（交通信息工程及控制专业论文）一种图片处理系统的设计与实现.pdf

摘要 随着数码相机的普及，原始照片不能满足应用需求，操作简捷、 实用的数码照片再处理方法成为一种需要。本文通过对比通用型和专 用型图片再处理系统的特点，针对邮政系统个性化明信片制作以及旅 游景点现场照片再处理的需要，提出了一种新型的图片处理系统，利 用该系统可实现对数码照片的再处理。 首先，本文阐述图像了几何变换和色彩变换原理，针对图像在变 换过程中涉及到浮点数运算、需要对灰度值进行插值处理的问题，本 系统在对比常用的三种插值方法基础上采用双线性插值方法进行插 值。 其次，本文完成了图片合成系统的整体设计，并对各个功能模块 进行设计，实现了各个模块的功能。功能模块包括：几何调整、色彩 调整、添加修饰。其中，添加修饰由三个模块组成，即：添加边框和 修饰图、添加文字以及手动签名。 最后，在系统终端，针对屏幕闪烁现象，利用双缓冲技术解决了 窗体频繁重绘时产生的屏幕闪烁问题；针对图像合成时的背景透明问 题，利用透明位图制作技术，实现了多幅图片的无痕合成；针对照片 定位过程操作步骤过多的问题，利用基于肤色的人脸识别技术实现了 照片的快速定位，从而减少操作步骤，提高操作速度。 图片处理系统以v i s u a l2 0 0 5 为开发平台，c + + 为开发语言，充 分运用微软提供的m f c 库，采用多线程技术、数据库技术，实现了对 图片文件的快速存取，完成了系统功能的开发，提供了友好的用户界 面。 本系统在多个旅游景点得到了很好的应用，基本满足用户需求。 关键词图像合成，双缓冲，透明位图，照片定位 a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a t i o no fd i g i t a lc a m e r a s ，o w nt ot h eo r i g i n a lp h o t o s w h i c hd o n tm e e tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s ，ak i n do fs i m p l ea n d p r a c t i c a lr e p r o c e s s i n gd i g i t a lp h o t o s i sn e e d e d c o n t r a s tw i t ht h e u n i v e r s a la n ds p e c i a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m ，t h i st h e s i sp u t sf o r w a r da n e wk i n do fi m a g ep r o c e s s i n gs y s t e ms p e c i a l l yd e s i g n e df o rp e r s o n a l i z e d p o s t c a r da n dt h ep h o t o sr e p r o c e s s i n gi nt o u r i s ta t t r a c t i o n s ，w h i c hc a nb e u s e df o rr e p r o c e s s i n gt h ed i g i t a lp h o t o s f i r s t l y , t h et h e o r yo ft h ep h o t o s g e o m e t r i ct r a n s f o r m a t i o na n dc o l o r t r a n s f o r m a t i o na r e i n t r o d u c e d a c c o r d i n g t ot h ep r o b l e m sa b o u tt h e f l o a t i n g p o i n to p e r a t i o ni nt r a n s f o r m a t i o np r o c e s so fi m a g e sa n dt h e i n t e r p o l a t ep r o c e s s i n go f 铲a yv a l u e c o m p a r i n gw i t ht h r e ek i n d so f i n t e r p o l a t i o nm e t h o d s ，t a k eu s eo fb i l i n e a ri n t e r p o l a t i o ni nt h i ss y s t e m s e c o n d l y , t h eo v e r a l ld e s i g no fi m a g es y n t h e s i ss y s t e mi sc o m p l e t e d ， a n da l s oe a c ho ff u n c t i o nm o d u l e ，r e a l i z i n gt h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l