圖像幾何變換開(kāi)題報(bào)告

昆明學(xué)院2013屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告姓名 學(xué)號(hào) 2 指導(dǎo)教師 系 自動(dòng)控制與機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)、班級(jí) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 圖像幾何變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 子課題題目 1.選題意義1.1選題的意義數(shù)字圖像處理（DigitalImageProcessing）又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，它是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過(guò)程。數(shù)字圖像處理最早出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代，當(dāng)時(shí)的電子計(jì)算機(jī)已經(jīng)發(fā)展到一定水平，人們開(kāi)始利用計(jì)算機(jī)來(lái)處理圖形和圖像信息。數(shù)字圖像處理作為一門學(xué)科大約形成于20世紀(jì)60年代初期。早期的圖像處理的目的是改善圖像的質(zhì)量，它以人為對(duì)象，以改善人的視覺(jué)效果為目的。圖像處理中，輸入的是質(zhì)量低的圖像，輸出的是改善質(zhì)量后的圖像，常用的圖像處理方法有圖像增強(qiáng)、復(fù)原、編碼、壓縮等。首次獲得實(shí)際成功應(yīng)用的是美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）。他們對(duì)航天探測(cè)器徘徊者7號(hào)在1964年發(fā)回的幾千張?jiān)虑蛘掌褂昧藞D像處理技術(shù)，如幾何校正、灰度變換、去除噪聲等方法進(jìn)行處理，并考慮了太陽(yáng)位置和月球環(huán)境的影響，由計(jì)算機(jī)成功地繪制出月球表面地圖，獲得了巨大的成功。隨后又對(duì)探測(cè)飛船發(fā)回的近十萬(wàn)張照片進(jìn)行更為復(fù)雜的圖像處理，以致獲得了月球的地形圖、彩色圖及全景鑲嵌圖，獲得了非凡的成果，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也推動(dòng)了數(shù)字圖像處理這門學(xué)科的誕生。近幾年來(lái),由于大規(guī)模集成電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展、離散數(shù)學(xué)理論的創(chuàng)立和完善，數(shù)字圖像處理技術(shù)正逐漸成為其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中不可缺少的一項(xiàng)重要工具。數(shù)字圖像技術(shù)也從空間探索到微觀研究、從軍事領(lǐng)域到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、從科學(xué)教育到娛樂(lè)游戲等越來(lái)越多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，無(wú)形之中成為了現(xiàn)代不可或缺的處理技術(shù)。我們的娛樂(lè)生活、學(xué)習(xí)、甚至是科技的發(fā)展都離不開(kāi)它。例如，電腦人像藝術(shù)，電視中的特殊效果，自動(dòng)售貨機(jī)鈔票的識(shí)別，郵政編碼的自動(dòng)識(shí)別和利用指紋、虹膜、面部等特征的身份識(shí)別等。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，很早以前就采用X射線透視、顯微鏡照片等來(lái)診斷疾病?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)圖像處理已成為疾病診斷的重要手段，用一般攝影方法不能獲取的身體內(nèi)部的狀況，也能由特殊的圖像處理裝置獲取，最具代表性的就是X射線CT（ComputerizedTomograph）。數(shù)字圖像的應(yīng)用處理技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，形成了自己的技術(shù)特色和完善的學(xué)科體系。我們?cè)谔幚韴D像時(shí)往往會(huì)遇到需要對(duì)圖像進(jìn)行幾何變換的一些問(wèn)題。圖像的幾何變換時(shí)圖像處理和圖像分析的基礎(chǔ)內(nèi)容之一，它不僅提供了產(chǎn)生某些圖像的可能，而且還可以使圖像處理和分析的程序簡(jiǎn)單化，特別是圖像具有一定的規(guī)律性時(shí)，一個(gè)圖像可以由另一個(gè)圖像通過(guò)幾何變換來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，為了提高圖像處理和分析程序設(shè)計(jì)的速度和質(zhì)量，開(kāi)拓圖像程序應(yīng)用范圍的新領(lǐng)域，對(duì)圖像進(jìn)行幾何變換是十分必要的。