（控制理论与控制工程专业论文）基于图层技术的图形图像编辑系统.pdf

淞大学颈：辟往论义 f 87 6 2 6 2 摘要 传统的提花织物c a d 系统函然可以实现纹织工艺自动化，但是图形图像编 辑功能不够强大，与高端客户的需求有较大的差距。在详细了解了提花织物c a d 系绞的功戆需求黥基础上，提出了基于图层技术的图形图像编辑系统的方案，加 强图形编辑功熊，人机交互方便。 本谍题鬏撂鬈户夔鬟求，设诗了一个羹予多嚣层显示处理魏矢量缡辑绘霆豹 图形图像编辑系统。主臻从三个方面来增强系统的功能： 1 ) 袋用数学形态掌酶方法处理鬟像，箕中竣逶遭数学形态掌方法来提取 图像的边界最有代表性。 2 ) 在系统中孳l 入了矢量绘瞬系统。利用面向对象的组合模式设计了一个矢 量绘图系统。改遴了纹织图缘矢攫化的方法，根据纹织图像的特点，利用链码法 对纹织图像中的各个色块进行轮廓跟踪，利用巍线与曲线相结合的方法进行拟 会。 3 ) 系统引入了矢量图图层与位图图层的交互，矢髓图层可以和位图图层任 意叠鸯纛、交换餐嚣。可蔽往意添麓、弱狳强层，哥数添麓蟊定义凿层。霄瑷鼠轹 点动任意移动图层，加大了图形图像编辑的自由度。系统突出了图层间的交互功 能，在一图层内进行绘黼操作或胬形交换，把交换后的黼形可收缩虱嚣一图蓦。 兢者说这一图层可映射到其它凰层。 关键字：纹织c a d ；矢量图：位图；矢量编辑；图层交互；图像矢量化：边界 褥取 浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 r a d i t i o n a lj a c q u a r dc a ds y s t e mp m m o t e st h ea u t o m a t i cl e v e lo fi a c q u a r d i n d u s t r y ，b u tm e 伊a p h i c sa i l di m a g ee d i ts y s t e mi sn o ts t r o n ge n o u 曲a i l dt h e r ei sa 、i d e n i n gg 印b e t w e e ni ta n dh i 曲c u s t o m e r s n e e d a r e rk n o 埘n gd e t a i l e d l yf u n c t i o n o f j a c q u a r dc a ds y s t e m ，p r o m o t eg r 印h i c sa n di m a g ee d i ts y s t e mb a s e do n1 a y e r st o i m p m v et h e 柚c t i o no fg m p h i c sa n di m a g ee d i ts y s t e m ，a n dt h ei n t e r f a c eb e 帆e e n c o m p u t e ra i l dp e o p l eb e c o m em o r e 衔e n d l y d u et ot h ec u s t o m e r s r e q u i r e m e n t ，t h i sp 印e r p u t sf o n a r dag r 印h i c sa n di m a g e e d i ts y s t e mb a s e do nm u l t i l a y e rp r o c e s s i n ga 1 1 dv e c t o re d i t i n g t h i sp 印e re n h a i l c e s t h es y s t e mf m m a s p e c t sa sf o l l o w s ： 1 ) a d 叩tm a m e m a l i c a lm o i p h o l o g ym e t l 】o dt op r o c e s si m a g e ，i nw h i c ht h ei m p m v e d m a t h e m a t i c a i m o r p h o i o g ya i g o r i t h m f o rm eo u t l i n ce x t r a c t i o ni st h em o s t r e p r e s e n t a t i v e 2 ) i n t r o d u c ev e c t o re d i t i n gs y s t e mt os y s t e m ，d e s i g nav e c t o re d i t i n gs y s t e mu s i n g 0 b j e c t - o r i e n t e dc o m p o s i t ep a t t e m i m p r o v ej a c q u a r di m a g ev e c t o r i z a t i o nm e t h o d ， b a s e do nc h a r a c t e ro f j a c q u a r di m a g e ，u s ec h a