e f u n c t i o n a lm o d u l e sw h i c hi n c l u d e g e o m e t r i ca d j u s t m e n t ，c o l o r a d j u s t m e n ta n dm o d i f i c a t i o n a m o n gt h e m ，a d d i n gt h em o d i f i c a t i o ni s c o n s i s t so ft h r e em o d u l e s ，t h a ta r et oa d db o r d e r sa n dm o d i f i c a t i o np l a n s ， t oa d dt e x ta n dm a n u a ls i g n a t u r e s f i n a l l y , a tt h et e r m i n a ls y s t e mt a k et h ed o u b l eb u f f e r i n gt e c h n o l o g y t or e s o l v et h ep r o b l e ma b o u tr e d r a w i n gw i n d o w sf r e q u e n t l y r e a l i z i n g f l a w l e s s s y n t h e s i s o fl o t so f p i c t u r e su s i n gt r a n s p a r e n tb i t m a p m a n u f a c t u r et e c h n o l o g yt ot h et r a n s p a r e n tb a c k g r o u n do fi m a g es y n t h e s i s ； s a m e l y , c a r r y i n go u tt h ep h o t o sp o s i t i o n i n gr a p i d l yb yf a c er e c o g n i t i o n t e c h n o l o g yw h i c hb a s e do ns k i nc o l o r , s ot h a tt or e d u c et h eo p e r a t i n g p r o c e d u r e s ，c a ni m p r o v et h eo p e r a t i o ns p e e d ，s ot h a tc a l ls o l v et h e p r o b l e m sa b o u to p e r a t i n gp r o c e d u r e se x c e s s i v ed u r i n gl o c a t i n gt h e p r o c e s so fp h o t o s t h ed e v e l o p m e n to fi m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mi sb a s e do nv s 2 0 0 5 p l a t f o r m ，a n di t sd e v e l o p m e n tl a n g u a g ei sc + + ，w h i c hm a k i n gu s eo f m f cp o o le m p l o y i n gt h em u l t i l i n et e c h n o l o g ya n dd a t a b a s et e c h n o l o g y t oc o m p l e t et h ef u n c t i o n so ft h es y s t e md e v e l o p m e n t ，a n do f f e r sa f r i e n d l yi n t e r f a c e t h i ss y s t e mm a k e sap o p u l a ra p p l i c a t i o ni nt o u r i s t a t t r a c t i o n s ， l i m e e t i n gt h ed e m a n d so fu s e r s k e yw o r d s i m a g es y n t h e s i s ，d o u b l e b u f f e r i n g ，t r a n s p a r e n tb i t m a p ， p h o t ol o c a t i o n i i i 硕士学位论文第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 随着数码相机的普及，原始照片不能满足应用需求，数码照片的二次处理方 法成为一种需要。现有的图像二次处理系统主要分为两大类：以p h o t o s h o p 为 代表的通用型处理系统和以大头贴制作系统为代表的专用型处理系统。