（机械设计及理论专业论文）基于层次结构的彩色图像合成系统的关键技术研究与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 彩色图像合成系统是一种以图像分割技术和图像合成技术为核心的通用图像处理系 统。图像处理技术是随着电子技术和信息技术的发展迅速发展起来的学科，在社会各个 方面得到广泛应用。通用图像处理系统以数字图像处理技术为支撑，使各种图像处理功 能结合起来满足应用需求，是当今图像处理领域的研究热点之一。 本文通过分析图像分割和图像合成技术的研究现状，设计了基于小波多尺度分析的 图像分割算法和基于层次结构的图像合成算法。小波多尺度分析可以在不同尺度下分析 图像边缘信息获得准确的边缘定位。基于层次结构的合成算法主要利用蒙板和通道技术 来实现图像合成。为了保存合成图像信息，系统设计了应用于层次结构图像的文件格式。 本文通过分析图像处理技术现状，解决图像合成、图像分割和文件分析等关键技术， 探讨基于层次结构的彩色图像合成系统的设计与实现。系统满足图像合成和图像处理等 功能，可以应用在影像处理、环境布局设计、艺术设计、广告设计等领域。 本文的研究内容包括：系统设计、图像处理算法设计和图像文件解析等，可以概括 为以下几方面： 1 研究现有图像分割算法的特点，提出基于小波多尺度分析的图像分割算法，实 现图像目标的自动分割功能； 2 研究彩色图像合成算法，设计基于层次结构的图像合成算法和具有层次关系的 链表结构，实现多幅图像的合成： 3 分析合成图像信息结构和系统需求，设计基于层次结构的合成图像存储文件 ( p t s ) ： 4 分析图像处理系统的应用需求，设计实现常用图像处理算法，如几何变换、颜 色调整、特效处理等； 5 分析系统功能，解决系统方案和模块设计等问题，实现彩色图像合成系统 p h o t o s y n 。 p h o t o s y n 系统以w i n d o w s 操作系统为平台，采用c + + 语言开发实现。系统可以实现图 像分割、图像合成、添加蒙板和效果处理等操作，已经成功的运用在影像处理和广告制 作等方面，达到了预期的设计目标。 关键词：图像处理图像分割图像合成小波分析系统分析 浙江大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t t h e s y s t e mo f c o l o ri m a g e s y n t h e s i z i n g i sa n i m a g ep r o c e s ss y s t e m b a s e do n m u l t i l a y e r s t r u c t u r e ，w h i c hr e a l i z e si m a g es e g m e n ta n di m a g es y n t h e s i z i n g i m a g ep r o c e s si sac r o s s a r e ao f m a n y s c i e n c e ss u c ha sm a t h e m a t i c s ，p h y s i c s ，c o m p u t e rs c i e n c e ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a n d p s y c h i c s w i t h t h ed e v e l o p m e n to f i m a g e p r o c e s st e c h n o l o g y , m o r ea n d m o r ef i e l d sm a k e u s eo f i t b a s eo nt h ea n a l y s i so fi m a g es e g m e n ta n di m a g es y n t h e s i z i n gt e c h n o l o g y , t h i st h e s i s d e s i g n ss o m ea l g o r i t h m so fi m a g es e g m e n t w i t ht h ew a v e l e tm u l t i - s c a l ea n a l y s i sa n di m a g e s y n t h e s i z i n gw i t ht h em u l t i l a y e rs t r u c t u r e t h ew a v e l e t m u l t i - s c a l ea n a l y s i sc a l ld e t e c te d g e p o i n t si nd i f f e r e n ts c a l ea n dg e tt h ee x a c tp o s i t i o no fi m a g ee d g e t h ea l g o r i t h mo fi m a g e s y n t h e s i z i n gw i t hm u l t i - l a y e rs t r u c t u r eu s e st h et e c h n o l o g eo f m a s ka n dc h a n n e l st or e a l i z e i m a g es y n t h e s i z i n g f o rs a v i n gt h ed a t ao fi m a g es y n t h e s i z e d ，t h es y s t e md e s i g n san e w f i l e f o r m a t ew i t hl a y e ri n f o r m a t i o n b a s e do nt h e a n a l y s i so ft h ek e yt e c h n o l o g y so fi m a g ep r o c e s s i n g , s u c ha si m a g e s e g m e n t ，i m a g es y n t h e s i z i n g a n di m a g ef i l e p a r s e i n g ，a ni m a g es y n t h e s i z i n gs y s t e m i s d e s i g n e d i t c a l l s a t i s f yd i g i t a l - p h o t o - p r o c e s s ，a r td e s i g n ，e n v i r o n m e n tl a y o u td e s i g na n d a d v e r t i s e m e n td e s i g n i ta l s o p r o v i d em a n yf u n c t i o n s ，s u c ha s ：i m a g es e g m e n t ，i m a g e s y n t h e s i z e ，m a s kp r o c e s s i n g ，c o l o ra d j u s t i n g ，g e o m e t r i ct r a n s f o r m i n g a n di m a g ee f f e c t p r o c e s s i n g ， i nt h i s t h e s i s ，s o m en e wa l g o r i t h m s f o r i m a g es e g m e n ta n di m a g es y n t h e s i