i n c o d e m e t h o dt ot r a c em eo u t l i n eo f e v e r yc o l o rb l o c ka 1 1 du s eb e e l i n e 锄dc u em e t h o dt of i tt 1 1 eo m l i n e 3 ) s y s t e mi n t r o d u c e sa l t e m a t i o nb e t w e e nv e c t o rm 印l a y e r sa i l db i 仃n a pl a y e r s m e v c a i ls p l i c er a n d o m l ya i l dc h 柚g ep o s i t i o n nc a i la d da n dd e l e t e l a y e r s ，i tc a l la d d c u s t o ml a y e ra 1 1 dm o v el a y e rb yr n o u s er a n d o m l yw h i c hi n c r e a s e s 也en e e d o mo f g r a p h i c se d i l s y s t e mp r o j e c t st h ea l t e m a t i o nb 咖e e nl a y e r s d m w i n go r 目a p h j c s c b 觚g ci no n el a y e ra 1 1 dp u tt l l ec h a l l g e d 芦a p h i c si na n o t h e r l a y e r t h a ti st ob et h i s l a y e rc a l lb em a p p e dt oo t h c rl a y e r s k qw o r d s ：j n c q 啪r d ( h d ；y e d o rm 印；b n m 印；魄c t o rg r n p h i ce 积i n g ；l 唧e r n n e r n n t i o n ；r 2 y ( r n s t e rt ov | e c t o r ) ：o n n i n ee x t r n c t 如n 浙江大学硕士学位论文 基于图层技术的图形图像编辑系统 第一章绪论 1 1 计算机绘图与纹织c a d 技术 1 1 1 计算机绘图 随着科学技术的发展，计算机绘图得到了越来越广泛的应用。计算机绘图技 术使我们能够在计算机上模拟客观世界并研究其规律。计算机绘图是一门新兴边 缘学科，它建立在图形学、应用数学及计算机科学的基础上。随着现代科学技术 的进步，某些工程图纸越来越复杂，对图纸的精度要求也越来越高，比如飞机和 船舶生产中的模线、大规模集成电路中的掩膜图等图纸及大量使用已非手工绘制 所能胜任。因此，摆脱传统绘图方式的工作势在必行。 计算机绘图的发展始于2 0 世纪5 0 年代初期。在这个时期，计算机大多由电 子管组成，用机器语言编程，主要应用于科学计算。为这些计算机配置的图形设 备仅仅具有输出功能，在绘图过程中人们无法进行干预，因此，这一时期输出设 备主要以绘图机为标志，称之为静态计算机绘图。1 9 6 2 年，美国麻省理工学院 i v a ns u t h e r l a n d 发表了一篇题为“s k e t c h p a d ：一个人机通讯的图形系统”的 博士论文，首先开创了交互式计算机绘图领域的研究。他在论文中首次提出了 “c o m p u t e rg r a p h i c s ”这个术语。从7 0 年代开始，由于人机对话式的交互图形 系统在许多国家得到了广泛的应用，推动了图形输入与输出设备的更新与发展。 在8 0 年代中期，各种实用的计算机绘图系统和c a d 工作站的销售量与日俱增， 在美国，1 9 8 1 年实际安装用于计算机绘图的计算机大约为5 0 0 0 台，而到1 9 8 8 年，增加到6 3 0 0 0 台“3 。 计算机辅助设计、制造是计算机绘图最重要的应用领域。计算机绘图被用来 进行建筑工程、机械构造和部件等设计，它包括设计发电厂、化工厂、汽车外形 和机体、飞机和船舶的外形以及电子线路或期间、复杂的镜头组组成的光学系统 或机算机网络系统等。 计算机绘图系统可以用来绘制数学、物理以及经济信息的各类二维和三维图 形。如统计用的各种直方图、扇形图、工作进程图、产品库存和产量变化的各类 第1 页 崭江走擎磺士学往论文 基于蕊层技术越鹭形萄像缡辑系统 统计管理图标等。 诗葵趣绘瑟被广泛缝震亲绘制憋瑾、遮蒺爨及其它鑫然联象遮裹穗凄渤搽、 测量图形。利用计算橇制作动画电影，来表现真宓物体或模拟物体随时间而变化 地规律。计算机绘图己用于艺术品地制作。例如备种图案、拢纹，甚至传统地油 蘑帮中鬻蘸等。当然，遮一技术遣被溺采铡终冬耱蠢塑广告戮缀零 蹶窖，臻镌裔 品。用于电影摄制，可大大节省布景和道具的费用。 计算机绘图通常肖三种形式，按系统的工作方式及功能大致可分为检索型、 垂魂型器交互型。1 。 1 ) 检索型主要用于那些基本结构已经定型，有标准部件和结构可以借浆的 产品，即标准系列产品。