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數(shù)字圖像處理論文范文第1篇

（1. 武警工程大學(xué) 信息工程系，陜西 西安 710086；2. 武警工程大學(xué) 電子技術(shù)系，陜西 西安 710086）

摘 要：針對(duì)數(shù)字圖像處理課程基礎(chǔ)理論抽象、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，分析和探討該課程教學(xué)中存在的若干問(wèn)題及原因，從師資力量建設(shè)、課程標(biāo)準(zhǔn)制定、教學(xué)方法與設(shè)計(jì)、考核方法4個(gè)方面闡述數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)優(yōu)化改革方案。

關(guān)鍵詞 ：數(shù)字圖像處理；教學(xué)優(yōu)化改革；師資力量；課程標(biāo)準(zhǔn)

基金項(xiàng)目：全軍學(xué)位與研究生教育研討會(huì)研究課題“軍隊(duì)院校研究生教育中的導(dǎo)師與研究生關(guān)系研究”（YJZX14C14）。

第一作者簡(jiǎn)介：孔韋韋，男，講師，研究方向?yàn)閳D像處理，kwwking@163.com。

0 引 言

數(shù)字圖像處理[1-2]是信息處理領(lǐng)域的重要分支，通過(guò)該課程我們可以完成圖像的幾何變換、算術(shù)處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像重建、圖像編碼、模式識(shí)別、圖像理解等多個(gè)方面的工作。目前，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件處理能力的不斷提升，數(shù)字圖像處理技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)檢測(cè)、反恐處突、彈道導(dǎo)彈精確制導(dǎo)等多個(gè)軍（民）用領(lǐng)域。由于該門課程的特殊地位和廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外幾乎所有信息類專業(yè)都開(kāi)設(shè)了該課程，許多專家、學(xué)者也針對(duì)課程的教學(xué)方式提出了自己的觀點(diǎn)[3-8]。

軍隊(duì)院校作為高等院校中的一類特殊群體，無(wú)論在課程設(shè)置還是人才培養(yǎng)需求上均與地方高等院校有很大的不同。軍隊(duì)院校自身的特殊屬性要求培養(yǎng)出的人才不僅要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和科研能力，還能運(yùn)用這些知識(shí)對(duì)作戰(zhàn)以及日常訓(xùn)練中出現(xiàn)的問(wèn)題加以解決，因此，軍隊(duì)院校對(duì)人才的理論與實(shí)踐結(jié)合能力提出了更高也更為嚴(yán)格的要求。

武警部隊(duì)負(fù)責(zé)維護(hù)國(guó)家安全和社會(huì)穩(wěn)定，有效打擊國(guó)內(nèi)外各種恐怖勢(shì)力，保障人民安居樂(lè)業(yè)。當(dāng)前，世界各國(guó)都將“反恐”作為維護(hù)國(guó)家穩(wěn)定和保衛(wèi)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的一項(xiàng)重要任務(wù)。反恐圖像目標(biāo)的識(shí)別和監(jiān)視能力更體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的反恐技術(shù)力量和能力水平，其關(guān)鍵在于反恐圖像目標(biāo)的識(shí)別。因此，有效地將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于反恐處突領(lǐng)域，不僅有助于提升針對(duì)恐怖勢(shì)力的打擊力度，還可以有效減少傷亡，最大限度地保障國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 數(shù)字圖像處理課程的特點(diǎn)

數(shù)字圖像處理課程主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①理論基礎(chǔ)要求高，涉及高等數(shù)學(xué)、信號(hào)與信息系統(tǒng)、信息論、計(jì)算機(jī)編碼等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)；②數(shù)字圖像處理課程覆蓋的內(nèi)容廣泛，知識(shí)點(diǎn)繁雜零碎；③新興理論的不斷出現(xiàn)要求廣大學(xué)者能夠敏銳把握數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展前沿；④數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，處理方法也更為復(fù)雜。

2 軍隊(duì)院校數(shù)字圖像處理課程教學(xué)中存在的問(wèn)題

2.1 課程設(shè)置不靈活

相比地方高等院校，軍隊(duì)院校的課程設(shè)置自由度十分受限，具體體現(xiàn)為課程的教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)安排、課堂組織形式甚至是開(kāi)課時(shí)間均有嚴(yán)格的規(guī)定和限制，不能根據(jù)學(xué)生理論基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)能力的實(shí)際情況做自適應(yīng)的調(diào)整。

盡管研究生有自己的導(dǎo)師和研究方向，且很多研究生日后學(xué)位論文的研究方向可能與數(shù)字圖像處理領(lǐng)域并無(wú)關(guān)聯(lián)，然而，由于許多信息類專業(yè)院校的研究生培養(yǎng)方案均嚴(yán)格限定該課程為學(xué)位必修課，導(dǎo)致一些研究生為了學(xué)分和學(xué)位只得選擇一門與自己研究領(lǐng)域完全無(wú)關(guān)的課程，無(wú)形中造成了教學(xué)資源的浪費(fèi)。

2.2 課時(shí)少內(nèi)容多

數(shù)字圖像處理課程是國(guó)內(nèi)外幾乎所有信息類專業(yè)的必修課。地方高等院校通常會(huì)開(kāi)設(shè)50個(gè)學(xué)時(shí)，而軍隊(duì)院校大多只開(kāi)設(shè)40學(xué)時(shí)，有的學(xué)校甚至只將其作為學(xué)位選修課開(kāi)設(shè)20學(xué)時(shí)。眾所周知，該課程涉及的教學(xué)內(nèi)容非常繁雜且對(duì)相關(guān)課程的理論基礎(chǔ)提出了較高要求，這類課程即使安排50學(xué)時(shí)也很難將重點(diǎn)內(nèi)容講授完畢，軍隊(duì)院校課程課時(shí)不足無(wú)疑對(duì)該課程的教學(xué)質(zhì)量造成重大影響。

2.3 教學(xué)形式單一

軍隊(duì)院校的特殊屬性在一定程度上約束了課堂多種教學(xué)形式的存在與發(fā)展，傳統(tǒng)的教師主體式教學(xué)法是主流。這種過(guò)于單一和機(jī)械的教學(xué)形式將對(duì)研究生的學(xué)習(xí)積極性造成不利影響。另外，軍隊(duì)中上下等級(jí)關(guān)系往往扼殺了研究生質(zhì)疑教師的勇氣和可能，使研究生不敢對(duì)教師的見(jiàn)解有所質(zhì)疑，不敢擅自踏入教師未首肯的領(lǐng)域中積極主動(dòng)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題，導(dǎo)致研究生的學(xué)習(xí)完全處于被動(dòng)境地。

3 教學(xué)優(yōu)化改革

3.1 師資力量建設(shè)

數(shù)字圖像處理課程專業(yè)性強(qiáng)、理論難度大，涉及的基礎(chǔ)學(xué)科門類較多，因此，在條件允許的情況下應(yīng)盡可能安排科研方向或理論研究方向?qū)儆趫D像處理領(lǐng)域的教師擔(dān)任任課老師。一方面，長(zhǎng)期從事該領(lǐng)域的教師對(duì)課程的基本內(nèi)容和理論了如指掌，基本功非常扎實(shí)，授課更為流暢、自然；另一方面，教材中介紹的只是圖像處理領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和經(jīng)典模型，長(zhǎng)期從事該領(lǐng)域研究的老師在研究過(guò)程中往往對(duì)課程中的概念及理論模型有更深刻的理解，在授課過(guò)程中必然會(huì)附帶介紹本人在該領(lǐng)域內(nèi)的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展，有利于開(kāi)闊研究生視野，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高授課質(zhì)量。

