毕业设计(论文)二维数字图的空间谱估算法研究.doc
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1、燕山大学 毕业设计(论文) 二维数字图像的空间谱估计算法研究 学 院 里仁学院 年级专业 03电信1班 学生姓名 孙永杰 指导教师 付炜 专业负责人 练秋生 答辩日期 2007-6-24 燕山大学毕业设计(论文)任务书学院:信息学院 系级教学单位:电子与通信工程系 学号030201070020学生姓名孙永杰专 业班 级电子031班课题题 目二维数字图像的空间谱估计算法研究来 源自选主要内容对数字图像进行二维离散付里叶变换,并进行数字图像的频率域滤波(高通滤波和低通滤波),提取数字图像的特征矢量参数(如影像的拐点、纹理、边沿、目标物体的分布范围等特征参数)。设计二维离散信号的级数式变换模式,提取
2、数字图象付里叶级数的前三次谐波分量,并建立二维数字图像的空间谱估计算法模型,进行数字图像的空间谱估计。设计二维离散数字信号的正交变换压缩模式,对数字图像进行压缩处理,以减少图像的存储空间。基本要求对数字图像进行二维离散付里叶变换,并进行数字图像的频率域滤波(高通滤波和低通滤波),提取数字图像的特征矢量参数。设计二维离散信号的级数式变换模式,提取数字图象付里叶级数的前三次谐波分量,并建立二维数字图像的空间谱估计算法模型,进行数字图像的空间谱估计。设计二维离散数字信号的正交变换压缩模式,对数字图像进行压缩处理,以减少图像的存储空间,以便于图像的存储和传输。参考资料1、阮秋琦,数字图像处理学,电子工
3、业出版社,20012、荆仁杰等,计算机图像处理,浙江大学出版社,19993、胡广书,数字信号处理理论、算法与实现,清华大学出版社,20014、K.R. Cattleman著,朱志刚等译,数字图像处理,电子 出版社,2000周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容搜索资料,查阅书籍,自学图像处理学及VC+编程原理。自学数字图处理学和VC+编程原理,练习并VC+编程方法。用VC+语言编制图像信号的空间谱估计算法程序,调试程序。用VC+调试程序,实现图像信号的空间谱估计,编写论文大纲。撰写论文,答辩指导教师:付炜系级教单位审批: 摘 要随着数字化与多媒体时代的来临,数字图像处理已经
4、成为必备的基础知识。近几十年来由于计算机技术的蓬勃发展,图像处理技术也得到了空前的发展和应用。学习和掌握这门科学显得格外重要,图像处理已经成为信息技术相关领域的核心课程。本文主要研究数字图像的空间谱估计算法,研究图像空间谱主要用到傅里叶变换,所以文本的重点是对图像傅里叶变换及滤波后的分析。首先从图像的概念出发介绍了处理的方法和内容,重点讲述了二维离散傅里叶变换的图像处理及处理后的低通滤波和高通滤波,提取数字图像的特征矢量参数。最后对图像压缩处理。关键词图像处理;傅里叶变换;频率滤波;图像压缩AbstractWith digital multimedia era with the advent
5、of digital image processing has become an essential feature of the knowledge base. In recent decades due to the booming computer technology development, image processing technology has been unprecedented development and application. Learning and mastering the science of this is particularly importan
6、t, image processing has become information technology related fields in the core curriculum.This paper studies the digital images space spectrum estimation algorithm, the main image spatial spectrum used Fourier transform, Therefore, the text focuses on the image and the Fourier transform analysis o
7、f the filter. First images from the concept of the method and content highlight of the two-dimensional discrete Fourier transform image processing and handling of the low-pass filter and high-pass filtering, Digital Image Extraction feature vector parameters. Finally, the image is compressed.Keyword