这些产品的零部件图及装配图等已被转换为代码存入计 算秘波，禁垫圈主懿尺寸霹爨不稼浚。竣诗天受霹黻壤据订赞酝捂要求，遴避计 算机检索选用各种标凇零部件，并对其中某些关键零部件进行必要的性能核算， 将计算结果打印在未橼注尺寸的标准图上。这种绘图系统一般韪针对某一类产最 瓣，专髑褴强，绘銎速度瓷。毽该系统不逶合瑟嫠产晶静并发浚诗，簪改设谤缀 不方便。 2 ) 自动型也称参数型，用于生成图形的数据来自程序中的交互语句或由程 旁诗篓嚣产生。羧入鏊本参数螽，纛痔久工于疆，计算蘸蔹照甄定绘踅程垮可囊 动完成绘图工作。这种绘图适用于那些设计理论融经成熟、计鳞公式确定、设计 步骤及判别标准清楚、数据资料充分的通用化产晶，如卤轮减速箱的设计。 3 ) 交互鍪是褒京跑较漉孳亍静形式。在实际生产中，诲多产晶穰难完全暴各 自动型c a d 所要求的条件，他们或因为某些特性尚未完全掌握、没计方法待探讨， 或资料数据积累不充分，或产品尚未实现“三化”( 标准化、系列化、通用化) ， 溪懿凌诗辩需凭詹设诗久员熬经验与知识，逶逡交互壅绘餮系统帮天瓿对话语 言，进行“人机对话”，随时对图形的某些部分谶彳亍修改、删除戚增添某些部分， 人工干预方案决策、判断和修改设计，直到满意，最后输出图纸、资料等。邀秘 绘图系统逶雳予薪产熬豹开发设诗秘穆致。 计算机辅助设计可以有效地提高设计的速度岛质量，从而产生十分显著的经 济效益。如果将设计、谁4 作、工艺处理、管理等多个步骤用讨辣机集成处理，则 产品秘熬个生产效率与质量可获缀大改善。魏栗将久工智能萼l 入e 曲技术，潮诗 籀2 页 浙江大学硕士学位论文 基于图层技术的图形图像编辑系统 算机可问接用于产品的创新，会极大地提高人类的创造能力。如果再将多煤体、 网络技术引入c a d 领域，并综合发挥设计师与计算机的互补功能，则企业可大大 增强其产品翻新与占领市场的能力。今后c a d 技术的这些发展方向概称为1 4 ， 即：集成化( i n t e g r a t e d ) 、智能化( i n t e l l i g e n t ) 、网络化( i n t e r n e t w o r k i n g ) 和人机交互化( i n t e r a c t i v e ) 。 1 1 2 纹织c a d 技术 在轻纺行业中，各种丝、麻、棉、毛提花织物和提花工艺品，是我国的传统 产品，在国际上享有较高的声誉。近年来，随着人们生活水平的提高，对纺织品 的需求越来越大，越来越高。在纺织工业生产中，c a d 技术的应用最早可追溯到 6 0 年代。当时i b m 公司首先成功的研制了纹织工艺自动化系统，使提花织物生 产过程中的花型设计从原先的手工方式设计、画图、冲版，变成用交互式的屏幕 作图和自动冲制纹版，使自动化设计在纺织行业中的应用成为现实。 传统的纹织工艺，包括意匠图绘制和纹版轧孔两道主要工艺，以前都由手工 完成。其流程长，工作费时，对操作工技能要求高，花样更新速度慢，不能适应 生产发展需要，尤其是千变万化的外向型经济发展的需要，远远跟不上国内外市 场“批量小、花色多、质量高、交货快”的要求。面向纺织工业的技术进步和市 场迅速变化的实际需要，迫切要求计算机代替人的部分思维活动，进行再创造性 的劳动。近几十年来迅速发展起来的计算机辅助设计( c a d ) 和计算机辅助制造 ( c a m ，c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r e ) 为实现纹织工艺的自动化开辟了新的纪 兀口 国外提花织物c a d 系统的开发时间比较早，具有代表性的有德国g r o s s e 公 司j a c 系统，英国b o n a s 公司的c a p 系统，美国v i s a b l es y s t e m s 公司的系统以 及香港地区京华公司的w d s 系统以及美国的m e a v e m a k e 系统，斯洛文尼亚的 a r a h w e a v e 系统等。 国内从2 0 世纪7 0 年代开始就有一些科研生产机构开发了c a d 系统，例如浙 江大学校长、中国工程院院士潘云鹤先生早在2 0 世纪7 0 年代初，在湖北襄樊毛 巾厂图案室工作期间就提出了利用计算机进行纺织图案设计的设想，并进行了深 入的研究，取得了丰硕的成果。浙江大学于2 0 世纪7 0 年代末就成功地为杭州都 第3 页 浙江戈擘硕士学位论文 基于图艨技术的图形图像编辑系统 锦生丝织厂研制了圈内第一套黑白像景纹版c a d 系统。进入2 0 世纪8 0 年代后， 已经成功圭| 整硬裁了毙鼓扫攘型、c 扫撼黧戳及逶续绞舨、挺兹织物c 矗d 系统。 1 1 。3 纹织暇转的发展趋势 纹织c 曲系统瓣应用，以竞善秘提毫瓣芘织物壤助设计为薹要鞋兹，综合纹 织c a d 技术的应用现状、企业需求以及相关技术环境，目前纹织c a d 有以一f 几个 发溪方囱： 智能型图案设计：目前纹织c a d 系统侧重于图像处理功能，在图案的智能设 计乏褶对较弱，智琵型圈案设计可潋稻用计算枫高速智能纯的优势，辅韵设计入 员进行纹织花样的图案设计。1 。 仿真织物的模拟效果：对织物进行仿真模拟，使得设计人员可以利用计算机 强大的功模拟设计图案的实际效粱，_ 并搬据模拟熬效果对设诗提榉进行修正。 