3.2 課程標(biāo)準(zhǔn)的制定

結(jié)合軍隊(duì)院校課時(shí)不足的教學(xué)實(shí)際以及人才培養(yǎng)類型的定位需求，我們完全有必要重新制定數(shù)字圖像處理課程的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，在保證理論系統(tǒng)性完整的基礎(chǔ)上，側(cè)重實(shí)踐能力以及解決實(shí)際問(wèn)題能力的培養(yǎng)和提升。具體措施如下：①教學(xué)對(duì)象精確定位，扭轉(zhuǎn)以往研究生課程頻頻出現(xiàn)的“被選課”現(xiàn)象，切實(shí)保障“選修權(quán)”，允許研究生按照自己學(xué)位論文的研究需求選課；②由于學(xué)時(shí)有限，在制定課程標(biāo)準(zhǔn)時(shí)必須全面分析和研究教學(xué)內(nèi)容，梳理與課程內(nèi)容相關(guān)的知識(shí)目標(biāo)、技能目標(biāo)和素質(zhì)目標(biāo)，適當(dāng)?shù)貏h減一些非重點(diǎn)內(nèi)容，重新劃分各章節(jié)的學(xué)時(shí)；③數(shù)字圖像處理雖然是一門理論性很強(qiáng)的課程，但學(xué)習(xí)的最終目的還是應(yīng)用，因此，在制定課程標(biāo)準(zhǔn)時(shí)必須為研究生學(xué)員留有一定的實(shí)踐操作以及課堂研討課時(shí)；④要反映部隊(duì)特色，在授課過(guò)程中重點(diǎn)介紹能夠直接應(yīng)用于部隊(duì)實(shí)際的模型和方法，譬如模式識(shí)別、圖像理解版塊，并要求研究生動(dòng)手實(shí)踐；⑤緊跟發(fā)展前沿，保持知識(shí)的先進(jìn)性，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，以完善的學(xué)習(xí)資料、豐富的課程資源、真實(shí)的實(shí)踐環(huán)境作為課程的基礎(chǔ)和支撐。

3.3 教學(xué)方法與設(shè)計(jì)

結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)，我們擬將整個(gè)教學(xué)過(guò)程分解為4個(gè)階段：①基本理論講授；②專題討論；③專題講座；④實(shí)踐操作。

3.3.1 基本理論講授

教師對(duì)教學(xué)內(nèi)容中的基本理論加以講解，旨在為研究生掃清基本理論障礙。該部分的講解并非只是對(duì)課本內(nèi)容的簡(jiǎn)單復(fù)制和重申，而是在介紹基本理論的基礎(chǔ)上，對(duì)基本概念中涉及的各層次知識(shí)點(diǎn)和潛在疑問(wèn)加以梳理和闡釋，為下一階段的專題討論做鋪墊。該階段以教師講授為主體，采取案例式教學(xué)和啟發(fā)式教學(xué)相結(jié)合的授課方式。

3.3.2 專題討論

所謂專題討論，就是基于教師先前講授的某一個(gè)或某一類基本理論，探討具體應(yīng)用效果以及可能影響最終圖像處理效果的若干因素。這一環(huán)節(jié)將徹底打破經(jīng)典教學(xué)模式中的“教師主體”模式，轉(zhuǎn)變?yōu)椤敖處煷_定討論范圍—研究生為討論主體—教師最后總結(jié)”的模式。在整個(gè)過(guò)程中，教師和研究生的角色完全轉(zhuǎn)換，由研究生基于自身掌握的知識(shí)充分發(fā)揮自己的想象，針對(duì)若干問(wèn)題展開(kāi)探討或者辯論。譬如，教師在探討前先介紹圖像去噪理論的相關(guān)知識(shí)，包括噪聲產(chǎn)生的原理、噪聲的種類、噪聲在圖像中的表現(xiàn)、幾類經(jīng)典圖像去噪方法等，上述部分內(nèi)容講授完畢后確定3個(gè)問(wèn)題，即均值去噪和中值去噪方法的原理有何不同？各自的優(yōu)缺點(diǎn)何在？各自在去噪過(guò)程中可能影響最終效果的因素有哪些？下一次課教師可安排專題討論，并將研究生在討論中的表現(xiàn)作為課程成績(jī)的一項(xiàng)重要依據(jù)。

在該門課程課代表的組織下，研究生被分成若干小組，大家利用課余時(shí)間分別對(duì)兩種去噪方法展開(kāi)了深入研究，并通過(guò)Matlab軟件仿真驗(yàn)證，記錄諸如峰值信噪比PSNR等相關(guān)指標(biāo)值，初步得出可能會(huì)影響最終去噪效果的若干因素；幾位同學(xué)針對(duì)一些不太一致的觀點(diǎn)展開(kāi)激烈的討論；最后，由教師進(jìn)行內(nèi)容總結(jié)和答疑解惑，一些研究生還對(duì)教師的某些結(jié)論提出質(zhì)疑。

專題討論完畢后，教師和研究生普遍感覺(jué)以往枯燥又不合時(shí)宜的教學(xué)方法得到了徹底改變，研究生內(nèi)心的求知熱情得到了極大的激發(fā)。此外，整個(gè)專題討論過(guò)程也鍛煉了他們的邏輯思維，為了說(shuō)服“對(duì)手”，他們必須要找到支撐自己觀點(diǎn)的科學(xué)依據(jù)，包括權(quán)威論壇上的答疑解惑以及仿真軟件仿真出來(lái)的實(shí)際結(jié)果等。有了這些證據(jù)后，他們還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究、組織語(yǔ)言、理清思路，而在以往的教學(xué)模式下，研究生并不會(huì)主動(dòng)花費(fèi)時(shí)間查找資料，教師由于課時(shí)的關(guān)系也不可能對(duì)每一種理論都進(jìn)行仿真演示。

3.3.3 專題講座

擔(dān)任數(shù)字圖像處理課程任務(wù)的教師必須從事圖像處理領(lǐng)域研究，因此，在教學(xué)過(guò)程中，適時(shí)安排1~2次專題講座，由任課教師將自己在本領(lǐng)域的研究成果或是研究體會(huì)以講座的形式向研究生進(jìn)行報(bào)告。在講座過(guò)程中，教師將從一個(gè)較高的層次，把一些新的內(nèi)容介紹給研究生，同研究生一起分享圖像處理領(lǐng)域最新的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究成果，開(kāi)拓研究生的視野，為研究生動(dòng)態(tài)更新最新的前沿知識(shí)。另一方面，由于課程標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程中教學(xué)對(duì)象已實(shí)現(xiàn)了精確定位，凡是選修數(shù)字圖像處理課程的研究生日后均要從事該領(lǐng)域的研究，因此專題講座的開(kāi)展也在一定程度上為研究生日后的學(xué)位論文撰寫提供靈感和研究方向。顯然，專題講座是課程教學(xué)強(qiáng)大而又有益的補(bǔ)充。

3.3.4 實(shí)踐操作

由教師從教學(xué)內(nèi)容中選取若干重難點(diǎn)且與部隊(duì)作戰(zhàn)（訓(xùn)練）密切關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，交由研究生自行仿真實(shí)現(xiàn)，記錄主客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行比較與分析，并得出結(jié)論；對(duì)仿真結(jié)果中的不足展開(kāi)討論，給出可能的解決方案。顯然，該階段側(cè)重課程標(biāo)準(zhǔn)中“反映部隊(duì)特色”的宗旨，要求學(xué)員學(xué)以致用，切實(shí)將書本中的理論知識(shí)運(yùn)用到部隊(duì)實(shí)際中，為部隊(duì)服務(wù)，提高作戰(zhàn)能力，體現(xiàn)軍隊(duì)院?！跋虿筷?duì)靠攏，向?qū)崙?zhàn)靠攏”的辦學(xué)宗旨。