1.2選題目的培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力，從而達(dá)到鞏固、深化所學(xué)的知識(shí)與技能；培養(yǎng)學(xué)生建立正確的科學(xué)思想，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)、實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)作風(fēng)；查閱相關(guān)資料和文獻(xiàn)，了解數(shù)字圖像處理的相關(guān)知識(shí)及研究現(xiàn)狀；3）通過(guò)相關(guān)書(shū)籍、資料和文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)，熟悉數(shù)字圖像點(diǎn)運(yùn)算處理的原理和方法，并能給出各種算法的比較分析；4）學(xué)會(huì)使用軟件編程工具如Matlab、VB或VC進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本的圖像點(diǎn)運(yùn)算處理系統(tǒng)。2.選題在該領(lǐng)域的水平和發(fā)展動(dòng)態(tài)圖像的幾何變換不改變圖像的像素值，而是改變像素所在的幾何位置。從變換的性質(zhì)分，圖像的幾何變換有圖像的位置變換（平移、鏡像、旋轉(zhuǎn)）、圖像的形狀變換（放大、縮小、錯(cuò)切）等基本變換以及圖像的復(fù)合變換等。其中使用最頻繁的是圖像的縮放和旋轉(zhuǎn)，不論照片、圖畫(huà)、書(shū)報(bào)，還是醫(yī)學(xué)X光和衛(wèi)星遙感圖像都會(huì)用到這兩項(xiàng)技術(shù)。2.1圖像的幾何變換的分類圖像的幾何變換分為：平移和裁剪、扭曲、鏡像、縮放、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切、二維投影、區(qū)域選擇等。平移和裁剪。這是圖像幾何變換中最簡(jiǎn)單的類型。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。在實(shí)際應(yīng)用或科研領(lǐng)域和很多時(shí)候要對(duì)圖像進(jìn)行裁剪操作；圖像裁剪就是在原圖像或者大圖中裁剪出圖像塊來(lái)，這個(gè)圖像一般是多邊形形狀的。圖像裁剪是幾何處理中的一種基本操作。利用imcrop函數(shù)調(diào)用可以是現(xiàn)期裁剪功能，格式為imcrop（I,rect）;其中rect是一個(gè)四元向量[xmin，ymin，width，height],分別表示矩形的左上角的坐標(biāo)，寬度和高度；扭曲變換。MATLAB使用imtransform函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像空間變換，imtransform函數(shù)的調(diào)用格式為imtransform（I,T），其中I是要變換的圖像，T是maketform函數(shù)產(chǎn)生的變換結(jié)果。Maketform函數(shù)就是利用給定的參量建立變換結(jié)構(gòu)，然后把該變換結(jié)構(gòu)賦給結(jié)構(gòu)體變換，根據(jù)得到的結(jié)構(gòu)體變量T，調(diào)用imtransform函數(shù)進(jìn)行變換；圖像的鏡像：鏡像就是從鏡子里看物體的效果，可以分為垂直鏡像和水平鏡像兩種。垂直鏡像就是原始圖像圍繞水平軸進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)后的結(jié)果，而水平鏡像則是原始圖像圍繞垂直軸進(jìn)行180°旋轉(zhuǎn)后的結(jié)果；圖像的轉(zhuǎn)置：轉(zhuǎn)置是將x和y的坐標(biāo)變換，變換后的圖像高度等于原始圖像的寬度，變換后的圖像寬度等于原始圖像的高度；圖像的旋轉(zhuǎn)：旋轉(zhuǎn)是幾種簡(jiǎn)單幾何變換中使用最多的技術(shù)手段。在旋轉(zhuǎn)時(shí)，為了便面旋轉(zhuǎn)圖像內(nèi)容不丟失，一般圖像的旋轉(zhuǎn)是以圖像的中心為原點(diǎn)，將圖像上的所有像素都旋轉(zhuǎn)一個(gè)相同的角度。圖像的旋轉(zhuǎn)變換時(shí)圖像的位置變換，但旋轉(zhuǎn)后，圖像的大小一般會(huì)改變。在圖像旋轉(zhuǎn)變換中既可以把轉(zhuǎn)出顯示區(qū)域的圖像截去，也可以擴(kuò)大圖像范圍以顯示所有的圖像；圖像的縮放：縮放就是對(duì)圖像進(jìn)行放大和縮小操作，主要涉及水平縮放因子和垂直縮放因子。圖像比例縮放是指將給定的圖像在x軸方向按比例縮放fx倍，在y軸按比例縮放fy倍，從而獲得一幅新的圖像。如果fy=fx，即在x軸方向和y軸方向縮放的比率相同，稱這樣的比例縮放為圖像的全比例縮放。如果fy≠fx，圖像的比例縮放會(huì)改變?cè)紙D象的像素間的相對(duì)位置，產(chǎn)生幾何畸變。2.2發(fā)展動(dòng)態(tài)2.2.1數(shù)字圖像處理的產(chǎn)生和迅速發(fā)展主要受如下三個(gè)方面的影響。計(jì)算機(jī)的發(fā)展。早期的計(jì)算機(jī)無(wú)論在計(jì)算速度或存儲(chǔ)容量方面，難于滿足對(duì)龐大圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的要求。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)及數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)、內(nèi)存及外圍設(shè)備的價(jià)格急劇下降，而其性能卻有了大幅度提高。