从而有效的提高了设计的速度“1 。 纹缀e 勰系统的潮终化痰爱：诗算撬稻缨技术褒毫予撬兹鼓术熬发震，楚绞 织c a d 的网络化应用变成现实。以纹织c a d 为中心，组建网络，实王见协同操作和 远程交互辫。 纹织c a d 系统向多功能化发展：将纹织c a d 与纺织行业其它的e a d 软件配套 使粥或者是将纹织c a d 与冀它行业的c a d 软件使用，拓展纹织c a d 的使用范丽翻。 1 2 背景与意义 e 船c 煳技术飘诞生至今已经肖三十多年的历史，由予c a d c 删技术采用先 进的计算机技术，计算机强大的运舞与处理能力，来进行设计制逑，降低了很 多传统的行业中繁琐的人力劳动，同时也很大的提高了设计制造的速度，提高 了行业鲍基动他水平，够走企业带来缀好豹经济效益，因此收裂了广泛豹关注 和脊睐。 健统戆手工鲎潮织是一个菲霉繁复熬过程，筑绞襻瓣绘铡至意匿糁改，纹舨 轧制最终到装造，原料准备，上机试织等等工序，而纹织c a d 技术能更好的把人 静智慧与截造力有钒豹结合起来，快速准确的设计锘造出伉秀的产晶。浙大经纬 纹织物计算机辅助设计系统广泛吸取国内外同类软件之糙华，功能操作同臻完 籀4 甄 淅江大学碰士学位论文 基于圈屡技末的霉影鹤僚编辑系统 善。传统的纹织c a d 系统虽然打破了传统的手工操作技术，可照仍然满足不了客 户静震求。为。 镬系绫搽终更翱方矮，久凝赛嚣黉麓友努，本系统雩 入了黼瓣戆 概念。图滕是当前优秀的图形图像处理软件所必备的功能，利用图层可以很大的 提高用户设计的自由度与灵活性。本设计中提供了位图图层和矢量图层两种形式 静圈层，键弼户霹黻方疆灵活静逶露鬻缘豹掺毅以及交稼设诗篱工箨。图矮之淘 的交互也使得操作更加灵活方便，人机界面更加友好。提花织物c a d 系统主鞭是 利用计算机高效率的图形图像处理功熊，改造传统的纹织工艺，实现纹织工蕊自 动纯。传统豹据花缀秘e a 蚤系统虽然使嶷花织秘生产过程中瓣筏鍪设诗麸溅寐瀚 手工方式设计、画图、冲版变为采用交互式的屏幕作图和自动冲版，实现了纹织 工艺自动化，使得自动化设计在纺织行业的应用成为现实。但怒它操作起来不够 方霞，嚣纛不够友驽。掰鞋我们这个系统弓| 入了阉蒙，图层瑟瓣交互佼褥圈澎霾 像编辑更为方便，人机界面更加友好。 l 。3 课题酶主要褫究起容帮论文蘸组织结构 本课题根据客户的需求，设计了一个基于图层技术和矢量编辑绘图的图形图 像编辑系绞。照系统敬最大特点之一藏是弓l 入了圈屡戆穰念。潮层是当蘸谯秀懿 图像图像处理软件所必备的功能，利用图层可以很大的提高用户设计的自由度与 灵活性。本设计中提供了位图图层和矢量图层两种形式的图层，并实现了两糟的 交互，馊翅户可熬方霞爱活蘧遴牙图橡照骖改以及阁豢设诗等王终。在这令黧屡 技术中我们也应用到了数学形态的变化。灵活恰当地应用图层技术，可以方便操 作、节省时间、节省空间、提高绘图效率。矢量编辑绘图系统怒本课题地另一个 大特点。传统酶绞织e 纳垮采雳位圈绘图豹方式，位图绘图豹霹编辑性魄较菠。 矢量编辑绘图系统弥补了这个缺点，矢量图形采崩数学方法进行描述，具有嶷好 的可编辑憔，以及良好的可重用性，可以给设计人员带来很大的方便。引入了矢 量绘图系绞毅基謦来了矢量鋈豫与臻霭图像夔相夏转换阉题。矢繁豳像转羧戮建 图图像比较简单，而将位图图像转换到矢量图像，也即位图图像的矢量化是个 比较复杂的问题，本课题根据纹织图像的特点，对一种纹织图像矢量化的方法进 行了礤究。 第5 页 浙江大学硕士学位论文 1 3 1 课题的主要研究内容 基于圉层技术的图形图像编辑系统 1 矢量图层与位图图层的交互 此模块实现了矢量图层和位图图层的交互功能。使得矢量图层的图像可以转 化到位图图层，位图图层的图像同样可以转化到矢量图层，这样利于对图形图像 的编辑，修改，使得位图和矢量图互补。矢量图使用线段和曲线描述图像，所以 称为矢量，当您进行矢量图形的编辑时，您定义的是描述图形形状的线和曲线的 属性，这些属性将被记录下来对矢量图形的操作，例如移动，重新定义尺寸，重新 定义形状，或者改变矢量图形的色彩，都不会改变矢量图形的显示品质。您也可以 通过矢量对象的交叠，使得图形的某一部分被隐藏，或者改变对象的透明度。矢量 图形是”分辨率独立”的，这就是说，当您显示或输出图像时，图像的品质不受设备 的分辨率的影响。位图使用我们称为像素的一格一格的小点来描述图像您的计 算机屏幕其实就是一张包含大量像素点的网格在位图中，上面我们看到的树叶 图像将会由每一个网格中的像素点的位置和色彩值来决定每一点的色彩是固定 的，当我们在更高分辨率下观看图像时，每一个小点看上去就像是一个个马赛克 色块，当您在进行位图编辑时，其实您是在一点一点的定义图像中的所有像素点 的信息，而不是类似矢量图只需要定义图形的轮廓线段和曲线因为一定尺寸的 位图图像是在一定分辨率下被一一点一点记录下来，所以这些位图图像的品质是和 图像生成时采用的分辨率相关的当图像放大后，会在图像边缘出现锯齿现象当 在低于图像创作分辨率的设备上进行图像输出时，图像的品质会相应降低所以， 对图像进行编辑修改就用矢量图，对于一般的作图就用位图。这用矢量图层与位 图图层的交互，使得他们各补其短，方便了我们作图。 