dft得，k=0，1，2n-1；（2） 求的幅平方，然后除以n，得；（3） 對做逆變換，的。在matlab中，函數(shù)xcorr

26、用來進(jìn)行自相關(guān)函數(shù)估計(jì)，且為局域上述fft的快速算法，其格式為：c=xcorr(a,flag)，該函數(shù)返回長度為2n-1的自相關(guān)序列。ar模型功率譜估計(jì)是現(xiàn)代譜估計(jì)的主要內(nèi)容。ar模型又稱為自回歸模型，它是一個(gè)全極點(diǎn)的模型，該模型現(xiàn)在的輸出時(shí)現(xiàn)在的輸入和過去輸出的加權(quán)和。ar模型譜估計(jì)的性質(zhì)有：ar譜的平滑特性、ar譜的分辨率?；诰仃囂卣鞣纸獾墓β首V估計(jì)包括特征向量估計(jì)與music估計(jì)，這兩種估計(jì)方法均為非參數(shù)估計(jì)方法，特征向量估計(jì)主要使用混有白噪聲的正弦信號的功率皮估計(jì)，而music估計(jì)適合更為普遍情況下正弦信號參數(shù)估計(jì)的方法。函數(shù)pmusic為music估計(jì)，而函數(shù)peig為特征向量估計(jì)

27、。2 圖像復(fù)原的方法及其應(yīng)用2.1 圖像復(fù)原的方法在圖像的獲取、傳輸和保存的過程中，由于各種原因，如大氣的湍流效應(yīng)、傳感器特性的非線性、成像設(shè)備與物體之間的相對運(yùn)動、攝像設(shè)備中光學(xué)系統(tǒng)的衍射、膠片顆粒噪聲和感光膠卷的非線性、光學(xué)系統(tǒng)的像差以及電視攝像掃描的非線性等所引起的幾何失真，都可能造成圖像的畸變和失真。通常，由于這些因素引起的質(zhì)量下降稱為圖像退化1。圖像退化的表現(xiàn)是圖像出現(xiàn)模糊、失真以及附加噪聲等。由于圖像的退化，在圖像接收端顯示的圖像已經(jīng)不再是發(fā)送的原始圖像，圖像的效果明顯變差，因此我們可以采用一些技術(shù)手段來盡可能的減輕甚至消除圖像質(zhì)量的下降，還原圖像的本來面目，這就是圖像復(fù)原2。圖像

28、復(fù)原是圖像處理領(lǐng)域中一種非常重要的處理技術(shù)，與圖像增強(qiáng)等其他基本圖像處理技術(shù)類似，也是以獲取視覺質(zhì)量程度的改善為目的，所不一樣的地方是圖像復(fù)原過程實(shí)際上是一個(gè)估計(jì)的過程，需要根據(jù)一些特定的退化模型，對退化圖像進(jìn)行校正。簡而言之，圖像復(fù)原的處理過程就是提升退化圖像的質(zhì)量，并通過圖像質(zhì)量的提高來達(dá)到圖像在視覺上的改善。因?yàn)橐饒D像退化的原因很多，且性質(zhì)各不相同，目前還沒有統(tǒng)一的復(fù)原方法，許多研究人員根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，采取了不同的退化模型3-4、估計(jì)準(zhǔn)則和處理技巧，所以得到了各種復(fù)原方法。圖像復(fù)原的算法是整個(gè)技術(shù)的核心內(nèi)容。目前，國內(nèi)在這方面的研究才剛起步，而國外已經(jīng)取得了較好的成果。早期的圖像恢

29、復(fù)是用光學(xué)的方法對失真的測試圖像進(jìn)行復(fù)原，但是關(guān)于數(shù)字圖像復(fù)原技術(shù)的研究則是從對天文觀測圖像的后期處理中才逐漸發(fā)展起來的。其中一個(gè)成功例子是在1964年，nasa的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室用計(jì)算機(jī)處理有關(guān)月球的照片。照片是用電視攝像機(jī)在空間飛行器上拍攝的，圖像的復(fù)原包括消除噪聲和干擾等因素，校正幾何失真和對比度損失以及反卷積。另一個(gè)典型的例子則是對肯尼迪遇刺事件現(xiàn)場照片的處理。由于事情發(fā)生的太突然，照片是在相機(jī)移動地過程中拍攝的。圖像復(fù)原的主要目的就是消除移動造成的失真。還有其在在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，圖像復(fù)原的技術(shù)能廣泛的應(yīng)用于x光，ct，b超等成像系統(tǒng)，用來抑制各種醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)或圖像獲取系統(tǒng)的噪聲，改善醫(yī)學(xué)圖像