在實(shí)際操作中，為了貼合武警部隊(duì)反恐處突場(chǎng)景的作戰(zhàn)實(shí)際，教師為學(xué)生布置了模式識(shí)別版塊中的圖像融合仿真實(shí)驗(yàn)，給出了國(guó)際TNO組織提供的聯(lián)合國(guó)營(yíng)地源圖像，源圖像取自同一場(chǎng)景，一幅由灰度可見(jiàn)光圖像傳感器獲得，另一幅由紅外圖像傳感器獲得。該實(shí)踐場(chǎng)景十分類似于武警部隊(duì)對(duì)潛藏在樹(shù)林中的恐怖分子進(jìn)行圍捕的場(chǎng)景，要求研究生對(duì)現(xiàn)行資料中融合效果較好的6種融合方法進(jìn)行仿真，記錄仿真結(jié)果并加以分析討論。

通過(guò)這一階段的訓(xùn)練，研究生將書本中的理論知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，取得了良好的效果，并為日后將相應(yīng)方法應(yīng)用于部隊(duì)作戰(zhàn)（訓(xùn)練）提供了理論基礎(chǔ)和支持。

3.4 考核方法

課程考核采取百分制，并綜合考慮研究生在筆試、專題討論、實(shí)踐操作3個(gè)環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)，3者的比例為0.30：0.35：0.35。在考核中，教師更看重研究生在該門課程中針對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，以期學(xué)生真正理解和消化書本中的理論知識(shí)。筆試采取開(kāi)卷方式進(jìn)行，側(cè)重考核研究生對(duì)該門課程中的基本理論、概念、公式的掌握情況，因此，同以往的純閉卷考試相比，該考核方法靈活度更高，考核效果也更理想。在最終考核中，由于采取了更為有效的考核方式，學(xué)生只要認(rèn)真參與教學(xué)活動(dòng)，必然可以順利通過(guò)考試并拿到高分。如今，兩年的教學(xué)改革已經(jīng)使該課程在研究生中小有名氣，從往日學(xué)員們的“黑名單”課程轉(zhuǎn)而成為“熱銷品牌”。

4 結(jié) 語(yǔ)

兩年的實(shí)踐結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的授課方式，該改革方案更符合高等院校的教學(xué)規(guī)律和實(shí)際情況，尤其是將部隊(duì)的實(shí)戰(zhàn)需求充分融入課程標(biāo)準(zhǔn)的制定過(guò)程，更加貼近了當(dāng)前軍隊(duì)院校的人才培養(yǎng)需求，充分體現(xiàn)了軍隊(duì)院?！跋虿筷?duì)靠攏，向?qū)崙?zhàn)靠攏”的辦學(xué)宗旨。

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數(shù)字圖像處理論文范文第2篇

關(guān)鍵詞：ImageJ；圖像處理；數(shù)字濾波；小波變換；算法設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP751文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2011)07-1638-03

Image Processing Algorithm Design Research Based on ImageJ

ZHAO Yi-li

(Dept. of Computer, Southwest Forestry University, Kunming 650224, China)

Abstract: Proposing an image processing algorithm design program based on ImageJ software, the program can complete digital image processing algorithm design quickly and accurately, and it is a useful complement for which based on MATLAB or C/C++ language environments. Through two examples of digital filtering and wavelet transform, the paper shows the benefits of the program for the image processing algorithm design task. Meanwhile, with the ImageJ's open plug-in architecture, making the design has good modularity and scalability.

Key words: imagej; image processing; digital filtering; wavelet transform; algorithm design

1 數(shù)字圖象處理算法設(shè)計(jì)概述

在進(jìn)行數(shù)字圖像處理算法仿真時(shí)，采用的方案主要有兩大類。一類是使用MathWorks公司開(kāi)發(fā)的MATLAB軟件。另外一類基于C和C++語(yǔ)言，以及Microsoft公司的Visual Studio平臺(tái)和MFC框架。

1.1 基于MATLAB的圖像處理算法設(shè)計(jì)

由MathWorks公司開(kāi)發(fā)的MATLAB[1]軟件非常適合用于處理向量和矩陣，在科學(xué)研究和產(chǎn)品的原型開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。并且被國(guó)內(nèi)外許多大學(xué)采用作為線性代數(shù)和數(shù)值計(jì)算的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)軟件。該軟件本身提供了一種高級(jí)語(yǔ)言，能夠通過(guò)編程的方式解決問(wèn)題。由于MATLAB附帶了一個(gè)功能完整的圖像處理工具箱[2]，因此很多研究者都基于MATLAB進(jìn)行數(shù)字圖像處理算法的設(shè)計(jì)[3-5]。

采用MATLAB軟件作為原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有可靠和快速的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在三個(gè)缺點(diǎn)。第一，由于MATLAB是一個(gè)商業(yè)軟件，軟件的版權(quán)費(fèi)用比較昂貴。第二，MATLAB對(duì)相應(yīng)的圖像處理算法行了封裝。因此，很難有機(jī)會(huì)看到相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)代碼。第三，在MATLAB中開(kāi)發(fā)的程序必須要有MATLAB的運(yùn)行庫(kù)支持，脫離了MATLAB環(huán)境就無(wú)法運(yùn)行。

1.2 基于C和C++語(yǔ)言的圖像處理算法設(shè)計(jì)

另外一類設(shè)計(jì)方案基于C和C++語(yǔ)言。C語(yǔ)言是很多圖像處理和數(shù)值分析庫(kù)的首選編程語(yǔ)言。但是，使用C語(yǔ)言需要通過(guò)指針訪問(wèn)圖像數(shù)據(jù)，而且需要手動(dòng)進(jìn)行內(nèi)存的分配和釋放。因此在使用C語(yǔ)言進(jìn)行算法設(shè)計(jì)的時(shí)候，往往會(huì)把注意力轉(zhuǎn)移到其它和圖像處理無(wú)關(guān)的領(lǐng)域上面，而且C語(yǔ)言本身也沒(méi)有提供用戶界面接口環(huán)境。

隨著C++語(yǔ)言的普及，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始采用C++語(yǔ)言進(jìn)行圖像處理算法設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)大部分都是基于Visual C++環(huán)境，并且使用MFC完成相關(guān)的用戶界面接口。由于C++語(yǔ)言本身的復(fù)雜性，以及MFC具有相對(duì)陡峭的學(xué)習(xí)曲線，使得這個(gè)方案開(kāi)發(fā)效率不是很高。言內(nèi)容。

2 基于ImageJ的圖像處理算法設(shè)計(jì)

為了能夠解決以上提到的問(wèn)題，作者在進(jìn)行數(shù)字圖像處理工程實(shí)踐中，采用基于Java語(yǔ)言編寫的ImageJ平臺(tái)的算法仿真方案。通過(guò)一些項(xiàng)目的實(shí)踐，取得了不錯(cuò)的效果。下面對(duì)采Java語(yǔ)言和ImageJ平臺(tái)的原因進(jìn)行闡述。

