文 献 综 述

数字图像处理，即利用计算机和其他硬件，将模拟图像数据量化为数字信息，再进行数学运算，达到对图像的处理^[1]。

数字图像处理出现于上世纪中期，因为当时计算机技术已经发展到一定水平，人们开始利用计算机来处理图像信息。数字图像处理作为一门学科则形成于上世纪60年代初^[2]。图像处理时，输入的是质量低的图像，输出的是改善质量后的图像，常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。

数字图像处理主要研究的内容有以下几个方面^[3]。

1）图像数字化：将非数字形式的模拟图像信号通过数字化设备转换成数字图像，包括采样过程和量化过程。

2）图像变换：利用正交变换的性质和特点，将图像转换到变换域中处理，这样不仅可以减少计算量，而且能对图像进行更有效的处理。该技术包括傅里叶变换、沃尔什变换、离散余弦变换、离散小波变换等处理技术。

3）图像增强：用于增强图象中有用的信息，削弱干扰和噪声，提高图像处理的清晰度，突出图像中感兴趣的对象，及所需研究的目标。例如，强化图像高频分量，则可以使图像中目标轮廓清晰。

4）图像复原：对退化和降质了的图像进行处理，是处理后的图像尽可能接近原始图像。

5）图像压缩编码：对待处理图形进行压缩编码以减少描述图像的数据量，以便节省图像传输、处理时间和减少所占用的存储容量。压缩可以在不造成图像失真的前提下进行，也可以在允许失真条件下进行。

6）图像分割：是指将图像中有意义的特征部分提取出来，以便把图像分成若干区域，从中提取感兴趣的目标。这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。由于图像中的目标和背景变化无穷，尽管目前人们以研究出不少边缘提取、区域分割的仿佛，但是还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法，所以人们已研究出不少边缘提取、区域分割的方法，但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法，所以对图像分割的研究还在不断深入之中，是目标图像处理研究的热点之一^[4]。

7）图像特征提取：指将一幅图像分割成若干区域后，提取图像内的物体或区域特征，以用于图像的分析和理解。图像特征既可以是人的视觉可以直接识别的自然特征，如物体形状、颜色等，也可以对图形进行数学运算以后得到的数字特征，如物体周长、面积、中心、连通性、不变矩等。

8）图像识别分类：指根据从图像中提取的各目标物的特征或特征集，与已知的的标准目标物固有的特征进行匹配，计算两者之间的相似度，以做出对各目标物类属的判别。近年来新发起的粗糙集模式分类方法和人工神经网络模式分类方法在图像识别中已越来越受到重视。

目前，图像处理面临的难题是研究新的处理方法，新的处理系统，新的应用领域。大致有如下几个方面：

1）进一步提高处理精度，同时着重解决速度问题。例如，在航天遥感、气象云图处理等方面，巨大的数据量和处理速度仍然是主要矛盾。

2）加强软件研究、开发新的处理方法，特别要注意移植和借鉴其他学科的技术和研究成果，创造新的处理方法。

3）加强边缘学科的研究工作，促进图像处理技术的发展。如，人的视觉特性、心理学特性等的研究，如果有所突破，将对图像处理技术的发展起到极大的促进作用。

4）加强理论研究， 逐步形成图像处理科学自身的理论体系。

5）图像处理领域的标准化。图像的信息量大、数据量大， 因而图像信息的建库、检索和交流是一个重要的问题。软件、硬件种类繁多，交流和使用极为不便，成为资源共享的严重障碍。应建立图像信息库， 统一存放格式，建立标准子程序，统一检索方法^[5]。

由于数字图像处理有着处理量大、信息压缩潜力大、效果好、再现性好、处理精度高、灵活性好等特点，以及计算机处理能力的不断增强,数字图像处理技术飞速发展,被广泛应用在众多的领域。数字图像处理技术还可以通过改进处理软件来优化处理效果。因此,开发一个好的图像处理软件至关重要^[6]。

图像几何变换是计算机图像处理领域中的一个重要组成部分，主要包括图像的缩放、图像的旋转、图像的移动、图像的剪取、图像的块操作等内容。通过课题的设计及实现，能系统回顾本专业所学理论知识，达到知识点的综合应用、实际问题的研究分析、在理论指导下进行实践和实际产品研发的目的，为后续阶段的研发工作或继续深造打下坚实的基础。

对位图进行几何变换，要实现图像的预处理、平移变换、缩放变换及旋转变换功能。 在熟悉未经压缩的BMP的存储格式，能辨识各个数据块的标识之后，实现位图像素数据读入内存、通过C 编程实现位图几何变换、将程序移植到DSP5509上三部分功能。

一：位图存储格式^[7]

位图图像(bitmap), 即点阵图像、绘制图像，是由像素组成的。这些像素点可以进行不同的排列和染色，以构成图像。当放大位图时，可以看见构成图像的无数方块。扩大位图尺寸，会使线条和形状显得参差不齐。但如果从稍远的位置观看它，位图图像的颜色和形状又显得是连续的。