前一类通 用系统功能比较强大，可以实现比较理想的效果，但操作复杂，使用者需要具备 一定的专业基础；后一类专用处理系统，以大头贴为例，操作简捷，不需要具备 专业基础就可正常操作，但功能比较单调，只能对图片进行简单的操作处理，而 且照片要在大头贴机上采集，照片的质量无法保证。 基于上述原因，本文致力于开发一款功能丰富、操作简捷的数码照片二次处 理系统。本系统的开发，主要应用于邮政系统个性化明信片的制作，以及旅游景 点、学校、广场等人流量大的地方进行现场照片再处理。在功能上参考通用型处 理系统的特点，自带不同类型的边框和修饰图供用户选择，对比专用型处理系统 功能单调的弊端，扩展功能模块，完善系统功能；在操作上参考专用型处理系统 的特点，模块化处理系统功能，一键式操作；在照片来源上，对比大头贴专用处 理系统只能现场拍照，无法保证照片质量的弊端，本系统能够处理外部存储的图 片数据。 以上介绍的图片处理系统，无论是从经济角度还是从实用角度，都能使用户 在使用上比较方便，操作简捷、实用，使用户得到了最大的便利化。所以说，图 片处理系统具有重要理论意义和应用价值。 1 2 图片处理系统的现状 当前国内外图片二次处理系统大致包括以下两大类： l 、以a d o b e 公司开发的p h o t o s h o p 为代表的通用处理系统。 a d o b e 公司开发的p h o t o s h o p 是公认的最好的通用型图片二次处理软件，其 性能非常稳定，功能非常强大，几乎包含所有的数字图像处理技术，可以完美的 实现理想的平面图像效果，是进行图像再处理操作的首选。 这类通用系统功能非常强大，与之对应的是操作比较细腻，需要掌握的操作 技术比较多，需要长时间的专业学习才能很好的使用，对操作人员的水平要求比 较高。此类通用型系统操作名称包含大量的专业术语，操作人员不仅要学习软件 操作技术，还需要掌握一定的数字图像理论知识，这样才能真正的理解软件的使 用方法。 硕十学位论文 第一章绪论 通用型图像二次处理系统操作复杂，对操作技术和专业理论知识要求比较 高，操作人员需要进行长时间的学习和应用才能熟练的使用。 2 、以大头贴制作系统为代表的专用处理系统。 大头贴制作系统是专用处理系统的代表。大头贴制作系统操作简单，无需具 备专业基础就能使用，具有很强的易用性和使用针对性。 专用型图片二次处理系统是图像处理技术在某一个或某几个方面的应用。此 类系统根据市场要求产生，主要定位在d i y ( d oi ty o u r s e l f ) ，特点是简单、实 用，功能模块化处理，用尽可能少的操作实现目的要求。 此类系统简单、实用，具有易用性和使用针对性，使用者无需专业培训，对 专业基础没有要求，但相应的图像处理能力偏弱，功能单调，只能满足一些基本 的需要。 1 3 论文的来源、研究的目的和意义以及主要研究内容 1 3 1 论文来源 论文来源于“个性化明信片制作系统的开发”项目。 随着数码相机的普及，原始照片不能满足应用需求，操作简捷、实用的数码 照片再处理方法成为一种需要。本文通过对比通用型和专用型图片再处理系统的 特点，针对邮政系统个性化明信片制作以及旅游景点现场照片再处理的需要，提 出了一种新型的图片处理系统，利用该系统可实现对数码照片的再处理。 本系统主要应用于邮政系统个性化明信片的制作，以及旅游景点、学校、广 场等人流量大的地方进行现场照片再处理。 1 3 2 研究的目的和意义 对比现有图片二次处理系统，本文致力于开发一款功能丰富、操作简捷的数 码照片二次处理系统。 对于用户而言，图片处理系统可以提供方便、全面的服务，使用户具有更强 的自主选择性，提高了用户的生活质量。 总体来说，图片处理系统的最终实现并投入使用，将会具有以下的现实意义 和作用： 1 、图片处理系统打破了大头贴只能现场照片的弊端，可以处理来在移动存 储( u 盘、m p 3 、移动硬盘、手机等) 的图片数据，保证了图片质量。 2 、针对照片定位过程操作步骤过多的问题，提出了基于肤色人脸检测技术 的照片快速定位方法，具有定的理论意义。 3 、图片处理系统功能丰富，不仅应用于邮政系统个性化明信片的制作，还 2 硕士学位论文 第一章绪论 在旅游景点得到了很好的应用，具有一定的社会价值。 1 3 3 论文的主要研究内容 本系统的丌发，主要应用于邮政系统个性化明信片的制作，以及旅游景点、 学校、广场等人流量大的地方进行现场照片再处理。根据系统要求，论文主要研 究内容如下： 1 、图像处理技术的分析心1 ，主要包括几何变换、色彩变换和人脸检测技术。 详细说明了几何变换中各个变换的几何原理，从彩色图像颜色模型的角度对色彩 变换进行了分析，重点介绍了人脸检测技术，以及基于肤色人脸检测的照片快速 定位的实现。 2 、对比以往的图像二次处理系统，结合用户需求，完成了系统的整体设计 以及各个模块的功能设计。功能模块包括：几何调整、色彩调整、添加修饰。其 中，添加修饰由三个模块组成，即：添加边框和修饰图、添加文字以及手动签名。 3 、图片处理系统以v i s u a l2 0 0 5 为开发平台，c + + 为开发语言，按照o o p 软件设计理念，充分运用微软提供的m f c 库，采用多线程技术、数据库技术，实 现了对图片文件的快速存取，完成了系统功能的丌发。