数字图像处理软件开发设计

摘 要

　　随着科学技术的飞速发展，计算机应用领域的不断开拓，一种全新的图像处理方法——数字图像处理技术应运而生，即利用计算机设备将图像转变成数字信息来进行保存、处理、传输和显示。目前，数字图像处理技术被广泛应用在众多的领域，而且其处理精度比较高，所以，开发一个好的数字图像处理软件至关重要。

　　本文设计了一个基于 VC++的数字图像处理系统，系统中包括图像处理技术的各个方面，涵盖了数字图像处理领域的大部分算法，并对相应的算法进行了实现。本系统具有很强的可移植性和扩展性。

　　本文以 BMP 文件的读写为切入点，相继介绍了图像处理领域的大部分算法：图像几何变换、正交变换、图像增强、边缘检测，并详细论述了各个算法的实现过程，对主要算法的实际应用效果进行了分析。实验结果表明系统能够满足图像处理的基本要求，而且还可以针对不同的处理目的，灵活地对图像处理算法进行改进，从而选择出最优处理算法，达到期望的处理效果。为了方便用户观察处理结果，更好的理解算法，本文设计了一个友好的图形用户界面，此界面操作简单，使用方便，为数字图像处理处理算法的研究人员提供了一个很好的图像处理平台。

　　关键词： 数字图像处理，VC++，BMP,处理算法，GUI

ABSTRACT

　　With the development of the science and technology,and with the exploitation of the field in computer application,a brand-new image processing method has emerged as the times require．That is digital image processing technology．With computer devices，this technology can change images to digital information for storing，processing，transforming and display．At present, digital image processing technology is widely used in many branches of science and technology,and due to the advantages of high processing accuracy,so, it is vital to develop and research a digital image processing sofware to us nowadays.

　　This paper designes a digital image processing system based on VC++,which includes all aspects of the image processing technology,coverts and realizes most of the processing algorithms in the fields.Besides,this soft system has strong portability and extensibility.

　　Entering upon the “read and write BMP”,this thesis successively introduces many image-processing algorithms including image geometric transformation,image orthogonal transformation,image enhancement,image edge detection.Then,it discusses the realization processes of each algorithm, additionally,the effects of the main algorithms are analyzed.It is proved by experiments that this system can meet fundamental need in image processing. Furthermore,aiming at certain purposes which should be achieved,the improvement about the algorithms could be made and then selected the optimal processing methods in order to reach the desired processing results. Eventually,designed a friendly graphical user interface,which is easier to observe the results and understand the algorithms. This interface is simple and easy to use, and provides a good image processing platform for the researchers of digital image processing algorithm.

　　Key Words: digital image processing, VC++,DIB, processing algorithms,GUI

　　图像是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段。人出生以后第一次睁开眼睛，首先接收的就是各种各样的图像信息，因此有人说，图像与生俱来是人类生活中最直观、最丰富和最生动的信息表示形式。国外学者曾做过统计，人们从外界所获取的信息有70%以上来自于视觉摄取的图像[1]，与文字或者语言信息相比，图像包含的信息量更大，具有更广泛的适用性和更高的使用效率。在当今科学技术迅速发展的时代，人们越来越多的利用图像信息来认识和判断事物，解决实际问题。

　　一幅静态图像可以用一个二维函数 f ( x , y )来表示，这里 x 和 y 表示二维空间中坐标点的位置，而 f 则代表图像在点( x , y )的某种性质的数值。例如常用的图像一般是灰度图，这时 f表示灰度值，对应客观图像被观察到的亮度。常见的图像是连续的，即 f ( x , y )的值可以是任意实数。为了适应数字计算机的处理，必须对连续图像函数进行空间和幅度数字化，经过数字化后的图像称为数字图像。数字图像是由有限的元素组成的，每个元素都有一个特定的位置和幅值，这些元素称为图像元素或像素。而数字图像处理是指借用数字计算机处理数字图像[2]。