8、s: Image Processing Fourier Transform Frequency Filtering Image Compression 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.3存在的问题21.4发展趋势21.5本章小结3第2章 数字图像处理技术52.1 数字图像的基本概念52.2数字图象处理技术应用62.3数字图象处理技术分类和特点92.4数字图象处理技术主要方法和主要内容102.5本章小结12第3章数字图像处理空间域估计算法133.1傅里叶变换定义和概念133.2傅里叶级数143.3 二维离散傅里叶变换153.3.1 二维DFT的定义153.3
9、.2 二维DFT的性质163.3.3 二维DFT的实现193.4频域低通滤波213.4.1理想低通滤波器213.4.2巴特沃思低通滤波器223.4.3 中值滤波233.5频域高通滤波253.5.1 理想高通滤波器253.5.2巴特沃思高通滤波器263.6本章小结27第4章 图像压缩294.1压缩编码及其分类294.2图象压缩并储存294.3实验研究304.4实验分析314.5本章小结31结 论33参考文献35附录137附录241附录345致谢65第1章 绪论1.1 课题背景早期的数字图像处理的目的是以人为对象,为了满足人的视觉效果而改善图像的质量,处理过程中输入的是质量差的图像,输出的是质量好
10、的图像,常用的图像处理方法有图像增强、复原等。图像处理所涉及的应用领域有军事应用、医学诊断、工业监控、物体的自动分检识别等等,这些应用系统无不需要计算机提供实时动态,效果逼真的图像。随着计算机技术的发展,有一类图像处理是以机器为对象,处理的目的是使机器能够自动识别目标,这称之为图像的识别1。 随着数字化与多媒体时代的来临,数字图像处理已经成为必备的基础知识。近几十年来由于计算机技术的蓬勃发展,图像处理技术也得到了空前的发展和应用。目前,图像处理技术已经广泛应用于工业、军事、医学、交通、农业、天气预报、银行、超市、重要部门的监控报警系统、可视电话、网络传输等等领域,成为各个学科学习和研究对象。随
11、着图像处理技术的广泛应用,学习和掌握这门科学显得格外重要,图像处理已经成为信息技术相关领域的核心课程。 我国科学计算可视化技术的研究开始于90年代初。由于数据可视化所处理的数据量十分庞大,生成图像的算法又比较复杂,过去常常需要使用巨型计算机和高档图形工作站等。因此,数据可视化开始都在国家级研究中心、高水平的大学、大公司的研究开发中心进行研究和应用。近年来,随着PC功能的提高、各种图形显卡以及可视化软件的发展, 可视化技术已扩展到科学研究、工程、军事、医学、经济等各个领域。随着Internets兴起,信息可视化技术方兴未艾。我国在80年代就开始进行科学计算可视化技术的研究和应用。至今,我国不论在
12、算法方面,还是在油气勘探、气象、计算力学、医学等领域的应用方面,都已取得了一大批可喜的成果。但从总体上来说,与国外先进水平还有相当的差距,特别是在商业软件方面,还是空白。因此,组织力量开发可视化商业软件,并通过市场竞争,促使其逐步成熟,已成为当务之急。1.3存在的问题目前,数字图像处理的信息大多是二维信息,处理信息量很大。如一幅256256低分辨率黑白图像,要求约64kbit的数据量;对高分辨率彩色512512图像,则要求768kbit数据量;如果要处理30帧/ 秒的电视图像序列,则每秒要求500kbit2.5M数据量。因此对计算机的计算速度、存储容量等要求较高。数字图像处理占用的频带较宽。与
13、音频信息相比,占用的频带要大几个数量级。如电视图像的带宽约5.6MHz2,而语音带宽仅为4kHz左右。所以在成像、传输、存储、处理、显示等各个环节的实现上,技术难度较大,成本高。由于图像是三维景物的二维投影,一幅图像本身不具备复现三维景物的全部几何信息的能力,三维景物背后部分信息在二维图像画面上是反映不出来的。因此,要分析和理解三维景物必须作合适的假定或附加新的测量;在理解三维景物时需要知识导引,这也是人工智能中正在致力解决的知识工程问题。数字图像处理后的图像一般是给人观察和评价的,因此受人的因素影响较大。1.4发展趋势目前数字图像处理面临的主要任务是研究新的处理方法,构造新的处理系统,开拓新
14、的应用领域。需要进一步研究的问题有如下几个方面:(1)在进一步提高精度的同时着重解决处理速度问题。(2)加强软件研究,开发新的处理方法,特别是要注意移植和见解借鉴其他学科的技术和研究成果,创造出新的处理方法。(3)加强边缘学科的研究工作,促进图象处理技术的发展。(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。图像处理技术未来发展方向大致可归纳为:(1)图像处理的发展将围绕高清晰度电视的研制,开展实时图像处理的理论及技术研究,向着高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化方向发展。(2)图像、图形相结合,朝着三维成像或多维成像的方向发展。(3)硬件芯片研
15、究,把图像处理的众多功能固化在芯片上,使之更便于应用。(4)新理论与新算法的研究。近年来随着一些新理论的引入及新算发的研究,将成为今后图像处理论与技术的研究热点,例如小波分析、人工神经网络、分形几何、形态学、遗传算法等。随着科学技术的进步以及人类需求的不断增加,图像处理科学无论是理论上还是实践上,都会取得更大的发展。1.5本章小结随着数字化与多媒体时代的来临,数字图像处理已经成为必备的基础知识。近几十年来由于计算机技术的蓬勃发展,图像处理技术也得到了空前的发展和应用。但也存在一些问题,数字图像处理占用的频带较宽,处理信息量大,需要我们研究新的处理方法,构造新的处理系统。数字图像处理的未来应向着