2.1 采用Java語(yǔ)言的原因

隨著Java語(yǔ)言及其平臺(tái)的日益成熟，使得Java語(yǔ)言[6]在多個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。選擇Java語(yǔ)言的原因是（1）Java語(yǔ)言是跨平臺(tái)的，可以使用多個(gè)操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，例如Windows、Linux或者M(jìn)ac OS；（2）Java語(yǔ)言是免費(fèi)和開(kāi)放的；（3）Java語(yǔ)言帶有網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，這使得開(kāi)發(fā)基于Web的圖像處理系統(tǒng)更加方便；（4）Java語(yǔ)言帶有用戶界面庫(kù)AWT和Swing，可以將圖像處理算法和處理結(jié)果的可視化無(wú)縫銜接起來(lái)；（5）Java語(yǔ)言是面向?qū)ο蟮?，并且支持垃圾回收和良好的異常處理機(jī)制。這樣研究者更容易把注意力集中在算法實(shí)現(xiàn)上面，而不是指針的操作以及內(nèi)存的手動(dòng)分配與回收這些與問(wèn)題域無(wú)關(guān)的事物上面；（6）Java程序運(yùn)行速度很快，這意味著可以得到算法運(yùn)行結(jié)果的即時(shí)反饋，即實(shí)時(shí)性。

2.2 采用ImageJ的原因

ImageJ是由美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生總局的維恩開(kāi)發(fā)的一個(gè)功能強(qiáng)大的圖像處理和分析軟件[7]，在全世界被很多生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)圖像處理研究者應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)圖像處理研究[8]。由于ImageJ本身是使用Java語(yǔ)言編寫的，因此可以運(yùn)行在任何一個(gè)安裝了Java虛擬機(jī)的操作系統(tǒng)上面。同時(shí)，在ImageJ的網(wǎng)站上也提供了相應(yīng)的源程序和幫助文檔下載，研究者可以通過(guò)下載ImageJ的源代碼對(duì)ImageJ內(nèi)部的工作機(jī)制和原理進(jìn)行分析。最重要的是ImageJ的設(shè)計(jì)基于插件架構(gòu)體系，可以通過(guò)編寫插件對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展。利用ImageJ的插件機(jī)制，可以將不同的圖像處理算法編寫為相應(yīng)的插件。通過(guò)Java虛擬機(jī)和ImageJ提供的插件動(dòng)態(tài)加載功能，當(dāng)用戶對(duì)插件進(jìn)行更改以后，直接編譯就可以在ImageJ中進(jìn)行加載和運(yùn)行，而無(wú)需重新啟動(dòng)應(yīng)用程序，即提供了所謂“熱拔插”的功能。

3 圖像處理算法設(shè)計(jì)示例

下面將通過(guò)兩個(gè)例子來(lái)說(shuō)明如何基于ImageJ平臺(tái)進(jìn)行數(shù)字圖像處理算法設(shè)計(jì)。通過(guò)這兩個(gè)例子可以看到ImageJ的插件機(jī)制為圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)提供了一個(gè)非常好的平臺(tái)。

3.1 數(shù)字濾波

隨著數(shù)字濾波是圖像平滑和銳化算法的理論基礎(chǔ)[9]。論文實(shí)現(xiàn)了數(shù)字濾波的兩種算法，一種使用不可分離算法，另外一種使用可分離的算法。一個(gè)大小為m*n的濾波器，對(duì)于每個(gè)像素，不可分離算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(m*n)，可分離算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(m+n)。因此，可分離算法在模塊化和計(jì)算時(shí)間方面更有優(yōu)勢(shì)。

算法1 垂直邊緣濾波器的不可分離算法

public ImageProcessor nonseparable(ImageProcessor input) {

int w = input.getWidth();

int h = input.getHeight();

ImageProcessor output = new ImageProcessor(w, h);

double[][] block = new double[3][3];

double value = 0.0;

for (int x = 0; x < w; x++) {

for (int y = 0; y < h; y++) {

input.getNeighborhood(x, y, block);

value = (block[2][0] - block[0][0] + block[2][1] - block[0][1] + block[2][2] -block[0][2])/6.0;

output.putPixel(x, y, value);}}

return output;}

算法2 垂直邊緣濾波器的可分離算法

public ImageProcessor separable(ImageProcessor input) {

int w = input.getWidth();

int h = input.getHeight();

ImageProcessor output = new ImageProcessor(w, h);

double rowin[]= new double[w];

double rowout[] = new double[w];

for (int y = 0; y < h; y++) {

input.getRow(y, rowin);

difference(rowin, rowout);

output.putRow(y, rowout);}

double colin[]= new double[h];

double colout[] = new double[h];

for (int x = 0; x < nx; x++) {

output.getColumn(x, colin);

average(colin, colout);

output.putColumn(x, colout);}

return output;}

private void average(double in[], double out[]) {

int n = in.length;

out[0] = (2.0 * in[1] + in[0]) / 3.0;

for (int k=1; k

out[k] = (in[k-1] + in[k] + in[k+1]) / 3.0;}

out[n-1] = (2.0 * in[n-2] + in[n-1]) / 3.0;}

private void difference(double in[], double out[]) {

int n = in.length;

out[0] = 0.0;

for (int k=1; k

out[k] = (in[k+1] - in[k-1])/2.0;}

out[n-1] = 0.0;}

表1列出了ImageJ的均值濾波的測(cè)試時(shí)間，測(cè)試環(huán)境為：512 x 512的灰度圖像，JRE 1.6.0_21，Intel Core Quad/2.33GHz，4GB RAM。從表1中可以看到可分離算法相對(duì)于不可分離算法的優(yōu)勢(shì)，特別是當(dāng)濾波器尺寸加大以后更加明顯。

3.2 小波變換

另外一個(gè)例子是實(shí)現(xiàn)可分離的二維Haar小波變換[10]。

算法3 二維Haar小波變換

public ImageProcessor analysis(ImageProcessor input, int nbScale) {

int nx = input.getWidth();

int ny = input.getHeight();

ImageProcessor output = input.duplicate();

ImageProcessor buffer;

for (int i=0; i

buffer = new ImageProcessor(nx, ny);

ouput.getSubImage(0, 0, buffer);

buffer = split(buffer);

output.putSubImage(0, 0, buffer);

nx = nx / 2;

ny = ny / 2;}

return output;}

private ImageProcessor split(ImageProcessor input) {

int nx = input.getWidth();

int ny = input.getHeight();

ImageProcessor output= new ImageProcessor(nx, ny);

double rowin[]= new double[nx];

double rowout[] = new double[nx];

for (int y=0; y

input.getRow(y, rowin);

split_1D(rowin, rowout);

output.putRow(y,rowout);}

double colin[] = new double[ny];

double colout[] = new double[ny];

for (int x=0; x

output.getColumn(x, colin);

split_1D(colin, colout);

output.putColumn(x,colout);}

return output;}

private void split_1D(double in[], double out[]) {

int n = in.length / 2;

double sqrt2 = Math.sqrt(2.0);

int k1;

for (int k=0; k

k1 = 2 * k;

out[k] = (in[k1] + in[k1+1]) / sqrt2;

out[k+n] = (in[k1] - in[k1+1]) / sqrt2;}}

圖1是基于ImageJ設(shè)計(jì)的Haar小波變換仿真的運(yùn)行結(jié)果。

3 結(jié)論

論文提出的基于ImageJ軟件的數(shù)字圖像處理算法設(shè)計(jì)方案對(duì)傳統(tǒng)的基于MATLAB和C/C++語(yǔ)言的方案是一個(gè)非常好的補(bǔ)充。通過(guò)相關(guān)的兩個(gè)實(shí)例也展現(xiàn)了這種方案在實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖象處理算法時(shí)的簡(jiǎn)潔和快速，對(duì)于研究者設(shè)計(jì)和驗(yàn)證新的圖像處理算法是一個(gè)非常好的平臺(tái)。同時(shí)由于ImageJ基于插件的架構(gòu)體系設(shè)計(jì)，使得研究者可以將不同的圖像處理算法編寫為相應(yīng)的插件，對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)充和二次開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 賈永紅.現(xiàn)代化教學(xué)手段在數(shù)字圖像處理教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].測(cè)繪通報(bào),2006(1).