30、的分辨率5?，F(xiàn)今的復(fù)原方法有：維納濾波、逆濾波、最小二乘濾波、幾何失真校正等多種復(fù)原方法。隨著數(shù)信號處理和圖像處理的發(fā)展，新的復(fù)原算法不斷出現(xiàn)，不同的復(fù)原方法所需的條件是不相同的，所以在應(yīng)用中可以根據(jù)具體情況加以選擇。2.2 圖像復(fù)原的應(yīng)用目前國內(nèi)外對于圖像復(fù)原技術(shù)的研究和應(yīng)用主要集中在空間探索、天文觀測、物質(zhì)研究、遙感遙測、軍事科學(xué)、生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)影象、刑事偵察、交通監(jiān)控等領(lǐng)域。如在生物方面，主要是用于生物活體細(xì)胞內(nèi)部組織的三維再現(xiàn)和重構(gòu)，通過復(fù)原熒光顯微鏡所收集的細(xì)胞內(nèi)部的逐層切片圖，來重現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)部構(gòu)成；醫(yī)學(xué)方面，如對腫瘤周圍組織進(jìn)行顯微觀察，以獲取腫瘤安全切緣與癌腫原先部位之間關(guān)系的定量

31、數(shù)據(jù)；天文方面則采用迭代盲反卷積進(jìn)行氣動光學(xué)效應(yīng)圖像復(fù)原研究等。3 幾何失真校正實(shí)現(xiàn)在圖像的獲取或者顯示的過程中通常會產(chǎn)生幾何失真，比如成像系統(tǒng)有一定的幾何非線性，其主要原因是視像管攝像機(jī)和陰極射線管顯示器的掃描偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)有一定的非線性，所以會造成圖像的枕形失真或桶性失真。另外，由衛(wèi)星拍攝的地球表面的圖像往將往覆蓋較大的面積，由于地球表面呈球形，這樣拍攝的圖像同樣會有比較大的幾何失真。幾何失真一般分為系統(tǒng)失真和非線性失真。系統(tǒng)失真是有規(guī)律的、能預(yù)測的；而非線性系統(tǒng)的失真則是隨機(jī)的。當(dāng)對圖像進(jìn)行定量分析的時(shí)候，就要先對畸變的圖像進(jìn)行準(zhǔn)確的幾何失真校正12（即把幾何失真的圖像校正成與原圖像相差無幾的

32、圖像），以免影響分析精度?；镜姆椒ㄊ牵菏紫?，要建立幾何校正的數(shù)學(xué)模型；其次，用已知的條件來確定模型參數(shù)；最后，根據(jù)畸變模型對圖像進(jìn)行幾何校正。通?？梢苑譃橐韵聝刹剑海?）圖像空間坐標(biāo)的變換；（2）確定校正空間各像素的灰度值（灰度內(nèi)插）。3.1 空間變換假設(shè)一幅圖像為，經(jīng)過幾何失真變成了，其中，表示的是失真圖像的坐標(biāo)，而不是原圖像的坐標(biāo)。上述變化可表示為： （3-1） （3-2）這里，和是空間變換，產(chǎn)生了幾何失真圖像。若函數(shù)和已知，則可以依據(jù)一個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)的像素坐標(biāo)算出另一坐標(biāo)系統(tǒng)的對應(yīng)像素的坐標(biāo)。在已知情況下，通常和可用多項(xiàng)式來近似： （3-3） （3-4）式中，為多項(xiàng)式的次數(shù)，和為各項(xiàng)系數(shù)。

33、3.1.1 已知和條件下的幾何校正若我們具備先驗(yàn)知識、，則希望將幾何畸變圖像恢復(fù)為基準(zhǔn)幾何坐標(biāo)的圖像。幾何校正通常分為直接和間接兩種方法。（1） 直接法。先通過來推出，然后計(jì)算每個(gè)像素的校正坐標(biāo)值，保持各像素灰度值不變，然后生成一幅校正圖像，但其像素的分布是不太規(guī)則的，可能會出現(xiàn)疏密不均、像素?cái)D壓等現(xiàn)象。（2） 間接法。假設(shè)復(fù)原圖像的像素在基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)內(nèi)是等距網(wǎng)格的交叉點(diǎn)，從網(wǎng)格交叉點(diǎn)的坐標(biāo)出發(fā)，可以算出在已知幾何畸變圖像上的坐標(biāo)，即： （3-5）雖然點(diǎn)坐標(biāo)為整數(shù)，但一般不為整數(shù)，不會剛好就處于畸變圖像像素的中心，所以不能直接明確該點(diǎn)的灰度值，而只能由其在幾何失真圖像的周圍像素灰度內(nèi)插求出，作