16、高速、高分辨率、立体化、多媒体化、智能化和标准化发展,和图形相结合向三维发展,研究硬件芯片使更多处理功能固化在芯片上使之更方便使用。第2章 数字图像处理技术2.1 数字图像的基本概念计算机屏幕上显示出来的画面通常有两种描述方法:一种为图形,另一种为图像。图形、图像在存储结构和表示方法上有着根本的区别。图形是矢量结构的画面存储形式,是由指令集合组成的描述,这些指令描述构成一幅图的所有直线、圆、圆弧、矩形、曲线等的位置、维数的大小、形状、颜色,显示时需要相应的软件读取这些命令,并将其转变为屏幕上所显示的形状和颜色,图形记录的主要内容是坐标值或坐标值序列,对一般画面内容的颜色或亮度隐含且统一地描述,
17、因此,矢量结构显式地表现画面内容的坐标值3。图像是以栅格结构存储画面内容,栅格结构将一幅图划分为均匀分布的栅格,每个栅格称为像素,显式地记录每一像素的光度值(亮度或彩色),所有像素位置按规则方式排列,像素位置的坐标值却是有规则地隐含。图像由数字阵列信息组成,用以描述图像中各像素点的强度与颜色,因此图像适合于表现含有大量细节(如明暗变化、场景复杂和多种颜色等)的画面,并可直接、快速地在屏幕上显示出来。图像占用存储空间较大,一般需要进行数据压缩。色度学理论认为,任何颜色都可由红(red)、绿(green)、蓝(blue)三种基本颜色按照不同的比例混合得到。红、绿、蓝被称为三原色,简称RGB三原色4
18、。在PC的显示系统中,显示的图像是由一个个像素组成的,每一个像素都有自己的颜色属性,像素的颜色是基于RGB模型的,每一个像素的颜色由红、绿、蓝三原色组合而成。3种颜色值的结合确定了在图像上看到的颜色。人眼看到的图像都是连续的模拟图像,其形状和形态表现由图像各位置的颜色所决定。因此自己然界的图像可用基于位置坐标的三维函数来表示,即: 其中 f表示空间坐标为(x, y, z)位置点的颜色,分别表示该位置点的红、绿、蓝三种原色的颜色分量值。它们都是空间的连续函数,即连续空间的每一点都有一个精确的值与之相对应。为了研究的方便,主要考虑平面图像。平面上每一点仅包括两个坐标值,因此,平面图像函数是连续的二
19、维函数,即:数字图像是连续图像f(x, y)的一种近似表示,通常用由采样点的值所组成的矩阵来表示:每一个采样单元叫做一个像素( pixel ),上式中,M,N分别为数字图像在横(行)、纵(列)方向上的像素总数。在计算机内通常用二维数组来表示数字图像的矩阵,把像素按不同的方式进行组织或存储,就得到不同的图像格式,把图像数据存成文件就得到图像文件。图像文件按其数字图像格式的不同一般具有不同的扩展名。最常见的图像格式是位图格式,其文件名以BMP为扩展名。图像数字化的精度包括两个部分,即分辩率和颜色深度。分辩率指图像数字化的空间精细程度,有显示分辩率的图像分辩率两种不同的分辩率。2.2数字图象处理技术
20、应用数字图像处理(Digital Image Processing)又称为计算机图像处理,它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。数字图像处理最早出现于20世纪50年代,当时的电子计算机已经发展到一定水平,人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。数字图像处理作为一门学科大约形成于20世纪60年代初期。早期的图像处理的目的是改善图像的质量,它以人为对象,以改善人的视觉效果为目的。图像处理中,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。首次获得实际成功应用的是美国喷气推进实验室(JPL)。他们对航天探测器徘徊者7号在196
21、4年发回的几千张月球照片使用了图像处理技术,如几何校正、灰度变换、去除噪声等方法进行处理,并考虑了太阳位置和月球环境的影响,由计算机成功地绘制出月球表面地图,获得了巨大的成功。随后又对探测飞船发回的近十万张照片进行更为复杂的图像处理,以致获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图,获得了非凡的成果,为人类登月创举奠定了坚实的基础,也推动了数字图像处理这门学科的诞生。在以后的宇航空间技术,如对火星、土星等星球的探测研究中,数字图像处理技术都发挥了巨大的作用。数字图像处理取得的另一个巨大成就是在医学上获得的成果。1972年英国EMI公司工程师Hounsfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影
22、装置,也就是我们通常所说的CT(Computer Tomography)15。CT的基本方法是根据人的头部截面的投影,经计算机处理来重建截面图像,称为图像重建。1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT装置,获得了人体各个部位鲜明清晰的断层图像。1979年,这项无损伤诊断技术获得了诺贝尔奖,说明它对人类作出了划时代的贡献。与此同时,图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就,属于这些领域的有航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、公安司法、军事制导、文化艺术等,使图像处理成为一门引人注目、前景远大的新型学科。随着图像处理技术的深入发展,从70年代中期开始,随着计算机
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