位图常见的格式有bmp、png、gif等^[8]。

BMP是英文Bitmap（位图）的简写，它是Windows操作系统中的标准图像文件格式，这种格式的特点是包含的图像信息较丰富，它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，几乎不进行压缩，但由此导致了它与生俱生来的缺点--占用磁盘空间过大。

位图文件可看成由4个部分组成：位图文件头（bitmap-file header）、位图信息头（bitmap-information header）、彩色表（color table）和定义位图的字节阵列。

1)位图头文件，它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息；

2)位图信息头，它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息；

3)彩色表，这个部分是可选的，有些位图需要调色板，有些位图，比如真彩色图（24位的BMP）就不需要调色板；

4)位图数据，这部分的内容根据BMP位图使用的位数不同而不同，在24位图中直接使用RGB，而其他的小于24位的使用调色板中颜色索引值。

二：位图像素数据读入内存

用Ｃ 读取、修改位图，通过它我们可以了解位图的文件结构，对图像处理的理解很有帮助。BMP文件分为四个部分组成，则它的读入也要按照四个部分进行依次处理，即先处理位图文件头结构，然后是位图信息头和彩色表，最后是定义位图的字节阵列^[9]。有关位图文件头、位图信息头、彩色表的定义包含在头文件”Windows.h”中，应先把它包含进来^[10]。

为了以后方便对图像进行修改和存盘，还要定义几个全局变量来存放读入图像的位图数据、宽、高、颜色表及每像素位数等信息。readBmp()函数实现了BMP的读取操作，saveBmp()函数实现了BMP文件的写操作^[11]。

三：通过C 编程实现位图几何变换

位图几何变化包括实现图像的平移变换、缩放变换及旋转变换功能。

1）图像平移,即图像中所有的点都按照指定的量竖直或水平移动。设（x₀，y₀）为原图像上的一点，图像水平平移量为t_x，垂直平移量为t_y，则平移后点（x₀，y₀）坐标将变为（x₁，y₁）。

显然（x₀，y₀）和（x₁，y₁）的关系如下^[12]：

用矩阵表示如下：

对该矩阵求逆，可以得到逆变换：

即

这样，平移后的图像上的每一点都可以在原图像中找到对应的点。例如，对于新图中的（0，0）像素，代入上面的方程组，可以求出对应原图中的像素（-t_x，-t_y）。如果t_x或t_y大于0，则（- t_x，- t_y）不在原图中。对于不在原图中的点，可以直接将它的像素值统一设置为0或则255（对于灰度图就是黑色或白色）。同样，若有点不在原图中，也就说明原图中有点被移出显示区域。如果不想丢失被移出的部分图像，可以将新生成的图像宽度扩大|t_x |，高度扩大| t_y | ^[13]。

2）缩放变换将会改变图像的大小，产生的图像中的像素可能在原图中找不到相应的像素点，这样就必须进行近似处理。一般的方法是直接赋值为和它最相近的像素值，也可以通过一些插值算法来计算^[14]。

假设图像x轴方向缩放比率为f_x，y轴方向缩放比率为f_y，那么原图中点（x₀，y₀）对应与新图中的点（x₁，y₁）的转换矩阵为：

其逆运算如下：

即

例如，当f_x=f_y=0.5时，图像被缩放到一半大小，此时缩小后图像中的（0，0）像素对应于原图中的（0，0）像素；（0，1）像素对应于原图中的（0，2）像素；（1，0）像素对应于原图中的（2，0）像素，以此类推。在原图基础上，每行隔一个像素取一点，每隔一行进行操作。其实是将原图每行中的像素重复取值一遍，然后每行重复一次。

3）旋转变换是以图像的中心为原点，旋转一定的角度。旋转后，图像的大小一般会改变。和图像平移一样，既可以把转出显示区域的图像截去，也可以扩大图像范围以显示所有的图像。

点（x₀，y₀）经过旋转θ度后坐标变成（x₁，y₁）。

在旋转前：

旋转后：

写成矩阵表达式为：

其逆运算如下：

^[15]

四：运行调试

将写好的程序移植到DSP5509上，运行验证该程序。

参考文献：

[1] 陈炳权，刘宏立,孟凡斌.数字图像处理技术的现状及其发展方向[J].吉首大学学报. 2009(01).

[2] 阮秋琦.数字图像处理[M].第三版.北京：电子工业出版社，2011.

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[12]游福成.数字图像处理[M]，北京：电子工业出版社，2011.6.

[13] 杨文杰,刘浩学.JJ数字图像处理系统的研制[J]. 北京印刷学院学报. 2002(02)

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[15]陆宗骐. C/C 图像处理编程[M].北京：清华大学出版社，2005.