34、為對應(yīng)像素的灰度值，據(jù)此可以獲得校正之后的圖像。由于間接法內(nèi)插灰度比較容易，所以在通常情況下采用的是間接法來進(jìn)行幾何失真校正。3.1.2 和未知條件下的幾何失真在這種情況下，通常用原始圖像和幾何畸變圖像上多對“連接點(diǎn)”的坐標(biāo)來確定和。假設(shè)基準(zhǔn)圖像像素的空間坐標(biāo)和待校正圖像的對應(yīng)像素的空間坐標(biāo)之間的關(guān)系用二元多項(xiàng)式來表示，表達(dá)式如下： （3-6） （3-7）式中，為多項(xiàng)式的次數(shù)，和為各項(xiàng)待定系數(shù)。對于線性失真： （3-8） （3-9）對于一般的（非線性）二次失真： （3-10） （3-11）利用“連接點(diǎn)”建立失真圖像與校正圖像之間其他像素空間位置的相應(yīng)關(guān)系，而“連接點(diǎn)”在失真圖像和校正圖像中的位

35、置是精確已知的。失真圖像和校正圖像中有四邊形區(qū)域，這兩個(gè)四邊形的頂點(diǎn)就是相應(yīng)的“連接點(diǎn)”。假定四邊形區(qū)域中的幾何畸變的過程可以用二次失真方程來表示，即： （3-12） （3-13）將以上兩個(gè)表達(dá)式代入式（3-1）和式（3-2）中，得： （3-14） （3-15）因?yàn)橐还灿兴膶Α斑B接點(diǎn)”，代入式（3-14）和式（3-15）可得8個(gè)聯(lián)立方程，由這些方程可以解出8個(gè)系數(shù)、。這些系數(shù)就可以形成用于變換四邊形區(qū)域內(nèi)所有像素的幾何失真模型，即空間映射公式。通常來說，可以把一幅圖像分割成一系列覆蓋全圖的四邊形區(qū)域的集合，在每個(gè)區(qū)域?qū)ふ易銐虻摹斑B接點(diǎn)”用來計(jì)算進(jìn)行映射所需的系數(shù)。只要有了系數(shù)，校正（即復(fù)原）圖

36、像就不那么困難了。如果想找到非線性失真圖像在任一點(diǎn)的的值，需要簡單地知道在失真圖像中的什么地方被映射。為此，可以把代入式（3-14）和式（3-15）得到幾何失真坐標(biāo)。在無失真圖像中被映射到點(diǎn)的值是。這樣簡單地令，就得到了復(fù)原圖像的值。3.2 灰度插值最簡單的灰度灰度插值是最近鄰插值（也稱為零階插值），該方法實(shí)現(xiàn)起來相對簡單，但是有時(shí)不夠精確，甚至經(jīng)常產(chǎn)生不希望的認(rèn)為疵點(diǎn)，如高分辨率圖像直邊的扭曲；對于通常的圖像處理，雙線性插值很實(shí)用；更完善的技術(shù)如樣條插值、立方卷積內(nèi)插等可以得到較平滑的結(jié)果，但是更平滑的仿真的代價(jià)就是增加計(jì)算開銷。在matlab13軟件中生成如圖3.1所示的figure圖像，

37、然后在figure圖像上的失真圖像和原始圖像上選取九對點(diǎn)，最后依據(jù)選取的九對點(diǎn)來進(jìn)行校正。圖3.1 選取連接點(diǎn)圖像圖3.2 幾何失真及校正后圖像3.3 結(jié)果分析圖3.1是調(diào)用cpselect函數(shù)，使系統(tǒng)啟動交互連接點(diǎn)工具，然后在figure文件上的圖像交替選擇對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)，將其輸出到workspace中，進(jìn)行坐標(biāo)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)；圖3.2是校正的結(jié)果，第二張是幾何失真之后的圖像，第三張是幾何校正后的圖像，校正后的圖像和原圖像相比，幾乎沒有什么差別，所以幾何失真校正復(fù)原出來的結(jié)果很好，但是它的適用條件是圖像的幾何失真，其他的失真方式，比如說圖像的質(zhì)量退化，就不可以采用這種復(fù)原方法。參考文獻(xiàn)1 朱冠南.基于matlab的圖像復(fù)原設(shè)計(jì)j.技術(shù)交流,2009:87.2 王婷.退化圖像的復(fù)原改進(jìn)算法研究與實(shí)現(xiàn)d.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2007.3 何東健.數(shù)字圖像處理m.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003:263-264.4 胡學(xué)龍,許開宇.數(shù)字圖像處理m.北京:電子工業(yè)出版社,2006:111-132.