[5] 張國(guó)琴,吳周橋.MATLAB在數(shù)字圖像處理教學(xué)中的應(yīng)用[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào),2005(10).

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[7] Image J.rsb.info.nih.gov/ij[CP/OL].

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數(shù)字圖像處理論文范文第3篇

論文關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理,方差,均方差,衛(wèi)星圖像

遙感有著高效、快捷且不受時(shí)間空間限制的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)、林、地、礦、軍事等諸多領(lǐng)域。通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)獲得的地球表面客體或事物的衛(wèi)星遙感圖像也越來(lái)越多地應(yīng)用在地球資源的調(diào)查、自然災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、氣象衛(wèi)星云圖處理以及用于軍事目的的地面目標(biāo)識(shí)別等各個(gè)方面。有著遙感作用的NOAA氣象衛(wèi)星的運(yùn)行周期短、覆蓋面廣，目前正廣泛受到人們的關(guān)注，并作用于農(nóng)業(yè)估產(chǎn)、林火監(jiān)測(cè)、漁況預(yù)報(bào)、城市熱島等方面。但是，NOAA衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)的使用效率并不高，再加上云的存在，使衛(wèi)星資料反演的各種參數(shù)出現(xiàn)誤差，而對(duì)于同一幅NOAA衛(wèi)星圖像中的薄云和濃云的處理目前還未見(jiàn)到很適用算法，所以，研究時(shí)效性的除云算法在軍事、環(huán)境、氣候、自然災(zāi)害等領(lǐng)域有重要的意義和研究?jī)r(jià)值。

1云檢測(cè)方法

根據(jù)同一衛(wèi)星圖像，它在各個(gè)分量上的水汽、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等氣體據(jù)有相同的屬性參數(shù)，截取目標(biāo)區(qū)域圖像和該區(qū)域附近的無(wú)云樣品區(qū)域進(jìn)行處理。

由于云是不穩(wěn)定因子，它隨時(shí)間和空間變化而變化，即不同季節(jié)云的反射率和亮溫不同，不同空間高度云的反射率和亮溫又有所不同。因此，要能較好地識(shí)別云區(qū)范圍就要了解它的空間和時(shí)間分布特性，并采用行之有效的方法來(lái)解決這個(gè)難題。然而鑒于不同的云相對(duì)于植被、土壤、水域等不同下墊面在可見(jiàn)光和近紅外波段具有較高的反射率，而在熱紅外波段由較低的亮溫，這就給我們判云帶來(lái)了有利條件。針對(duì)與所選用的熱紅外通道，我們采用了以下幾種方法進(jìn)行了檢測(cè)云。

1.1單通道探測(cè)值閾值檢測(cè)

任取NOAA氣象衛(wèi)星的某一通道圖像資料，并給定一個(gè)云區(qū)灰度閾值，凡高于該閾值的像元皆為云。

1.2可見(jiàn)光和近紅外通道反射率閾值檢測(cè)

計(jì)算可見(jiàn)光和近紅外通道圖像的反射率，給定反射率閾值，凡高于該閾值的為云。

1.3紅外通道溫度閾值檢測(cè)

運(yùn)用普朗克公式計(jì)算紅外通道的亮溫和溫度，設(shè)立溫度閾值，凡低于該閾值的為云。

2除云方法討論

云檢測(cè)的目的是找出云影響的測(cè)量值，回歸晴空測(cè)量值后用于計(jì)算海面溫度。云檢測(cè)是基于觀測(cè)目標(biāo)自身的特性，比如，海面溫度梯度變化不大；在紅外和可見(jiàn)光波段中，海面較云頂有較高的溫度和低得多的反射率；海面和云頂在不同紅外窗區(qū)通道反射率上的差異等，推測(cè)出有云影響的數(shù)據(jù)。

在氣候變化中，云與輻射起著關(guān)鍵的作用，云層影響著地球的輻射收支地球表面溫度以及氣候變化趨勢(shì)。遙感圖像處理中，與覆蓋時(shí)最常見(jiàn)的噪聲之一，它不僅對(duì)圖像的處理帶來(lái)諸多困難。

2.1國(guó)外遙感溫度研究

從70年代開(kāi)始，研究者開(kāi)始嘗試從機(jī)理方面著手研究亮溫與地表溫度的關(guān)系。由于衛(wèi)星獲得的亮溫是由大氣頂層接收的輻射亮度值換算而成的，而大氣對(duì)遙感器接收地表信息的影響較大，所以早期的研究主要集中于大氣輻射校正上。到目前為止，己經(jīng)研究出很多輻射校正方法，但是這些方法大部分都需要其它氣象數(shù)據(jù)的支持，比如不同高度的大氣濕度等。

大氣校正方法比較煩瑣，后來(lái)有的學(xué)者基于相鄰波段大氣吸收特性提出了一種全新的方法，直接運(yùn)用兩個(gè)波段的亮溫?cái)?shù)據(jù)去推算地表的溫度。這就是一種比較簡(jiǎn)單有效的溫度反演方法，即分窗口技術(shù)法(Split-windowTechnology)，該方法可在少量的地表參數(shù)支持下從氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演出地表溫度。目前溫度反演研究主要集中在NOAA衛(wèi)星圖像的熱紅外波段。

2.2國(guó)內(nèi)遙感溫度研究

國(guó)內(nèi)在遙感地表溫度研究中主要采用的還是數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，此后沿襲這些研究思路和研究方法，特別是中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所在土壤水分方面進(jìn)行了大量的研究，但是作為其中最為重要的參數(shù)之一的地表溫度的研究卻進(jìn)展不大，沒(méi)有跟上國(guó)際上由數(shù)理統(tǒng)計(jì)研究取得的結(jié)果。

北京大學(xué)學(xué)者提出了一種新的改進(jìn)分窗口技術(shù)方法，該方法的特色之處在于引入相鄰像元的概念。研究者給定了兩種情況下的溫度反演法，第一種情況是假設(shè)地表輻射率已知，然后運(yùn)用迭代反演方法求解地表溫度。該方法模擬結(jié)果與其它共5種模型結(jié)果分析比較，精度有較大的提高。第二種情況是地表輻射率未知，來(lái)反演地表溫度與輻射率。這時(shí)采用雙通道雙像元法去求解相應(yīng)的參數(shù)。通過(guò)模擬計(jì)算取得了較好的精度，在大氣廓線總水汽含量誤差小于10%時(shí)，反演的溫度均方根誤差0.7。輻射率均方根誤差0.013，地表輻射項(xiàng)的均方根誤差小于0.6%，己經(jīng)可以滿足陸地表面溫度反演1的精度要求。

雙通道雙像元法是經(jīng)典分窗口技術(shù)法的延伸，利用相鄰像元間輻射率之間的關(guān)系，在地表輻射率未知的情況下反演地表溫度是個(gè)很好的方法。但是該方法也有局限性，在大氣水汽含量誤差大于20%時(shí)，反演的溫度誤差就會(huì)顯著增加。

陸面溫度反演中分窗口技術(shù)法經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，反演精度有所提高，但是這些改進(jìn)的方法還沒(méi)有達(dá)到大面積應(yīng)用階段，更不能像海溫研究那樣進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行階段，因此，要達(dá)到陸面溫度反演的實(shí)用化程度，還需要繼續(xù)拓展。最近幾年遙感界出現(xiàn)了一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域，就是多角度遙感數(shù)據(jù)反演研究，這個(gè)方法可能為組分溫度遙感提供一個(gè)新的思路。

參考文獻(xiàn)

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3 何東健,耿楠,張義寬. 數(shù)字圖像處理[M],西安電子科技大學(xué)出版社,2003.