過(guò)去只能用大型計(jì)算機(jī)完成的龐大處理，現(xiàn)在，在個(gè)人計(jì)算機(jī)上也能夠輕而易舉地實(shí)現(xiàn)；數(shù)學(xué)的發(fā)展。特別是離散數(shù)學(xué)理論的創(chuàng)立和完善，為數(shù)字圖像處理奠定了理論基礎(chǔ)；軍事、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等方面應(yīng)用需求的不斷增長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)和各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域研究的迅速發(fā)展，科學(xué)計(jì)算可視化、多媒體技術(shù)等研究和應(yīng)用的興起，數(shù)字圖像處理從一個(gè)專門領(lǐng)域的學(xué)科，變成了一種新型的科學(xué)研究和人機(jī)界面的工具。2.2.2研究方向自20世紀(jì)60年代第三代數(shù)字計(jì)算機(jī)問(wèn)世以后，數(shù)字圖像處理技術(shù)出現(xiàn)了空前的發(fā)展，在該領(lǐng)域中需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題主要有如下五個(gè)方向：進(jìn)一步提高精度的同時(shí)著重解決處理速度問(wèn)題；加強(qiáng)軟件研究，開(kāi)發(fā)新的處理方法，特別要注意移植和借鑒其他學(xué)科的技術(shù)和研究成果，創(chuàng)造新的處理方法；加強(qiáng)邊緣學(xué)科的研究工作，促進(jìn)圖像處理技術(shù)的發(fā)展；加強(qiáng)理論研究，逐步形成處理科學(xué)自身的理論體系；時(shí)刻注意圖像處理領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。3.論文所要設(shè)計(jì)、研究的內(nèi)容和實(shí)施方案3.1設(shè)計(jì)、研究?jī)?nèi)容圖像幾何變換是指用數(shù)學(xué)建模的方法來(lái)描述圖像的位置、大小、形狀等變化的幾何方法，是通過(guò)數(shù)學(xué)建模實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行幾何變換的處理，是計(jì)算機(jī)圖像處理領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分，也是值得探討的一個(gè)重要課題。在圖像幾何變換中主要包括圖像的縮放、圖像的旋轉(zhuǎn)、圖像的移動(dòng)、圖像的塊操作等內(nèi)容。文章主要探討了圖像的幾何變換，主要包括圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)、等理論,并在此基礎(chǔ)上用MATLAB實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。MATLAB語(yǔ)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,并且有極強(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。幾何運(yùn)算需要空間變換和灰度級(jí)差值兩個(gè)步驟的算法，像素通過(guò)變換映射到新的坐標(biāo)位置，新的位置可能是在幾個(gè)像素之間，即不一定為整數(shù)坐標(biāo)。這時(shí)就需要灰度級(jí)差值將映射的新坐標(biāo)匹配到輸出像素之間。最簡(jiǎn)單的插值方法是最近鄰插值，就是令輸出像素的灰度值等于映射最近的位置像素，該方法可能會(huì)產(chǎn)生鋸齒。這種方法也叫零階插值，相應(yīng)比較復(fù)雜的還有一階和高階插值。3.2實(shí)施方案在本課題的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中將利用空間幾何變換關(guān)系對(duì)輸入圖像進(jìn)行幾何變換、使用Matlab軟件提供的圖像處理工具對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法簡(jiǎn)便、易于實(shí)現(xiàn)、能消除圖像之間的位置差異，進(jìn)行有效的配準(zhǔn)。在處理圖像的過(guò)程中，一般要對(duì)圖像的大小和幾何關(guān)系進(jìn)行調(diào)整。如對(duì)圖像進(jìn)行縮放以及旋轉(zhuǎn)，這時(shí)圖像中的每個(gè)像素的值都要發(fā)生變化，數(shù)字圖像的坐標(biāo)是整數(shù)，經(jīng)過(guò)這些變換后的坐標(biāo)不一定是整數(shù)，因此要對(duì)變換之后的整數(shù)坐標(biāo)位置的像素值進(jìn)行估計(jì)。MATLAB中數(shù)組是最基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)"而大部分圖像都用二維數(shù)組即矩陣表示，矩陣中一個(gè)元素對(duì)應(yīng)一個(gè)像素。由于對(duì)變換之后的整數(shù)坐標(biāo)位置的像素值進(jìn)行估計(jì)的好壞以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇的優(yōu)劣，直接會(huì)影響到圖像顯示視覺(jué)效果與存儲(chǔ)格空間的大小，所以，在圖像處理中必須考慮到圖像處理的插值方法和圖像的存儲(chǔ)類型。