针对图像在变换过程中涉 及到浮点数运算、需要对灰度值进行插值处理的问题，采用双线性插值法对灰度 值进行插值；针对屏幕闪烁现象，利用双缓冲技术解决了窗体频繁重绘时产生的 屏幕闪烁问题；针对图像合成时的背景透明问题，利用透明位图制作技术，实现 了多幅图片的无痕合成。 1 4 本文章节安排 论文共分六章： 第一章是绪论部分。主要阐述了论文的研究背景以及现实意义，图像二次 处理系统的现状，课题研究的目的和意义以及课题的研究内容等。 第二章阐述图像了几何变换和色彩变换原理，几何变换包括：平移、镜像、 旋转、缩放，详细说明了每一个变换的几何原理；色彩变换包括：r g b 三原色 调整、亮度调整、对比度调整和特效制作，从彩色图像颜色模型的角度对它们 进行了分析。对三种常用的灰度值插值方法进行对比，本系统采用双线性插值 法对灰度值插值处理。 第三章是图片处理系统的总体设计。根据系统需求，采用模块化设计思想， 完成了图片合成系统的整体设计，以及各个功能模块的设计。功能模块包括： 几何调整、色彩调整、添加修饰。其中，添加修饰由三个模块组成，即：添加 边框和修饰图、添加文字以及手动签名。 3 硕士学位论文 第一章绪论 第四章是对软件系统的实现。按照当前先进的o o p 软件设计理念把问题空 间中的各个相关问题抽象得到对应的解空间中的对应对象，利用了面向对象开 发语言c + + 并结合多线程技术实现各个模块功能。针对屏幕c i j 烁现象，利用双 缓冲技术解决了窗体频繁重绘时产生的屏幕闪烁问题；针对图像合成时的背景 透明问题，利用透明位图制作技术，实现了多幅图片的无痕合成。 第五章是基于肤色人脸检测技术的照片快速定位的实现。本章首先介绍了 人脸检测技术的种类；其次，对基于肤色的人脸检测技术进行了分析：最后， 针对照片定位过程操作步骤过多的问题，利用基于肤色的人脸识别技术实现了 照片的快速定位。 第六章是总结与展望。对论文所作的研究工作进行了总结，并对以后的研 究提出了展望。 4 硕十学位论文 第二章图片处理系统原理分析 第二章图片处理系统原理分析 本章深入分析系统所用到的数字图像处理技术原理，主要包括：图像的几何 变换原理和图像的色彩变换原理以及几何变换中常用的三种插值方法的介绍。下 面分别对它们进行分析。 2 1 几何变换原理分析 几何变换是数字图像处理的重要内容之一。几何调整由平移、镜像、旋转、 放大以及缩小五个基本变换组合而成乜3 。 2 1 1 平移变换 将一幅图像上的每一个像素点都按照给定的偏移量沿y 方向( 垂直方向) 和 x 方向( 水平方向) 进行移动叫做图像的平移变换，如图2 1 所示： oo 卜牟卜一_ x a x - - - - - 一2 匪| ! 麟一 a y - - - - - 2 y1 r 图2 - 1 图像的平移示意图 j 舻+ 缸( 2 一1 ) i = 嘲嘲 浯2 ， 霉 = 至三二笋 霉 。2 3 ， 5 y i|， 硕七学位论文 第二章图片处理系统原理分析 图像平移的特点是原始图像平移后得到的新图像的每一点都可以在原始图 像中找到与之对应的点，即新图像与原图像完全相同。 2 1 2 镜像变换 图像镜像变换后，图像形状不会发生改变，而且有两种镜像变换方式：水平 镜像和垂直镜像d 1 。其中，水平镜像变换是以图像的垂直中轴线为中心将图像的 左半部分和右半部分进行对换；垂直镜像是以图像的水平中轴线为中心将图像的 上半部分和下半部分进行对换。图像镜像变换的位置关系如图2 2 所示： 黑 垂 直 镜 像 图2 - 2 图像的镜像变换位置关系 j 肛俨而 ( 2 4 ) i = 堋朝 5 ， i h 堋习 6 ， 硕七学位论文 第二章图片处理系统原理分析 j 舻而( 2 7 ) i = 堋朝 浯8 ， 饼圈 9 ， 图2 - 3 旋转示意图 旋转q 角度后： x l = c o j p y l = e x s i np 旋转前： x o = r c o s ( p 一口j = ，c o s c o s 口+ r x s i n s 砌口 = z ，c 0 $ + y l j 切口 7 ( 2 一1 0 ) ( 2 一1 1 ) 硕士学位论文第二章图片处理系统原理分析 y o = ，s i n ( f l 一口) = r x s i n f l x c o s r x c o s f l x s i n a ( 2 1 2 ) = x l x s i n c t + y l x c o s o l 燃懒一料 彩钏斟 酬蚺为料降掣耐 浯 ( o f f xl ，o f f y1 ) a ( o f f x 2 ，o f f y 2 ) n o i b y i ( x ，y ) d n - r o f f x 3 ，0 f 西3 ) ， r 、，丌r n f r ， 图2 - 4 坐标系平移示意图 f l y 4 ) 一魏刚麓矧 协 硕士学位论文第二章图片处理系统原理分析 其逆矩阵变换为： = 三三：习 c 2 一6 ， i 躲j lo ；- s i n ( 口a 铆) 吲小哪， 刚警- 絮s i n ( a 一) - 0 5 跳w j c 咖o s 例( a ) 二0 。筘5 h ，c o s 似( a 户) + 0 5 制h 2i 刚降剐 i ；稚卜 刚攀- 掣s i n ( a ) 以0 5 砒w 2 s删in(似a)户-o警5h2c o s ( 似a ) p + o 5 h 徊，i 沿剐 9 硕十学位论文 第二章图片处理系统原理分析 像缩放变换指的是全比例缩放。 