　　数字图像一般可以通过以下三种途径获取[3]：

　　（1）直接由二维离散数学函数生成数字图像。

　　（2）将模拟图像、物理图像等可见图像经过数字化处理转换为数字图像，例如将一幅照片通过扫描仪输入到计算机中，扫描的过程实质上就是一个数字化过程。

　　（3）应用光电转换设备可以直接得到数字图像，例如数字相机使用CCD器件记录影像，然后把CCD器件的电子信号转换成数码信号，并把所得到的数字图像存入存储器中。

　　无论采取哪种方式所获取的数字图像在数学上都是一个二维矩阵，因此，数字图像处理的实质是将原始图像变为目标图像的过程，实质上是由一个矩阵变为另一个矩阵的数学过程。不管是图像的放缩、图像的几何变换、图像的灰度变换还是离散余弦等正交变换，本质上都是基于图像矩阵的数学运算。

　　获取图像信息的目的不仅仅只是为了获取图像，更为主要的是对图像信息进行加工处理，以满足我们的视觉心理或者应用需求。因此，从某种意义上讲，对图像信息进行处理比图像获取更为重要。图像处理一般是指数字图像处理，所谓数字图像处理就是指对一个物体的数学表示，即对一个二维矩阵施加一系列的操作，以得到所期望的结果。虽然某些处理也可以用光学方法或模拟技术实现，但它们远不及数字图像处理那样灵活和方便，因而数字图像处理成为图像处理的主要方面。

　　既然图像处理如此重要，那么开发一个好的数字图像处理软件也是十分必要的。MATLAB软件虽然能够对数字图像进行方便的处理，并且其制作的界面也比较友好，但是由于其过于庞大，移植性和速度方面也很难与VC++相比。另外，由于商业化的VC++数字图像处理软件价格比较昂贵，而且不便于二次开发，所以自己利用VC++集成开发环境开发一套简单的数字图像处理软件系统，本系统界面友好，不但能对现代光学测量中散斑和条纹图像进行良好的处理，而且还能够满足一些简单的数字图像处理的需求，为以后的学习和研究奠定了基础。

　　图像处理软件是用于处理图像信息的各种应用软件的总称，现在国外比较流行的数字图像处理软件品种繁多。例如美国MathWorks公司出品的MATLAB软件，功能十分强大，它主要应用于工程计算、信号处理与通讯、图像处理等领域。MATLAB之所以称为世界流行的科学计算与数学应用软件，是因为它有着强大的矩阵运算和处理功能，具体表现在强大的数值计算功能、数据分析和科学计算可视化功能、强大的符号计算功能、强大的非线性动态系统建模和仿真功能、灵活的程序接口功能等方面[4]

　　。而数字图像处理与矩阵运算具有密切的联系，并且MATLAB图像处理工具箱提供了丰富的图像处理函数，熟练使用这些函数可以完成几乎所有的图像处理工作。应用MATLAB进行数字图像处理可以节省大量编写低层算法源代码的时间，避免程序设计中的重复劳动，达到事半功倍的效果。另外，新版本的MATLAB在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善。MATLAB的不足之处是运行程序时需要安装有MATLAB系统，可移植性能差，应用不方便，执行速度慢。

　　Microsoft Visual C++，简称 MSVC、VC++，是微软公司的 C++开发工具，具有可视化的集成开发环境，称为 Visual Studio。具有编辑 C 语言，C++等编程语言的能力，从传统的 WindowsAPI 编程到 MFC 编程、再到基于组件的编程，Visual C++都为之提供了方便的设计工具，几乎能够完成 Windows 各个方面的应用。自 1993 年 Microsoft 公司推出 Visual C++1.0 后，随着其新版本的不断问世，所开发出来的应用程序运行速度快，代码执行效率高，并具有一定的可移植性能。因此，Visual C++已成为专业程序员进行软件开发的首先工具。目前最新的版本是Microsoft Visual C++ 2008，Visual C++ 6.0 是其经典版本。