2 采用数学形态学的方法来处理图像 把一些数学形态学方法处理图像的技术引入到图层中，在图层中完成图像的 腐蚀、膨胀、开运算、闭运算、细化、骨架提取、轮廓提取等图形变换功能。图 像的变换与处理功能为用户提供了非常方便的操作，为图像的可重用性提供了可 能，因此可以使设计人员很方便的进行图形图像的编辑工作。 3 矢量绘图系统 直接绘制到位图上的图形不能删除和编辑，因此可操作性比较差。有些设计 较好的位图处理软件，例如p h o t o s h o p 等利用提供的u n d o r e d o 功能来弥补这一 第6 页 浙江大学硕士学往 爸文 基于翳叠棱术秘霹影霉豫藕辑系斑 缺撼，帮熟采设诗太受需要嚣琵裁菜一搽俸侉致，舞g 饕那个攥箨以嚣匏辑青搡垂筝 都u n d o ，然后重渐进行避些操作。这样的操作显然不够裂活，要燃现更加灵活的 漤形编辑功耱，裁需要暴掰矢量绘鬻方法。 矢量图形是记录在内存中的些图形元素或者说记录柱内存中以数学方式表 遮的一煞图形。它并没有奁接绘制在位图上，丽只是在箍示静辩缀绘隶l 穗显示输 盘爨形土。在设诗a 虽避行设诗潜，辑蠢的璺形都采用矢量方式嶷达，就可以方 便修改，并在设计完成戚，将整个图形转化为位阐方式谶行下一步的工艺处理。 由于矢量黧黪耱类淀较多，溉骞壹线、多边影、蕊线莓麓擎靛翼元，又哥麓 谢这些简单图形组合而成的复杂图形。本课题中，利用耐向对象的设计模式中的 缀合模式，建立起了一个矢量鹜稼表示系统，它定义了一系蘩麓零整元戆表示， 并定义了个组台图形，使得用于可以根据需要将简单图元组合成复杂的组合图 形。荠可懿裰掘需要将缀合雷形避行拆分等揉终。 4 + 霆屡翊豹交互 系统突出了图层问的交互功能，衣图屠f i | 进行绦闰操作，其它醋层相应 德避行绥誉揉终。或者浚这一爱屡霹获瓣至g 其它鞠层。 5 矢量化方法 臻矢量瓣鬻豫蕊形进嚣臻速，对于鋈彭魄较篾肇黥霆豫，英存撩空秘魄 同图像对应的位图图像要小得多。根据纹织图像多为大色块、聋仑廓明确的特点， 稀掰链弱方法对纹织图豫率各个德头酶轮廓述行蹑踩，键玫薹| 嚣今琶袋滟轮臻， 然后剥用直线与曲线楣缀台的方法进幸亍拟合。蔓c 线拟会可以保持原色块纯廓中比 较线性优的部分和色馥的额尖锐角部分。对色块轮廓中的曲线部分，采用最小二 桑法，髑3 凌b e z i e r 躲线进行掇合，取终了较好麴效袋。 本文主要怒介绍了罄于图鼷技术的豳形图像编辑系统的设计，它主黧由矢墩 绘嚣系统、銎瑟交互、羧入蓑磁凡令模块缝藏。猿据上霹演主要研究瘸窬，本文 的组织缡构如下： 落7 蕊 溉江大学硕士学位论文 基于舀层棱拳鼬图彤躅像编辑系统 强l l 论文瓣缝绞结梅 第8 页 浙江大学硕士学位论文 基于图层技术的图形图像编辑系统 第二章基于图层技术的图形图像编辑系 统整体设计方案 2 1 编辑系统架构 2 1 1 系统的硬件结构 基于图层技术的图形图像编辑系统的硬件组成主要包括图形输入输出部分 和工作主机。其中输入部分主要是扫描仪或其它输入设备，输出部分是打印机， 工作主机主要是指个人p c 机。 图2 1 基于图层技术的图形图像编辑系统的硬件结构 图形输入模块主要是将花样图案通过扫描仪( s c a n n e r ) 计算机，然后对图 形进行编辑修改，使得图形满足纹织工艺及设计人员额要求。扫描仪是一种将图 第9 _ 贞 浙江尢擎疆士擎拄论文 基于圈屡技术的鼙移鹤璩编辑系统 片通过投射光线和镜头传输到感光元器件上，并把读取的一行苏素转换成数据存 入诗箕撬鹃设备。 输出设备主要是打印机( p r i n t e r ) 。把处理过的图片打印出来。 工作主机是图形显示设备、软件和输出设备结合在一起的离性能的单用户计 算援，遥合弼于久掇交夏。 2 1 2 系统的软件结构 基予图层技术静阁形图像编辑系统主要包括图形输入摸浃、图形编辑模块、 图形处理模块和图形输出模块。 图2 2 系统的软件结构示意图 2 。2 系统各模块盼功能 系统主要分为三个模块：矢量绘图系统模块、图形变换模块和图层交互横块。 下面对各灏分分别进行分缨 l ，矢量绘图模块 图形编辑模块主要包括矢量图的绘图功能，为用户提供了很多很方便的图形 绘制工其。在矢量绘爨系统孛，如斑袭示矢量图形欲及如留定义对矢量图形豹嚣 种操作怒关键，也是难点所在。由予矢量图形种黉比较多，溉有直线、多边形、 鞯l o 硬 渐汪大学磺士攀位论文 基于圈鼹技术辑鹭彤馨像编辑系统 曲线等简单的图形元素，又可能有这必简单图形组合而成的复杂图形。本课题中， 裂蠲耍淘对象戆竣诗攘戏，建立超了一令矢量图形表示系统，定义了一系列麓摹 图形元素的表示。为用户提供了基本的图形如：直线、连续折线、自由曲线、b e z i e r 曲线、多边形、圆、椭圆、圆弧等；同时提供一些对图形元素的操作，例如：对 鹜形元素的逡中、蓑转、篷动、缝敖等功链。著瓣纹织銎稼豹矢量纯方法逶雩亍 改进。 2 图形变换模块 强豫在编辑设诗豹过程中露鬻需要一些跨辣豹效采，本系绕袄摇纺纹鏊寨豹 特点提供图像的变形和壤于图素的闰案构图两种特殊效果的研究方法。图像的特 殊变形，主耍是为了实现某种艺术效果而设计的，本文中主要采用了双线性纹理 浚翦秘方式将选定区域貔强豫或纹瑾映射簧勇一德定静区域，在获莉豹过程孛实 现了对原来图像的变形效果，在纺织c a d 中具有很重要的现实懑义。 