设图像x 方向与y 方向的缩放比例都是k ( k 0 ) ，则原始图像中的点( x o ，y o ) ， 在新图像中对应的点( x 。，y ，) 的坐标为： f 五= k xx o 1 一 【y l2 k x y o ( 2 - 2 1 ) 刚嘲朝 2 2 ， 对应的，原始图像中的点( x 。，y o ) 也可以用新图像中对应的点( x 。，y 。) 表示，用 耐 ( 2 - 2 3 ) 其中，当k l 时，原图像就会被放大。例如，假设k ：2 ，原图像会被放大2 倍，每一个象素点，对应新图像中的4 个象素点。图像放大示意图如图2 5 所示： k ：2 竖璺塞墼一 某+ 像素 - ， 对应新图4 个像素 图2 - 5 图像放大变换示意图， 当k l 时，原图像就会被缩小。例如，假设k ：0 5 ，原图像会被缩小到原来 的一半大小，原始图像中的4 个象素点对应新图像中的一个象素点。图像缩小示 意图如图2 6 所示： i ( - ns f 一u j 一应新图的一 原图中的某4 个像素 个像素 图2 - 6 图像缩小变换示意图 1 0 d 屉d d m d 屑d d ，f 。l = 1_1 而j 硕士学位论文第二章图片处理系统原理分析 图像放大变换要对图像被放大后多出来的像素点填入适当的像素值，在原始 图像中没有直接的点与这些多出来的像素点对应，需要对他们以某种方法进行估 计。而图像缩小变换则是以某种方式在原始图像信息中选择需要保留的信息。 从上面分析看一看出，图像的放大与缩小虽然都是比例变化，但它们的原理 不同。若比例变换后的新图像的像素点在原始图像中没有与之相对应的点的时 候，就需要对其灰度值进行插值处理h 。 2 2 色彩变换原理 色彩变换是基于彩色图像空间模型的基础上提出的，彩色图像根据不同的需 要有多种颜色模型，最常用的是r g b 颜色模型，除此之外还有l a b 颜色模型、h i s 颜色模型、y c b c r 颜色模型等颜色模型。下面先对彩色图像进行分析，然后介绍 各个颜色模型，最后介绍本系统中用到的色彩变换，包括：r g b 三原色调整、亮 度调整、对比度调整以及图像的特效制作四个方面n 们。 2 2 1 彩色图像的分析 红、绿、蓝3 种颜色可以组成任何一种计算机中显示的颜色，因此这三种颜 色被称为三基色。每一种基色的取值范围都是0 2 5 5 ，故它们的不同组合可 以形成1 6 7 7 ( 2 5 5 * 2 5 5 * 2 5 5 ) 力种颜色。红、绿、蓝这三种颜色可以按不同的比例 混合而形成任一种颜色，这就是三原色原理口1 。此原理可以解释如下： 1 、这3 种基本颜色按不同的比例混合可以组合成自然界中的所有颜色；反 过来任何一种颜色都可以分解成这3 种基色。 2 、任何一种基本颜色都不可能由其余的两种基本颜色来组成，它们之间是 相互独立的， 3 、3 种颜色的比例决定了混合色的饱和度。3 种颜色的亮度之和作为混合色 的亮度。 从视觉角度来划分，颜色可分为非彩色和彩色两大类。非彩色指的是白色、 黑色以及两者之间深浅不同的灰色，它们被称为非彩色，又叫做无色系列；除了 白色系列之外的各种颜色被称为彩色或者有色系列。人们引入了亮度、色调以及 色饱和度这三个和视觉特征有关的量来定量的描述颜色对人眼的视觉作用，而这 三个量也被称为颜色的3 个基本特征晴1 。其中： 1 、人眼感觉光的明暗程度用亮度来描述，光的能量越大则亮度越大。 2 、彩色最重要的属性是色调，光的本质由它决定。物体反射光线中占优势 的波长来决定色调，不同的波长产生不同的颜色感觉。例如：叫某一颜色为橙、 青、紫，这就是在规定一种色调。 硕十学位论文第二章图片处理系统原理分析 3 、颜色的深浅和浓淡程度用饱和度来描述，饱和度越高，则颜色就越深。 饱和度的深浅与白色所占的比例有关，白色所占的比例越多，饱和度就越低。 表2 - 1 常见8 种颜色的r g b 值表 颜色明r 值g 值b 值 红 2 5 500 绿 02 5 50 蓝 0o 2 5 5 白 2 5 52 5 52 5 5 里 o00 书 o2 5 52 5 5 月 紫 2 5 5o2 5 5 黄 2 5 52 5 50 2 2 2 彩色图像空间 红、绿、蓝3 种颜色可以组成任何一种计算机中显示的颜色，这就是常说的 三基色原理。r g b 颜色模型就是基于r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三原色的颜色空间， 其它颜色模型都是根据r g b 颜色模型提出的畸3 。 l 、r g b 颜色模型 自然界的任何一种颜色都可以由r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三种颜色按不同 的比例混合而成，这就是三基色原理，r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三种颜色又被 称为三原色。由r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三种颜色组成的模型叫做r g b 颜色模 型，在r g b 颜色模型的基础上可以提出其它的颜色模型。 。