4 陳良富,徐希儒.陸面溫度反演的新進(jìn)展[J],國(guó)土資源遙感,1999,3:47-50.

數(shù)字圖像處理論文范文第4篇

關(guān)鍵詞：稀疏表示 圖像質(zhì)量 幾何結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2012）12（c）-00-01

1993年Mallat和Zhang提出了信號(hào)的稀疏表示，在信號(hào)逼近上取得了出色的表現(xiàn)，迅速引起了廣大學(xué)者的普遍關(guān)注，信號(hào)稀疏表示研究很快被從一維信號(hào)推廣到二維信號(hào)圖像的研究上。

稀疏表示的模型可以表示為：

式中為向量的l0范數(shù)，表示向量x中非零元素的個(gè)數(shù)，x即為信號(hào)y的稀疏表示。

在數(shù)字圖像處理中，由于圖像的數(shù)據(jù)信息具有冗余性，為冗余字典，因此可以在冗余字典上進(jìn)行稀疏表示，y則為圖像子塊的列向量表示。如何構(gòu)造表達(dá)能力強(qiáng)、訓(xùn)練簡(jiǎn)單的冗余字典是圖像處理中的關(guān)鍵一步，自稀疏表示理論的提出，在圖像去噪、去模糊、超分辨率、圖像修復(fù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，取得了比傳統(tǒng)方法更好的處理結(jié)果。

1 稀疏表示理論在提高數(shù)字圖像質(zhì)量中的應(yīng)用

Michael Elad是較早將稀疏表示理論應(yīng)用于圖像去噪與超分辨率的代表人物[1]，他將K均值聚類方法引入字典訓(xùn)練過(guò)程中。在K均值算法中，求解一個(gè)包括K個(gè)代碼的碼本，使得在此碼本上，根據(jù)最鄰近分配法則，對(duì)包含N個(gè)信號(hào)的集合進(jìn)行分類，得到最佳分類。在稀疏表示中，稀疏表示的過(guò)程可以看做廣義矢量量化過(guò)程，其中的每個(gè)信號(hào)用多個(gè)代碼的線性組合表示。當(dāng)要求K-SVD中的每個(gè)信號(hào)只能用一個(gè)原子來(lái)近似時(shí)，K-SVD算法就退化為K均值算法。K-SVD在稀疏編碼與字典更新之間交替迭代，保證總誤差單調(diào)下降，因此可保證能收斂到局部（或全局）最小值，從而得到性能優(yōu)良的過(guò)完備字典。K-SVD訓(xùn)練字典方法廣泛的應(yīng)用在圖像復(fù)原問(wèn)題上?；贙-SVD訓(xùn)練得到的過(guò)完備字典，取得了較好的圖像去噪與超分辨率結(jié)果。

統(tǒng)計(jì)學(xué)中的主成分分析（PCA）的概念，也被引入到字典訓(xùn)練當(dāng)中。在統(tǒng)計(jì)學(xué)當(dāng)中，變量個(gè)數(shù)太多會(huì)增加問(wèn)題的復(fù)雜性主成分分析作為一種統(tǒng)計(jì)分析方法，它可以從多元事物中解析出主要影響因素，簡(jiǎn)化復(fù)雜問(wèn)題。PCA的核心思想，就是將高維數(shù)據(jù)投影到低維空間。尋找 r 個(gè)新變量，使其反映事物的主要特征，每個(gè)新變量是原有變量的線性組合，體現(xiàn)原有變量的綜合效果，則這 r 個(gè)新變量稱之為“主成分”，它們兩兩正交不相關(guān)。這 r 個(gè)主成分可以在很大程度上反映原來(lái)變量的信息。Hui Zou引入了SPCA（Sparse PCA）的概念，他修改了傳統(tǒng)的PCA方法，利用主成分負(fù)載的稀疏性，使算法變得更加易懂，且得到更為稀疏的結(jié)果。

形態(tài)學(xué)成分分析（MCA）作為一種新興的信號(hào)分解方法，吸引了很多人的注意。MCA根據(jù)圖像信號(hào)組成成分的形態(tài)差異性，將圖像內(nèi)容分割為紋理區(qū)域和卡通區(qū)域。不同區(qū)域其擬合字典類型不同。小波變換可以很好的表示圖像光滑區(qū)域的特征，curvelet變換通過(guò)帶方向的局部傅里葉基，可以有效的處理邊緣特征。離散余弦變換（DCT）以及Gabor變換是紋理區(qū)經(jīng)常采用的兩種處理方式。MCA充分的考慮了圖像的結(jié)構(gòu)組成部分以及內(nèi)部特征，廣泛用于盲源分離、圖像分解、圖像修補(bǔ)等。

Julien Mairal將自然圖像的自相似性引入到圖像恢復(fù)模型中。圖像的自相似性，其根本是自然圖像的統(tǒng)計(jì)特征。Julien Mairal非局部模型與稀疏編碼結(jié)合成一個(gè)框架，將噪聲在相似塊之間進(jìn)行平均，取得了較好的去噪、去馬賽克結(jié)果。同樣，自相似性在圖像去模糊、圖像修補(bǔ)方面也展示了其良好的性能。

Weisheng Dong提出了一種新的圖像復(fù)原模型CSR，利用減小退化圖像分解系數(shù)與原圖分解系數(shù)之間的差異來(lái)達(dá)到復(fù)原圖像的目的，其本質(zhì)是自相似性的應(yīng)用。在超分辨率方面，他提出了自適應(yīng)稀疏域選擇超分辨率算法，認(rèn)為超分辨率重建結(jié)果的優(yōu)劣很大部分取決于稀疏域的選擇，對(duì)輸入的樣本先采用K-均值聚類，采用PCA算法進(jìn)行詞典訓(xùn)練，將非局部相似性（NL）和圖像去噪中的自回歸（AR）模型與超分辨率重建模型有效結(jié)合，提高了超分辨率重建質(zhì)量。

Nebojsa創(chuàng)造性的提出了圖像摘要的概念。他將圖像的特征提取為一幅摘要圖，在圖像處理過(guò)程中，對(duì)該摘要圖進(jìn)行分解處理，這是合理并且有效的。Louise 利用該思想，在圖像去噪方面取得了較好的去噪結(jié)果。

Kostadin在變換域，通過(guò)一組協(xié)作濾波器，將一幅圖像中結(jié)構(gòu)相似的二位塊聚合成一組，形成一個(gè)三維模型，以增強(qiáng)其表示的稀疏性。Aram利用該3D理論，建立了一個(gè)新的圖像模型―BM3D。BM3D在圖像復(fù)原方面表現(xiàn)了其卓越的性能。