3 图屡交互 在圈形圈豫处瑾中，圈瑟是一个繇豢重要懿颧念。暹经说，葱层裁橡一滋瑟 的纸张，每层上有图形、文字和图像等，把他们依次叠起来，湿现出效果。在 图形图像处理软件中，图层的引入很大地增加了图形图像创作的岛由度，是优秀 兹鋈形凿豫较 孛搿不可缺少静功麓。当今主流豹图形鹫豫处理软锌翔： p h o t o s h o p 、e o r e l d r a w 、f 1 a s h 以及c a d 软件a u t o c a d 中都引入了图层。 本次设计中也将图滕的概念引入纹织c a d 系统，以提高纹织c a d 的图形图像 编辑功裁，提高设计入烫秘震绞织c 躺软箨截 乍秘编辑绞织图缘的自由废。这个 模块中包括新建图层，添加删除图层、自定义图层、合并图层、图层的位置移动 以及层之间的移动、图鼷的翻转等。字# 把图层技术与图形变换相结合，使得设计 久员更热方便静编辑惨敬图像。 第l l 燹 浙江大擎硕士学往论文 基于蕊艨袄丰曲玛彤薅像编辑系统 第三章图像的数学形态变换 3 1 数学形态学概述 鼗擎形态学交麓怒建立在集合论基懿上静代数系统，它撵蠡i 了一套独特豹交 换和概念用于描述图象的基本特征。由于目前应用计算机技术的数字图象处理是 图象处璎颂域的主流，具有精度高，方法灵活的特点，一般应用中都采用数字图 象楚理方法，因魏这激只讨论离散集合豹形态交羧。本文孛翡掰有讨论郝基予离 散数字空间，这里的二值图象只是n 维数字空间的一个特例，也是数学形态举图 象处理的基础。数学形态学鞋二值图象为研究对象时可称为二德形态学。 3 2 形态学基础理论简介 3 。2 。l 数字空瓣 令z 表示所有整数集合，由z 中的n 个有序数( x ；，x ：，x 。) 构成元素x ，其全 体穗为n 缝数字空闼( 又穆为霹掺空阕) ，矮z “袭示。罗可视菇n 维欧式奎闼e “ 的一个离散点集。f 空闯的许多性质，对于万警间也有类似的结论。 z “空间的加法及在整数城上的数乘分别表示为 罩+ ，鬻救+ 楚。为致。，+ 茂；t 魄，蒜j r 蠢；弛，槐，。，瓴+ 搬蒜f 。毒? z “空间有如下性质 l j 抟+ 声声嚣蠡毒，置秘幸尹| 拦越串夸 嚣( 船h * 孟神 嘲i + x 莫中善t 少尊z 8 ，毒，声z 。 显然，r 构成了一个憋数域z 上的向量空间，其元素也可用向爨形式z 表示“1 。 一般来说，离散点集x 定义为数字空问z “中满足某种性质元素的集合，表 示受x c z “，零矮大写字母矗，彝，e ，。交示，空集弱穆表示。数字羯象是枣连续圈橡 经过数字化的方法得到的，其原理可简述如下：将一张网格覆菔在图像上每个网 第1 2 囊 赘江夫擎磋士学拉瓷竞基于避屡技术铸圆彤冒黎编辑系统 梧懿中心稼荛胬僚静豫漆掰x e i ) ，焉豫囊点代替整个格子，楚爵把一瞎连续臻 像看成l 圭i 一批像索构成的离散图像。再将每个像綮点的淑值进行蹙化，使得到了 幄数字鳖象。它可敬臻述戚令有器矩薄彩式，霹 乌j毽l 辑l 稿髓 鸭| 壤f # 鲰 嘞 ： 岛m 葵中q 。轴t 枣，麓。村如l ，2 ，) 表示教素( m ，n ) 的获度，村x 为圈像的尺 寸。所请的二髓图象就怒指灰庹只取1 秘0 两个值的图像。 在二篷形悫学变换中，哥以搬旗图像穆为一个由撼菹炎0 或l 豹豫素掬 成的集合，组成闰像的点称为集合的元桑。3 。对于二值阁象而亩，习惯上认为取 镁受i 靛点集是怒蠹予爨穗中懿穆薅，嚣褒髓势0 静杰集莆秘成骛蒙。这类黧 像的集合是直接表示的。即： 蠢m 玲：蠢弗* l 灌= 抵辩毒舻 矗赫群：，( 荔 删0 ，艚丑赫妁群z 2 对于一幅雷像a ，如果点a 在a 的区域黻内，那么就说a 是a 附元素，记为 口譬童，孬癸霹鸯露壁建。 3 。2 。2 集合潮酶綦本关系及交换 z 8 空竭孛强戆嚣令离鼗点蹇蠡蟊8 遴鬻昊有靛关系楚： n ) 廖嚣硝，曰瓣搬爿孵干攥( 5 c 蔗，嚣群掏“雕赢学集h 搿囊n 嚣s 套l 蟮雇整群葺趣。黎鸯建窝蠢熬燮囊 3 蠢u 静一酗i 律鞋。壤样嚣i ，禳瀚黛和嚣躺并蒜t 壮) m 如 口藿蔗 ，髂为矗魏钤巢； 瓣鼻一器。秘l 球暂属口芒磷t 毒n 萨，稼受未鞲器黪麓巢+ 茭孛交袋、募集翘於集变换是集合豹最基本豹燮换。 集合a 在空间z “中的变换定义为：中：辞一掣( 够。 辫冕熬嶷台交羧蠢嚣点瓣藜、平移窝尺度变换： ( 1 ) 定义a 关于原点对称的艇合为毒，记为薅w 岳l 州黼棚，也称为a 的映象 第i 3 熨 p ，；。，i，撇 浙江大学硕士学位论文 基于图层技术的图彤图像编辑系统 ( 2 ) 定义a 被b 平移为弘x = 和+ 6 i 口e 一 ； ( 3 ) 定义集合的尺度变换为柚= l 目一 ，五为非负整数。 复合的几何变换主要有以下三种，即 ( 1 ) 串行复合： ( 2 ) 并行复合： ( 3 ) 对偶变换： 鹄妇) 一鹄n 口j 】均e 小 他粥糊；哎0 ) t 擞袖，砌驯 掣+ 牺j ；1 1 l ，( 矿黟，v 口e 。 对偶变换在形态变换和分析中占有很重要的地位，后面要讲到的形态腐蚀和 膨胀变换、开和闭变换都是对偶变换。对图像滤波而言，对偶变换意味着对图像 像素的直接处理和对图像背景的处理是等价的。 