在r g b 颜色模型中，由r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三种颜色组成任意一种彩 色光的公式如下： l = r r + g i g + b b 其中，r r 、g g 、b b 为彩色光l 的三基色分量或百分比。 r g b 颜色模型如图2 - 7 所示： 1 2 硕士学位论文 第二章图片处理系统原理分析 洋 图2 - 7 r g b 颜色模型图 2 、l a b 颜色模型 由r g b 三原色的转换可以得到l a b 颜色模型，它在r g b 颜色模型转换为h s b 颜色模型的过程中起到桥梁作用。l a b 颜色模型由两个颜色( a 、b ) 轴和一个发 光率( l ) 组成，彩色的变化由颜色轴所构成的平面上的环形线表示，色饱和度 的变化由径向表示，自内向外，饱和度越来越高；色调的变化由圆周方向表示， 每个圆环形成一个色环；不同的发光率对应不同的亮度并对应不同环形颜色变化 线川5 1 。 3 、h i s 颜色模型 考虑人对颜色的心理感受，在l a b 模型的基础上提出了h i s 颜色模型，即由 l a b 转换而成。h i s 颜色模型由颜色的三个属性：色调、饱和度和亮度构成，有 时也称作h s b 颜色模型。这种颜色模型让人觉得更加直观，比较符合人们的视觉 感受。如图2 - 8 所示，它由两个底与底对接的圆锥体立体模型表示。其中，亮度 由轴向表示，自下而上由黑变白；饱和度由径向表示，自内向外越来越高；色调 的变化由圆周方向表示。 白 红 图2 - 8 h s i 颜色模型示意图 1 3 硕士学位论文 第二章图片处理系统原理分析， 4 、y c b c r 颜色模型 “ y c b c r 颜色模型由一个亮度信号( y ) 和两个色差信号( c b 、c r ) 做成，其 中，c b 代表光源中的蓝色分量，c r 代表光源中的红色分量，亮度信号y 可以通 过r 、g 、b 转换得到，转换公式为： y = o 3 9 r + 0 5 0 g + o 11b y c b c r 颜色模型的重要性是它的亮度信号( y ) 和色度信号( c b 、c r ) 是分 离的。若只有y 分量而没有c b 、c r 分量，则表示的是黑白灰度图n0 。 2 2 3 系统色彩变换功能分析 l 、r g b 三原色调整 由上面的论述知道，r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三种颜色按不同的强度组合可以 得到自然界中所有的颜色，这就是人们常说的三基色原理口1 。r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三种颜色被人们称为三基色或三原色。在彩色图像中，每一个r g b 颜色分量都以 8 位元表示，每一个r g b 分量都可以表现出2 5 6 ( 2 8 ) 种层次，分量值的取值范围 是0 - - 一2 5 5 。因此，对r g b 三原色的调整，就是对r g b 三个颜色分量的调整，给 一个分量加上或者减去一个数值，对应的分量就会变深或者减淡 2 、亮度调整 ， 1， 人眼亮度感觉的调整被称为亮度调整，可以通过对r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三 个颜色分量同时进行增减相同的数值来达到对亮度进行调整的目的，即：同时增 加r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三个颜色分量可以增加亮度，图像就会变亮；同时减少 r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三个颜色分量可以减小亮度图像就会变暗n 叭。 亮度调整比较准确的方法是给每个分量乘以一个相同的百分比值，得到的结 果再返回给原来的分量，这样就实现了对亮的调整。 3 、对比度调整 ： 对比度的调整可以使图片的颜色更满足人们的需要，实现不同的效果。例如 有一幅图片，成像时如果光照不足，这样整幅图像就会偏暗，或者成像时光照如 果过强，整幅图像就会偏亮，这些情况被称为低对比度，即颜色都拥挤在一起， 没有拉开。对比度实际上指的就是颜色分量之间的差值。调整对比度就是对每一 颜色分量值的最大值和最小值进行处理。比如，增加对比度的意思就是把所感兴 趣的颜色范围拉开，使得该范围内的像素，亮的变得越亮，暗的变得越暗，从而 达到增强对比度的效果1 。 对比度的调整就是以一致的方式来改变颜色分量的最大值和最小值之间的 差值，即改变最大值和最小值之间的差异范围，差异范围变大，对比度就变大； 差异范围变小，对比度就变小。对比度的调整，对每一个像素r g b 分量的值都要 进行调整。由于真彩色图像是由3 个字节组成的，并且d i b 位图是从最下面的一 1 4 硕士学位论文第二章图片处理系统原理分析 行开始逐渐向上存储的，即相当于把图像颠倒过来进行扫描处理。所以用计算机 进行图像处理时，像素的指针先是指向b ，接下来指向g ，最后指向r 。 4 、特效制作 本系统的图像特效制作主要包括两个方面：黑白照片的制作和仿老照片的制 作。这两种特效制作都是由赋予图像r ( 红) 、g ( 绿) 、b ( 蓝) 三个分量一些特殊值 而产生的阳3 。