在MATLAB中,一幅圖像可能包含一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣,也可能包含一個(gè)顏色影像表矩陣。圖像處理工具箱支持的圖像分為四個(gè)基本類型：索引圖像，灰度圖像，二值圖像和RGB圖像。它們的區(qū)別在于數(shù)據(jù)矩陣元素的不同含義。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，主要利用了MATLAB的圖像處理工具包來(lái)編寫程序。MATLAB全稱是MatrixLaboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室），一開(kāi)始它是一種專門用于矩陣數(shù)值計(jì)算的軟件，從這一點(diǎn)上也可以看出，它在矩陣運(yùn)算上有自己獨(dú)特的特點(diǎn)。MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言，如C和C++。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問(wèn)題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問(wèn)題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。實(shí)際上MATLAB中的絕大多數(shù)的運(yùn)算都是通過(guò)矩陣這一形式進(jìn)行的。這一特點(diǎn)也就決定了MATLAB在處理數(shù)字圖像上的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。理論上講，圖像是一種二維的連續(xù)函數(shù)，然而在計(jì)算機(jī)上對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字處理的時(shí)候，首先必須對(duì)其在空間和亮度上進(jìn)行數(shù)字化，這就是圖像的采樣和量化的過(guò)程。二維圖像進(jìn)行均勻采樣，就可以得到一幅離散化成M×N樣本的數(shù)字圖像，該數(shù)字圖像是一個(gè)整數(shù)陣列，因而用矩陣來(lái)描述該數(shù)字圖像是最直觀最簡(jiǎn)便的了。而MATLAB的長(zhǎng)處就是處理矩陣運(yùn)算，因此用MATLAB處理數(shù)字圖像非常的方便。在本文中我們用MATLAB的圖像處理工具包實(shí)現(xiàn)了圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)和剪取。MATLAB圖像處理工具包是由一系列支持圖像處理操作的函數(shù)組成的，所支持的圖像處理操作有：幾何操作、區(qū)域操作和塊操作；線性濾波和濾波器設(shè)計(jì)；變換（DCT變換）；圖像分析和增強(qiáng)；二值圖像操作等。4.主要關(guān)鍵技術(shù)、工藝參數(shù)和理論依據(jù)4.1圖像的幾何變換關(guān)鍵技術(shù)圖像的幾何變換不改變圖像的像素值，而是改變像素所在的幾何位置。從變換的性質(zhì)分，圖像的幾何變換有圖像的位置變換（平移、鏡像、旋轉(zhuǎn)）、圖像的形狀變換（放大、縮小、錯(cuò)切）等基本變換以及圖像的復(fù)合變換等。其中使用最頻繁的是圖像的縮放和旋轉(zhuǎn)，不論照片、圖畫(huà)、書(shū)報(bào)，還是醫(yī)學(xué)X光和衛(wèi)星遙感圖像都會(huì)用到這兩項(xiàng)技術(shù)。一個(gè)幾何運(yùn)算需要兩個(gè)獨(dú)立的算法。首先，需要一個(gè)算法來(lái)定義空間變換，用它來(lái)描述每個(gè)像素如何從初始位置移動(dòng)到終止位置，即每個(gè)像素的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，還需要一個(gè)算法用于灰度級(jí)的插值。這是因?yàn)椋谝话愕那闆r下，輸入圖像的位置坐標(biāo)為整數(shù)，而輸出圖像的位置坐標(biāo)為非整數(shù)，反過(guò)來(lái)也如此。此時(shí)進(jìn)級(jí)灰度級(jí)的插值用來(lái)提高圖像的質(zhì)量。4.2平移變換的幾點(diǎn)說(shuō)明1)平移后圖像上的每一點(diǎn)都可以在原圖像中找到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)。對(duì)于不在原圖像中的點(diǎn)，可以直接將它的像素值統(tǒng)一設(shè)置為0或者255（對(duì)于灰度圖就是黑色或白色）。2)若圖像平移后圖像不放大,說(shuō)明移出的部分被截?cái)唷?)若不想丟失被移出的部分圖像，將新生成的圖像擴(kuò)大.4.3圖像旋轉(zhuǎn)時(shí)需要注意如下兩點(diǎn)：圖像旋轉(zhuǎn)之前，為了避免信息的丟失，一定要有坐標(biāo)平移。圖像旋轉(zhuǎn)之后，會(huì)出現(xiàn)許多空洞點(diǎn)。對(duì)這些空洞點(diǎn)必須進(jìn)行填充處理，否則畫(huà)面效果不好，一般也稱這種操作為插值處理。5.設(shè)計(jì)（論文）的研究特色和創(chuàng)新之處本課題在一般幾何變換的基礎(chǔ)上，加入了復(fù)雜的幾何變換：1）圖像的切變：切變是一種坐標(biāo)系的扭曲變換，即非均