最近，保持圖像幾何結(jié)構(gòu)的思想吸引了很多人的注意。Samy Bengio將圖像分割成相互重疊的塊，結(jié)構(gòu)相似的塊組成一個(gè)群組，分別對(duì)每個(gè)組進(jìn)行分解訓(xùn)練，這就是群組編碼的思想，其基本思想類似于非局部思想，也是利用了自然圖像的自相似性。關(guān)于結(jié)構(gòu)稀疏方面的研究展示了結(jié)構(gòu)分組比簡(jiǎn)單不重疊的分組更一般的特性。例如，樹(shù)狀分組或是重疊分組。結(jié)構(gòu)稀疏正則化具有十分廣闊的應(yīng)用前景。結(jié)構(gòu)稀疏PCA作為一種新型的有效的非凸稀疏方法，在字典訓(xùn)練方面，可以取得較為理想的結(jié)果。

縱觀稀疏表示理論出現(xiàn)以后的圖像處理論文，廣大研究者著重于研究如何獲得表示能力強(qiáng)的冗余字典，以及通過(guò)結(jié)合多重約束，如平滑約束，相似性約束，幾何結(jié)構(gòu)不變性約束等來(lái)得到高質(zhì)量的圖像，近年來(lái)取得了很大的進(jìn)展。但是稀疏表示屬于一種優(yōu)化問(wèn)題，涉及到字典學(xué)習(xí)和稀疏求解的計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，因而對(duì)于該理論在圖像的實(shí)時(shí)處理上受到了限制，因此如何縮短計(jì)算時(shí)間也是這個(gè)模型急需解決的問(wèn)題。

2 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了稀疏表示模型，重點(diǎn)對(duì)其在提高數(shù)字圖像質(zhì)量方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，最后指出稀疏表示模型在圖像處理中要實(shí)用化必須縮短計(jì)算時(shí)間。

數(shù)字圖像處理論文范文第5篇

摘要：本文主要介紹了基于結(jié)構(gòu)光雙目立體視覺(jué)技術(shù)的焊縫識(shí)別與測(cè)量的處理方法，實(shí)現(xiàn)了焊縫圖像識(shí)別與測(cè)量的自動(dòng)化。通過(guò)對(duì)已有算法的組合設(shè)計(jì)出了一套相應(yīng)的算法處理流程。重點(diǎn)研究了焊縫圖像預(yù)處理以及特征提取部分。在焊縫圖像預(yù)處理部分，采取中值濾波和灰度最大化對(duì)圖像進(jìn)行簡(jiǎn)要處理，并且結(jié)合后續(xù)處理步驟對(duì)灰度最大化算法進(jìn)行了一些改變，即只在焊縫邊緣附近進(jìn)行灰度最大化。在特征提取部分，分別介紹了兩種不同中心線提取的方法和基于最遠(yuǎn)距離的特征點(diǎn)提取方法。在以上工作的基礎(chǔ)上，運(yùn)用HALCON進(jìn)行編程并且開(kāi)發(fā)出一個(gè)MFC簡(jiǎn)單操作界面，將所有程序模塊進(jìn)行集成。實(shí)驗(yàn)部分首先驗(yàn)證了該視覺(jué)系統(tǒng)的有效性、穩(wěn)定性和精度，同時(shí)為了更加真實(shí)的模擬現(xiàn)實(shí)情況，我們還進(jìn)行了強(qiáng)光干擾實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了一些改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞焊縫視覺(jué)識(shí)別測(cè)量，圖像處理，特征提取，HALCON，干擾實(shí)驗(yàn)

Visual Recognition and Measurement of Weld Seam

Abstract: A vision processing method to identify and measure the weld seam based on structured light binocular stereo vision technology is described in this paper and we automated image recognition and measurement of weld seam. We design a corresponding algorithm processing by a combination of existing algorithms. This paper focuses on the pre-processing and feature extraction section of weld seam image. In image pre-processing part, we use the methods of median filtering and grayscale maximizing to process image briefly, and we change the grayscale maximizing method based on subsequent processing steps, that is, only use it near the edge of the weld seam. In the feature extraction part, we introduce two different methods to extract the centerline and the method of feature point extraction based on the distance. Based on the above work, we program with HALCON and develop a simple user interface of MFC, and then all program modules are integrated. In the experimental section, the validity，stability and accuracy of the visual system are verified, and at the same time, we also conduct a light interference experiments for a more realistic simulation of the actual situation. Finally we analyze the experimental data and make ​​some improvements.

Keywords:Visual measurement and recognition of weld seam, image processing, feature extraction, HALCON, interference experiment

1 緒論

視覺(jué)識(shí)別與測(cè)量以計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)為基礎(chǔ)，涉及光學(xué)、光電子學(xué)、信號(hào)處理、圖像處理等一系列學(xué)科。其快速發(fā)展使得這一技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室研究開(kāi)始慢慢走向?qū)嶋H生產(chǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景，逐漸受到各類研究人員的重視，已成為生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)之一。鑒于焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及焊接過(guò)程中各種因素的影響，焊接之后焊縫尚無(wú)法達(dá)到很高的質(zhì)量，焊縫的后續(xù)處理短期內(nèi)無(wú)法避免。要獲得質(zhì)量較高的焊縫就需要進(jìn)行后期的焊縫磨拋，而人工打磨費(fèi)時(shí)費(fèi)力，勞動(dòng)強(qiáng)度大，還不能保證打磨質(zhì)量。因此研究焊縫視覺(jué)識(shí)別與測(cè)量對(duì)磨拋過(guò)程實(shí)現(xiàn)智能化和自動(dòng)化是一項(xiàng)非常有意義的工作。本論文旨在通過(guò)組合設(shè)計(jì)一套焊縫圖像的識(shí)別與測(cè)量的算法流程，并且進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證以及改進(jìn)。

2 視覺(jué)算法

首先介紹一下雙目立體視覺(jué)技術(shù)，雙目立體視覺(jué)技術(shù)基于視差原理，兩攝像機(jī)同時(shí)記錄下空間某一物體的同一特征點(diǎn)，分別獲得點(diǎn)P的圖像。由P在圖像上所處的位置通過(guò)一些換算可以求得P在左右攝像機(jī)坐標(biāo)系下的，然后通過(guò)坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)與平移可以得到P點(diǎn)的三維坐標(biāo)。為了便于理論分析及計(jì)算，對(duì)實(shí)際情況情況進(jìn)行適當(dāng)轉(zhuǎn)化做出其原理圖，如圖2.1所示。

圖2.1 雙目視覺(jué)技術(shù)原理圖

上述雙目立體視覺(jué)原理在本論文中很多地方都有運(yùn)用，包括CCD標(biāo)定原點(diǎn)獲取以及三維測(cè)量，在后續(xù)不再介紹。

獲取焊縫的圖像之后，由于采集現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾，在對(duì)圖像進(jìn)行特征提取之前需要采取相應(yīng)的措施降低圖像的各種干擾，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，在不破壞圖像保存的原有信息的前提下使焊縫更加便于后續(xù)的處理。此處重點(diǎn)介紹中值濾波去噪、灰度最大化等過(guò)程，這些對(duì)于后期焊縫輪廓以及特征點(diǎn)的提取有較大的影響，直至影響最終的測(cè)量結(jié)果。

中值濾波通常用于去除圖像中的噪聲以及毛刺，它是一種基于排序統(tǒng)計(jì)理論非線性信號(hào)處理技術(shù)，其基本思路是將待處理數(shù)字圖像中某一點(diǎn)的灰度值用該點(diǎn)附近鄰域中各點(diǎn)灰度值的中值來(lái)代替，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。處理效果如下圖2.2所示。