在第四章的实现部分再作详细介绍。 2 3 数字图像几何变换中常用插值方法的分析 数字图像进行放大、缩小、旋转等几何变换时，像素坐标( x ，y ) 在原始图 像中都为整数，由于在坐标运算的过程中，涉及到浮点数的乘法，所以变换后得 到的目标图像的像素坐标并非都是整数，反过来亦然。因此，图像在几何变换时， 在进行几何变换运算的同时，要进行灰度级插值处理。比较常用的插值方法有三 种：最近邻法、双线性插值法和三次内插法1 。 2 3 1 最近邻法 最近邻法是最简单的插值方法。设点( i + u ，j + v ) ( 其中i ，j 为正整数，u ， v 为大于0 小于l 的小数，下同) 为待求像素坐标位置，则待求像素灰度的值为 f ( i + u ，j + v ) 。它是通过比较待求像素的四个相邻像素，将离待求像素最近的相邻 像素赋给待求像素口1 。如图2 9 所示： ! u 0 5 | 面啁 ( i di v ， o 到堕( i + l j ) _ l a 7 b l 卜 - 1 cd 7 l j j 广一t i + l t j ) ( i + l j + 1 ) u o 5 ： 倒世到 图2 - 9 最近邻法插值示意图 如果u o 5 ，v o 5 ，那么( i + u ，j + v ) 落在a 区，则赋给待求象素左上角 像素( i ，j ) 的灰度值。同理，若落在b 区则赋予待求象素右上角象素( i + l ，j ) 灰度值；若落在c 区则赋予待求象素左下角象素( i + l ，j ) 的灰度值；若落在d 区则赋予待求象素右下角象素( i + l ，j + 1 ) 的灰度值。 最邻近元法计算量比较少，是一种简单快速的方法。但是，当待求像素( i + u ， 1 5 硕十学位论文 第二章图片处理系统原理分析 j + v ) 的相邻像素间的灰度值差异很大时，这种方法就会产生较大的误差，造成插 值生成的图像灰度上的不连续，在灰度变化的地方可能出现明显的锯齿状，影响 图像的质量。 2 3 2 双线性插值法 双线性插值法是最近邻法的一种改进，它是利用待求像素( i + u ，j + v ) 四个相 邻像素的灰度在两个方向上作两次线性内插嘲。如图2 一1 0 所示： f 图2 - 1 0 双线性插值法示意图 具体步骤如下： 1 、先由f ( i ，j ) ，f ( i ，j + 1 ) 插值求f ( i ，j + v ) 。 f ( i , j + v ) = f ( i ，j ) + v x f ( i ，+ j ) 一f ( i ，川 = ( j v ) x f ( i ，) + v x f ( i ，+ d 2 、再由f ( i + l ，j ) ，f ( i + l ，j + 1 ) 插值求f ( i + l ，j + v ) 。 f ( i + 1 ，j + v ) = f ( i + 1 ，j ) + v x f ( i + 1 ，_ ，+ j ) 一厂( f + j ，) = ( 一v ) x f ( i + l ，j ) + v x f ( i + l ，+ j ) 3 、最后，由f ( i ，j + v ) ，f ( i + l ，j + v ) 插值求f ( i + u ，j + v ) 1 6 硕士学位论文第二章图片处理系统原理分析 f ( i + “，+ v ) = f ( i ，j + v ) + 甜 厂( f + j ，_ 十1 ，) - f ( i ，_ + v ) 】 = ( 1 - u ) x f ( i ，_ ，+ v ) + u x 厂( f + j ，j + v ) = ( j - u ) x ( ，- v ) x f ( i ，j ) + ，( j - u ) x f ( i ，+ j ) + u ( 1 - v ) x f ( i + ，) + u ，厂( f + j ，+ j ，) 双线性内插法的计算比最邻近点法复杂，计算量较大，但它考虑到了点 ( i + u ，j + v ) 的相邻的四个点对它的影响，因此没有狄度不连续的缺点，一般可以 得到比较令人满意的插值效果。但是双线性插值法具有低通滤波性质，高频分量 容易受损，从而图像的细节会发生退化，轮廓可能会变得有一点模糊1 。 2 3 3 三次内插法 双线性插值法只考虑到浮点坐标( x + u ，y + v ) 的4 个直接邻点对它的影响，得 到的图像虽然比较令人满意，但还是有一定的缺陷。如果想要得到更精确的 ( x + u ，y + v ) 点的狄度值，使插值效果更精确，变换后的图像的质量在更高程度上 得到保证，可以利用三次内插的方法拍1 。 三次内插法考虑到( x + u ，y + v ) 点周围1 6 个邻点对它的影响，如图2 1 l 所示： ( x v )f x + 1 y + v ) 、。7 ( x + u ，y + v ) ( x ，y + 1 ) ( x 十l , y + 1 ) 图2 - 1 1 三次内插法示意图 目标坐标( x + h ，y + v ) 的像素值可由如下的公式得到： f ( x + u ，y + v ) = a b c ，其中： a = s c u 1 ) s u ) s ( u + 1 ) s u + 2 ) 、 b = f ( x - 1 y 1 ) f ( x ，y - 1 ) f ( x + l ，y - i ) f ( x + 2 y 1 ) ( x - 1 。