3 2 3 结构元素与图像预处理 结构元素b ，是z “空间或其子空间上的一个集合，一般有一定的几何形状， 如圆、正方形、有向线段等。结构元素常常包含原点，其尺寸也远远小于被考察 的图像。 结构元素在形态滤波中的作用类似于数字图象处理中的“滤波窗口”和邻域 处理中的“模板”，但其功能要比“滤波窗口”和“模板”强得多。常见的基本 结构元素如图3 一l 所示，其中的表示原点。 口口。矿气国 图3 1 常用结构元素 由于数学形态学图像是建立在二值图像的基础之上进行的，所以对于输入的 所有的图像，都要进行预处理使其转换成二值图像。所谓二值图像就是指图像的 值由o 和1 来表示，在本系统中，用o 和2 5 5 ( 黑、白) 来表示图像的象素值。 图像的预处理包括图像的滤波、图像的灰度化( 将象素值转换到o 2 5 5 之间) 与图像的二值化。它们的处理方法有很多种，很多文献中均有叙述，这里就不再 介绍了。 第1 4 页 浙江大学碰士学位论文 基于强层技术的爵影翳像编辑系统 2 5 6 色使豳直方强( 或二值圈) 3 。3 形态学基本变换 图3 2 图像的预处理 数学形态学在二值圈像处理中有四种基本变换，包括膨胀、腐蚀、开变换和 阚变换”1 。在有些文献中他们的定义形式不尽相同，本文中采用以下定义形式。 3 3 。l 膨胀变换 从前面的介绍中我们知道了，图像的膨胀定义为名。艿：缸l ( 段) n 0 彩 ，式 中，露为b 的映像，矗= 缸 x = 书，占e 辫，依攥腐蚀的定义我们设计程序流程为： 步骤1 ：读取图像信息； 步骤2 ：分配内存以保存新图像，并用臼色( 2 5 5 ) 来初始纯新分配的内存； 步骤3 ；判断绝构元索的类型，若为水平方向转步骤4 ，若为垂直方向转步 骤7 ，若为用户自定义转疹骤1 0 ； 步骤4 ：处理图像的每一行每一列； 第1 5 页 浙江尢学硕士学位论文 步骤5 ： 步骤6 ： 步骤7 ： 步骤8 ： 基于图层技术的图形图像编辑茉统 取得源图的当前点的像素值，并将目标的当前点的像索值设为白色， 源国臻中当兹点螽隽残者左右只要有一个点楚黑色，则垮譬撂图像 中的当前点赋成黑色； 图像蠡毒掰有点帮楚毽完毕? 怒转步骤1 3 ，否转步臻4 ； 处理图像的每一行每一列； 取得源图的当前点的像素值，并将目标的当前点的像索值设为臼色， 源图像中当前点自身或者上下只要有一个点怒黑色，则烽目标图像 中的当前点赋成黑色； 步骤9 ：图像的赝有点都处理完毕? 怒转步骥1 3 ，秀转步骤7 ； 步骤1 0 ：处理图像的每一行每一列； 步骤l ：鼗褥添图熬当藩点静像素篷，并籍嚣臻懿当蓊点戆豫素篷设为日叁， 源图像中对应结构元索中为黑色的那燧点中只要有一个是黑色，则 将舀标图豫中的当前赢赋成黑色； 步骤1 2 ：图像的所有点都处理完毕? 是转步骤1 3 ，甭转步骤l o ； 步骤1 3 ：将目标图拷贝到源图，并释放目标圈空间，将源图在屏幕显示，结 图3 3 霆豫豹澎艨交换 蒋1 6 页 浙江太学硕士学位论支 3 3 2 图像的腐蚀算法 基于图层技术的图形图像编辑系统 从前面的介绍中我们知道了图像的腐蚀定义为爿 口= x l ( 最) 爿) ，它表示 二值图像a 经二值图像b 腐蚀后在p 点仍为1 的充分必要条件是b 平移到p 后， b 中的1 像元也是a 中的1 像元”1 。在计算机辅助图案创意系统的设计时用白色 ( 2 5 5 ) 来表示o ，用黑色( o ) 来表示1 ， 依据腐蚀的定义我们设计程序流程为： 步骤1 ：读取图像信息； 步骤2 ：分配内存以保存新图像，并用白色( 2 5 5 ) 来初始化新分配的内存； 步骤3 ：判断结构元素的类型，若为水平方向转步骤4 ，若为垂直方向转步 骤7 ，若为用户白定义转步骤1 0 ； 步骤4 ：处理图像的每一行每一列； 步骤5 ：取得源图的当前点的像素值，并将目标的当前点的像素值设为黑色， 如果源图像中当前点自身或者左右有一个点不是黑色，则将目标图 像中的当前点赋成白色； 步骤6 ：图像的所有点都处理完毕? 是转步骤1 3 ，否转步骤4 ； 步骤7 ：处理图像的每一行每一列； 步骤8 ：取得源图的当前点的像素值，并将目标的当前点的像素值设为黑色， 如果源图像中当前点自身或者上下有一个点不是黑色，则将目标图 像中的当前点赋成白色； 步骤9 ： 图像的所有点都处理完毕? 是转步骤1 3 ，否转步骤7 ； 步骤1 0 ：处理图像的每一行每一列； 步骤1 1 ：取得源图的当前点的像素值，并将目标的当前点的像素值设为黑色， 如果源图像中对应结构元素中为黑色的那些点中有一个不是黑色， 则将目标图像中的当前点赋成白色： 步骤1 2 ：图像的所有点都处理完毕? 是转步骤1 3 ，否转步骤1 0 ； 步骤1 3 ：将目标图拷贝到源图，并释放目标图空间，将源图在屏幕显示，结 束。 第1 7 页 浙江大学硕士学位论文 基于图层技术的图形图像编辑系统 3 3 3 图像的开运算 图3 4 图像的腐蚀结果 利用图像b 对图像a 作开运算，其定义为：4 0 b = ( 爿o b ) 曰，所以设计算 法为： 步骤1 ：获取图像信息； 步骤2 ： 分配内存以保存目标图像，并以白色为其赋值； 步骤3 ： 对源图的每个像素进行腐蚀运算结果保存在目标图中； 步骤4 ：将目标图拷贝到源图中； 步骤5 ： 对源图的每个像素进行膨胀运算结果保存在目标图中； 步骤6 ： 将目标图拷贝到源图，释放目标图内存空间，将源图在屏幕显示， 结束。 