　　Photoshop是Adobe公司开发的世界上最优秀的平面图像处理软件之一，集图像扫描、编辑修改、图像制作、广告创意，图像输入与输出与一体，在图像处理及平面设计领域里，Photoshop一直都以界面美观，操作方便，在图像处理和电脑绘图软件领域里独占鳌头。Photoshop的功能非常强大，它支持多种图像格式和颜色模式，能同时进行多色层处理。其绘画功能和选取功能能使图像编辑变得十分方便，图像变形功能可用来制作特殊的视觉效果。Photoshop还采用开放式的结构，能接受常用的图像输入设备[5]。目前最新版本Adobe Photoshop CS4除了包含AdobePhotoshop CS3的所有功能外，还增加了3D和视频流、动画、深度图像分析等。

　　Ulead公司的PhotoImpact是一款以个人用户多媒体应用为主的图像处理软件，其主要功能是改善相片品质，进行简易的相片处理并支持位图图像和矢量图像的无缝组合，打造3D效果以及在网页图像方面的应用。它内置的各种效果要比Photoshop更加方便。

　　Painter是一款由加拿大Corel公司开发的图形图像软件，是最优秀的电脑绘画软件之一，它结合了photoshop为代表的位图图像软件和Illustrator freehand等为代表的矢量图形软件的功能和特点，在图像编辑合成、特效制作、二维绘图等方面均有突出表现。

数字图像处理软件开发设计：

原始图像

平移后的图像

图像的傅里叶变换

图像的沃尔什变换

线性变换后的图像

灰度拉伸参数设置对话框

阈值变换窗口

二阶导数边缘检测结果

目 录

　　第一章 绪 论
　　　　1.1 研究的目的及意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 国外研究现状
　　　　　　1.2.2 国内研究现状
　　　　1.3 本文主要研究内容与结构安排
　　第二章 数字图像处理及 VC++简介
　　　　2.1 数字图像处理简介
　　　　　　2.1.1 数字图像处理的特点
　　　　　　2.1.2 数字图像处理的目的和主要内容
　　　　2.2 VC++简介
　　　　　　2.2.1 Visual C++开发语言的特点
　　　　　　2.2.2 Visual C++ 6.0 的特点
　　　　　　2.2.3 Visual C++ 6.0 及其开发环境
　　　　2.3 本章小结
　　第三章 数字图像处理系统的总体设计
　　　　3.1 系统的总体框架设计
　　　　3.2 系统各模块的设计
　　　　3.3 系统软件界面设计
　　　　3.4 系统的特点
　　　　3.5 本章小结
　　第四章 数字图像处理系统的实现
　　　　4.1 文件处理模块
　　　　　　4.1.1 数字图像基础
　　　　　　4.1.2 设备无关位图
　　　　　　4.1.3 认识 CDibImage 类
　　　　　　4.1.4 使用 CDibImage 类
　　　　4.2 几何变换模块
　　　　　　4.2.1 图像平移
　　　　　　4.2.2 图像缩放
　　　　　　4.2.3 图像旋转
　　　　　　4.2.4 灰度级插值
　　　　4.3 正交变换模块
　　　　　　4.3.1 正交函数
　　　　　　4.3.2 傅里叶变换
　　　　　　4.3.3 快速傅里叶变换
　　　　　　4.3.4 离散余弦变换
　　　　　　4.3.5 沃尔什变换
　　　　4.4 图像增强变换模块
　　　　　　4.4.1 空域增强
　　　　　　4.4.2 频域增强
　　　　4.5 边缘检测模块
　　　　　　4.5.1 基于一阶导数的边缘检测
　　　　　　4.5.2 基于二阶导数的边缘检测
　　　　4.6 本章小结
　　第五章 总结与展望
　　　　5.1 总结
　　　　5.2 展望
　　参考文献
　　致 谢
　　在学期间的研究成果及发表的学术论文

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