y ) f ( x y ) f ( x + 1 y ) f ( x + 2 7 ) f ( x 1 y 七1 ) f ( x y 七1 ) f ( x + 1 y + 1 ) f ( x + 2 y + 1 ) f ( x - 1 。y + 2 ) f ( x y + 2 ) f ( x + 1 y + 2 ) f ( x + 2 y + 2 ) c = 【s f ，v + ，is r v 夕s ( v 一夕s ( v 2 ) 1 r 插值函数s ( x ) = s i n ( 万石) 万x 利用以下三次多项式进行近似。 1 7 硕+ 学位论文第二章图片处理系统原理分析 s ( x ) = ，一l x l 2 + l x l 3 ，r d i z i j 夕 4 8 i x + 5 x 2 一i x l 3 ，f ，j i x l 2 夕 o , ：l x i 2 夕 2 3 4 三种插值方法的比较 最近邻法、双线性插值法、双三线性插值法是图像处理中常用的三种插值方 法n5 l ，它们各自有不同的特点，如表2 2 所示： 表2 - 2 ，三种插值方法的比较： 插值方法性能特点 最近邻法l 、处理时间最短，实时性比较好，当待求像素点相邻像素间狄 度值差异小时，是一种简单快速的方法。 2 、当待求像素点相邻像素间灰度值差异大时，会产生较大的误 差，易产生锯齿状边界，得到的图像质量不高。 3 、适用于要求实时性高，处理的图像的像素变化不大，或者对 图像质量要求不高的程序。 双线性1 、相对最近邻插值法，其速度慢，但是插值精度相对较精确， 得到的图像质量较高，纹理较清晰。 2 、这种方法具有低通滤波的性质，高频分量容易受损，从而图 像细节会退化，轮廓变得模糊。 3 、能满足大多数程序的要求。 双三线性l 、计算量最大，使得处理速度最慢，但相应的插值精度最精确， 得到的图像的质量最高。 2 、适用于对图像质量要求比较高的程序。 2 4 小结 本章阐述了图像的几何变换和色彩变换原理，对各个变换进行了详细介绍， 重点对数字图像处理中常用的三种插值方法分别进行了比较，从处理速度和效果 两个方面综合考虑，本系统采用双线性插值法对灰度值进行插值处理。 硕士学位论文第二章图片处理系统的整体设计 第三章图片处理系统的整体设计 本章主要完成系统的整体框架设计，以及系统的功能模块设计。下面首先结 合当前技术发展水平对系统进行总体设计，然后将根据总体设计中模块划分对系 统中各个模块进行具体设计分析与讨论。 3 1 系统工作流程 通过市场需求的调查分析，并比较同类产品( 如：大头贴) ，本系统的特点 主要定位在操作简单、实用，面向不同的人群都能独立使用，即d i y ( d oi t y o u r s e l f ) 操作。系统的操作流程主要分为三大部分：第一部分，从不同的介质 ( 如：u 盘、光盘、移动硬盘、电脑硬盘等) 读入图片文件。第二部分，对图像 的操作，主要包括：几何调整、色彩调整、添加边框和修饰图、添加文字、手动 签名等；第三部分，得到目标图片。 系统工作流程图如图3 1 所示： - ( ， 开始 、) ， 从不同的介质( u 盘、光盘、移动硬 盘、m p 3 、手机等) 读入j p g 、b m p 等不 同格式的图片 选 1，择 待处理图片 几色添和添 何 彩 加修 加 调调边饰文 整整框图字 1r 1 r1r1 r1r 待处理图片 ， r 结束 、) 图3 - 1 系统工作流程图 1 9 硕士学位论文第三章图片处理系统的整体设计 从系统工作的流程图可以看出，用户需要进行操作的主要在图像的处理方 面。对图片的处理主要包括五大模块：几何调整、色彩调整、添加边框和修饰图、 添加文字聃3 、手动签名。五大模块式是并列存在的，操作顺序没有先后之分。 用户操作界面结构设计如图3 - 2 所示： 图3 - 2 用户操作界面结构图 如图3 2 所示，几何调整用到的次数比较多，所以单独划出一块区域供其显 示，贯穿图片处理的整个过程；其它模块的操作只有在选择操作的时候在功能模 块的操作区显示出来；图片处理的效果在图片处理的显示区进行显示；待处理图 片小图显示区一直以缩略图显示图片，直到图片处理完成，目的是让用户知道处 理的原图；广告区可以用来发布广告；边框和修饰图显示区是用来显示待选择的 边框和修饰图，供用户挑选。 3 2 系统各个模块的分析 系统对图片的处理包括五大模块：几何调整、色彩调整、添加边框和修饰图、 添加文字、手动签名。下面一一进行讨论和分析。 2 0 硕士学位论文 第三章图片处理系统的整体设计 3 2 1 几何调整 几何调整又叫几何变换，它是数字图像处理技术的重要内容之一。通过几何 变换，可以根据需要使图像进行位置、形状、大小等各个方面的变化。也就是说， 几何变换可以改变图像中各物体之间的空间位置关系，以及图像的象素点所在的 坐标位置，这种运算可以看成是将各物体在图像内移动，特别是对具有规律性的 图像，经过几何变换可以变成另一个存在的图像。几何变换提供了产生某些特殊 图像的可能，而且还可以使图像处理程序简单化1 。 从变换性质来分，几何变换分为：图像的位置变换( 包括：平移、镜像、旋 转) 、形状变