圖2.2 中值濾波后焊縫圖像對(duì)比

灰度最大化處理指的是將原圖像的灰度值范圍擴(kuò)大到0至255，一般對(duì)整體偏暗或者偏亮的圖像處理效果明顯。在對(duì)采集到的焊縫圖像進(jìn)行觀察過(guò)之后，我們可以發(fā)現(xiàn)由于激光的能量是比較強(qiáng)的，其亮度一般較大，而背景處很暗，正常的灰度最大化處理效果不明顯。在本課題中，我們只關(guān)注某一灰度范圍內(nèi)的灰度值，即焊縫邊緣處附近的灰度。此處對(duì)邊緣灰度最大化稍加改變，使得其只作用在焊縫邊緣處，而背景和焊縫中心處的灰度被設(shè)置為0或者255。不僅使圖像對(duì)比更明顯而且達(dá)到了二值化的效果，剔除了一些不必要的干擾。處理效果如圖2.3。

圖2.3 經(jīng)灰度最大化處理后焊縫圖像對(duì)比

在提取出焊縫的輪廓之后，可以將焊縫上下兩條輪廓的行坐標(biāo)相加取平均值，列坐標(biāo)不變得到焊縫中心線，如圖2.4所示。也可以由HALCON中自帶的算子直接提取焊縫中心線，它提取中心線是在輪廓曲線法方向上進(jìn)行的。如圖2.5所示。

圖2.4 輪廓平均值方法求得的焊縫中心線

圖2.5 直接求得的焊縫中心線

在得到焊縫中心線之后，我們就需要在中心線上找出關(guān)鍵點(diǎn)，用于計(jì)算焊縫的參數(shù)。如圖2.6所示，B、C、D三點(diǎn)為關(guān)鍵點(diǎn)，可以通過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行提取。以C點(diǎn)為例，連接AE并且將中心線繞A旋轉(zhuǎn)至AE水平找到曲線上行坐標(biāo)的最大值，該最大值處所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的坐標(biāo)就是特征點(diǎn)C。同理可以找到B點(diǎn)和D點(diǎn)。找到左右目圖像的特征點(diǎn)之后可以還原他們?cè)谑澜缱鴺?biāo)中的三維坐標(biāo)，從而可以計(jì)算出焊縫的相關(guān)參數(shù)。

圖2.6 焊縫特征點(diǎn)提取示意圖

3 焊縫視覺(jué)軟件開(kāi)發(fā)

程序框架如下圖3.1所示，第一步在HALCON中編寫各個(gè)模塊的組成程序，如二值化、中值濾波、邊緣提取等等，然后在HALCON 中將其組合，使其能實(shí)現(xiàn)某一功能，比如圖像增強(qiáng)、特征提取等等，在這之后我們將HALCON程序轉(zhuǎn)存為VC程序，并且建立起對(duì)應(yīng)的程序工程，使其可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的功能。最后編寫MFC界面，在每個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)的位置添加相應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)調(diào)用之前的各個(gè)功能模塊，將所有程序集合在一起，通過(guò)界面響應(yīng)外界的操作。集成之后的軟件如圖3.2所示。

圖3.1 程序總體框架

圖3.7 MFC主要界面

4實(shí)驗(yàn)分析及研究

在測(cè)得實(shí)際數(shù)據(jù)（如圖4.3）之后，我們使用視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)相同的焊縫段進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)比較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和視覺(jué)測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證算法的有效性。為避免實(shí)驗(yàn)的偶然性，我們采用視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)劃定好的焊縫重復(fù)測(cè)量三次，另一方面還能驗(yàn)證該套視覺(jué)處理系統(tǒng)的重復(fù)穩(wěn)定性，即對(duì)同一段焊縫在完全相同的條件測(cè)量多次觀察每次測(cè)量的數(shù)據(jù)是否一致。實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如下圖4.2所示。

圖4.1 視覺(jué)測(cè)量與實(shí)測(cè)焊縫余高對(duì)比圖 4.2 視覺(jué)測(cè)量與實(shí)測(cè)焊縫余高對(duì)比綜合圖

由圖4.1易知，視覺(jué)測(cè)得數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間并沒(méi)有特別大的差距，其變化趨勢(shì)也基本一致，這說(shuō)明該視覺(jué)系統(tǒng)具有一定的可用性。從實(shí)驗(yàn)平均值來(lái)看，實(shí)測(cè)平均值為1.8923mm視覺(jué)測(cè)量平均值為1.8057mm，誤差大概為5%。從圖4.2可以看出，使用視覺(jué)測(cè)量時(shí)，三次測(cè)量結(jié)果之間沒(méi)有明顯差異，數(shù)據(jù)幾乎一致，只存在很小的差別，考慮到現(xiàn)實(shí)測(cè)量過(guò)程中存在各種各樣的隨機(jī)誤差，這些差異應(yīng)該是被允許的。

圖4.3 焊縫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖 4.4 強(qiáng)光干擾下視覺(jué)系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比

在實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)往往有可能出現(xiàn)強(qiáng)光干擾，這對(duì)于圖像采集而言影響特別大，會(huì)使采集到的圖像嚴(yán)重失真，存在很嚴(yán)重的噪點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)可能無(wú)法提取像素的有用信息，使得圖像失去其意義，如圖4.5右半部分。為防止這種情況出現(xiàn)，我們進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)光干擾實(shí)驗(yàn)，并且提出相應(yīng)的解決措施。在實(shí)驗(yàn)之前我們先采集在手電筒光照下的圖片，觀察發(fā)現(xiàn)干擾較強(qiáng)時(shí)，圖片質(zhì)量很低，幾乎不能獲得什么有用信息，如圖4.4右目圖像所示。為解決這一問(wèn)題，我們使用了窄帶濾波片，濾除不必要的干擾光，只讓激光器的光所對(duì)應(yīng)的頻率光通過(guò)攝像機(jī)鏡頭。其后獲得的圖像對(duì)比如圖：

圖4.4 強(qiáng)光干擾下加濾光片前后采集圖片對(duì)比圖

由上圖可以明顯看出，加上濾光片之后采集到的圖片質(zhì)量有很大改善，右邊圖像明顯無(wú)法進(jìn)行利用，而左目圖像則可以進(jìn)行處理。在加濾光片的條件下，我們使用LED手電筒做干擾光源，在焊縫上方一米處垂直照射焊縫模擬強(qiáng)光煩擾情況，并且持續(xù)到所有焊縫圖片采集結(jié)束。重復(fù)進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)，用來(lái)研究強(qiáng)光 干擾下系統(tǒng)的性能。此處給出其中一組數(shù)據(jù)如圖4.4。強(qiáng)光干擾下測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如上圖綠線所示，其平均值為1.7953mm，與之前視覺(jué)所測(cè)的數(shù)據(jù)相差不大，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的差距也沒(méi)多大變化。可以看出在加上濾光片的前提下，強(qiáng)光對(duì)該系統(tǒng)測(cè)量性能影響不大。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)已有算法的組合，設(shè)計(jì)出一套從焊縫圖像預(yù)處理到特征提取，最后獲得焊縫具體參數(shù)的算法流程。在軟件方面，用HALCON對(duì)各個(gè)圖像處理模塊進(jìn)行了編程，在VC環(huán)境中配置了HALCON函數(shù)庫(kù)，并且制作了MFC界面使各個(gè)程序模塊能夠在該界面下集成。在上述工作基礎(chǔ)上，進(jìn)行了算法有效性和穩(wěn)定性試驗(yàn)以及強(qiáng)光干擾試驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理并且進(jìn)行了一些改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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