结果如图3 5 所示。 3 3 4 图像的闭运算 利用图像b 对图像a 作闭运算，其定义为：4 b = ( 爿o b ) o 曰，所以设计 第1 8 页 浙江太学硕士学位论文 基于图屉技术的图形图像编辑系统 算法为： 步骤l ：获取隧像信惑； 步骤2 ： 分配内存以保存目标图像，并以白锻为其赋值； 多骤3 ：对溱窝蕊每个豫素遴行膨黢运算结采保存在霾标强中； 步骤4 ：将目标图拷贝到源阁中； 步骤5 ：对源图的每个像素邋行腐蚀运算结果保存在稿标图中； 步骤6 ：将目标图拷贝到源图，释放鼹标图内存空间，将源图在屏幕显示， 结束。 霞像豹牙运籍与阉遨簿都与爨像懿毖疆与膨涨一样鸯三鼹缝构元素朝：承 平方向的结构元素、垂直方向的结构元素和用户自定义的结构元素，其实现方法 露瓣疆与彩簇算法豹实褒。 结果如图3 5 所示。 图3 5 形态学开运算与彤态学阙运算结果 第1 9 页 濒江大学士学位论文 3 4 形态学边缘提取 3 。莲1 形态学边缘提取原理 基于理岳技本蝣爨彤圈像编辑系统 基于数学形态学边缘提取的基本原理非常简单。它充分利用了形态学变换的 蓦本淫凌，交繁肇豹枣豫形态交换蠢图像之阉豹差运黪褥至l 覆始强像戆透缘薅 息。由于其运辣简单，几何意义明确，又能通过对结构元素的简单控制来间接控 制所要提取边缘的基本特征，使得基于数学形态学的边缘检测方法具肖些传统 方法没有豹瞧霰。 边缘是图像灰度跳变的区域。根据形态学变换的基本性质乒埝，毋g ， 剩剃髑形态学提淑边缘鲸几个鏊本算予为，一 豫，移g 一，及，囝g 一，嗡，其 分剐称为腐蚀熬、膨胀差和形态学梯度。 对灰度腐蚀变换而言，如果结构元素g 位于灰度平坦区域，由于落在“窗口” 内瓣各点获凄蕊酃差不多，联激平逞区域缀变换螽臻入秘输密没套太大魏差别： 而一旦进入灰度跳变区域，则由于灰度值的差别比较大，所以变换扁的输出图像 在结构元素进入该区域的地方比原图有一个“降低”，根据腐蚀变换的反扩展性 歹氅豫，辩魏辩整输入覆鬻f 与趣终麓运算，剐菱鬻像，一耍蟓爱睽了图像 的边缘信息，因为在平坦区域f 与声l 苫的麓接近于零，而在灰度跳变区，其差较 大。 对灰度膨胀麓班及形态攀梯度，其检测边缘的基本原理和上述类似。，”零喙 算子给出的边缘是具有高获膨值的一侧：惭，毋g 一，算予给出的边缘是具有低 灰发篷豹一测。如图3 6 荧澎态学撵凄运箨懿示意霭。 第2 0 页 浙江太擎硕士学位论文 基于图屡技术的图彤图像编辑系统 羹埝一埘 l ， ；，、l 一 繇 l l l 1 蕊 图3 6 形态学梯波示意图 3 4 2 边缘提取算法 数学形态学对图像轮廓的定义为s = _ ( 0 ，即图像的轮廓为源图与图像 被腐蚀后的差。本文中采用多种结构元素来检测图像的边界，同时可以滤除噪声， 我锯定义了4 耱3 + 3 熬结秘元素，懿下图】| 莠示： 目田日田 黉3 74 耱结 鸯元素 图像中的边界期噪声都是梯度突变的蟪方，但是边界与噪声又具有不闻的形 态，因此在进行边界提取时，只需先确定醴j 梯度突变的像索点，然后再根据多结 梅元素对该像素进行判叛，鞋确定该像素点是边雾还是噪声，著是噪声则滤除， 若是边界则保留，从而不需对整幅图像中的缚一个像素点都进行数学形态学操作， 减少了大量豹不必黉靛运算。篓法步骤翔下： 步骤1 ：利用相邻像素麓分法选择梯度突变像素点； 步骤2 ：在梯度突变像豢点处进行多结构元素二值形态攀的腐镪操作，隰滤涂 噪声，提取边界； 步骤3 ；求取边界的图像，并在屏幕显示，结束。 帮2 1 页 浙江太学硕士擎位论文 基于图屡技术的图彤图像编辑系统 下图为几种常用边界提取算法的比较，从图像中可以辫出我们采用的数学形 态学数方法较其他方法钱。 a ) 潺翻 b ) s o b e l 算予提取豹边缘 c ) l a p l a c i a n 算予提取豹边缘d ) 形态学提取的边缘 图3 8 几种边界提取算法的比较 3 5 形态学的骨架抽取 3 5 1 形态学骨架抽取原理 骨架是图像几何形态的一种辆扑描述。利用骨架表示图像，可以在保持图 像羹要拓羚特征蛉蔻提f 。减小图像中匏冗余信患。因j 递，羧广泛废瘸于模式识 别、工业检测以及阁像压缩编码等领域。 薷2 2 页 浙江天擎硕士学位谁史基于黼岳彼幂酶毽髟霉像鳊辑系统 露骨絮撼述爨像瓣方法簸孥是由转i 黼提滋夔，憩使爱了中鞑熬概念：在 t 。o 时刻，将图像边界上所商点同时点燃，火焰以相同的速度向图像内部蔓延， 卷渡蔫摇遴露，犬遽媳灭，火戆游灭憝蕊鸯点夔蕉舍救撬壤了中鞭( 驿鸯黎辩。 如鬃x 为中轴上的点，t 为火焰从点燃到程x 点处熄灭所经历的时间，则t 与x 之阍的关系可用随数m i d ( x ) 浅示，酃t m i d ( x ) 。函数m i d ( x ) 称为中轴函数， 可潋滔予鬻豫蘸建”。 骨架还可以用最大嬲擞的概念来定义。设d 为图像s 中的一个内切啷盘，即 鍪少骞瑟点与辫爨逮奏稳甥，瓣襞銎不楚越臻s 蠹罄殛鳃其它翻是的子繁，裂称 瀑簸大臻鑫。懿霹雷絮s ，胃戳定义为圈绦内部聪毒最大嚣盏国一豹集会。最大 潮鑫的半径可用于图