z e a r e d e s i g n e da n dr e a l i z e d , a n dt h em o d eo ft h ei m a g es y n t h e s i z i n gs y s t e mi s d i s c u s s e d t h e p r i n c i p l e c o n t e n t ss t u d i e di nt h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： 1 s t u d y i n gt h ea l g o r i t h mo fi m a g es e g m e n t ，a n db r i n g i n gf o r t han e w c o l o ri m a g e s e g m e n ta l g o r i t h mb a s e d o nw a v e l e tm u l t i - s c a l ea n a l y s i s b a s e do nt h i s ，t h es y s t e m r e a l i z e st h ea u t o - s e g m e n to f t h ec o l o ri m a g e o b j e c t s ， 2 s t u d y i n gt h ea l g o r i t h mo fi m a g es y n t h e s i z i n g , a n dd e s i g n i n gn e wa l g o r i t h mb a s e d o nm u l t i - l a y e rd a t as t r u c t u r et h a tr e c o r d si n f o r m a t i o no f e a c hl a y e ri ns y n t h e s i z e d i m a g e a n dt h em e t h o d o f i m a g e c o m b i n a t i o n 3 a n a l y s i st h ei n f o r m a t i o no fs y n t h e s i z e di m a g ea n dt h ef o r m a to fi m a g ef i l e ，a n d d e s i g n i n gt h ep t sf i l e f o r m a tw h i c hr e c o r d st h es y n t h e s i z e di m a g eb a s e do n 2 渐江大学硕士学位论文 m u l t i l a y e rs t r u c t u r e 4 a n a l y s i st h er e q u i r e m e n ta n d t h et a r g e to fi m a g es y s t e m ，a n dd e s i g n i n gt h ei m a g e p r o c e s sf u n c t i o n s ，s u c ha s ：a d j u s t i n gi m a g ec o l o r , t r a n s f o r m i n gi m a g es h a p ea n d e n h a n c i n gi m a g e e f f e c t 5 a n a l y s i st h es t r u c t u r ea n df u n c t i o n so f t h e s y s t e m ，d e s i g n i n gt h es y s t e mf r a m e ， d e t e r m i n i n gt h ef u n c t i o nm o d u l e sa n dt h ei n t e r f a c e i n gr e l a t i o n sa m o n gt h e m ，a n d i m p l e m e n t i n g t h e p r o t o t y p es y s t e m ( p h o t o s y n ) p h o t o s y ns y s t e m i s d e v e l o p e du s i n gm i c r o s o f t v i d u a lc + + i tl l l n so nm i c r o s o f t w i n d o w sn t 2 0 0 0s y s t e m w eh a v eu s e di tt om a k ea r t - p h o t oa n da d v e r t i s e m e n t ，a n di t w o r k sa se x p e c t e d k e yw o r d ：i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g es e g m e n t ，i m a g es y n t h e s i z e ，w a v e l e ta n a l y s i s ，s y s t e m a n a l y s i s 3 - 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 媳窀j 犍妻、本章首先说明强像处理技术在生活实践中昀广泛直用并分辑数字图像技术和图像 处理系统豹研究现状。然后在分柝固像分害8 鞍露像合残技术鳇基础i 提出彩色昏像合戏系统，并分 析7 系绞的设计曹景和应罱领域。最后总结t 系统需要解决的技术难蠹及本文要傲的i 要i 作， 1 1 引言 人眼接受的可视信息约占人类感知信息的7 0 n 以上，包括：视频、活动图像、静 止图像、文本、动画等等。由于图像与人们的日常生活息息相关，从人类诞生之时就开 始了对图像的研究。但是通常我们所看到的图像大多来自光电设备扫描获得的模拟信 号，如电视、录像或照相机等设备。数字图像技术只是在近几十年迅速发展起来的新领 域。 电子技术的发展使信号的数模转换成为现实，计算机技术的发展使大规模运算成 为可能，因此数字图像处理技术得到了快速发展。现今数字图像处理技术已发展成信息 技术的重要分支，包括图像压缩编码、图像理解、图像识别、图像跟踪、图像重建等方 面。 电脑、数码相机、数码录像机、摄像头等电子设备的广泛应用和i n t e r a c t 网络的快 速发展，使数字图像逐渐成为人们生活中的重要部分。为适应数字图像应用的需求，各 种图像处理系统得到了研究发展。 图像处理系统根据应用场合的不同可以分为专用系统和通用系统。专用系统是指针 对某个专用领域的应用设计处理系统，如军事图像处理、遥感图像处理、医学图像处理、 机器人视觉、安全与检测( 指纹、人脸、车牌识别) 等。通用系统是指满足普通客户需 求，实现数字图像的制作处理等操作的系统，如美国a d o b e 公司的p h o t o s h o p 和图像浏 览器a c d s e e 等等。 现今市场上流行的通用图像处理系统基本以满足图像制作和特效处理为目标，系统 主要应用于艺术设计、广告设计和影像制作等方面。然而实现多幅图像合成的系统还有 不少不足之处。一方面图像分割功能的智能化比较低，很大程度上需要用户手动描出需 要分割的区域，处理效率比较低。另一方面图像合成的效果不太理想，只是简单的粘贴 关系，达不到合成效果。存在这些问题的原因主要是图像分割和图像融合技术还不够完 善。 图像分割是实现众多图像处理操作的基础，它是按照一定的规则把图像分割为不同 的区域，每个区域内有自身的特点区别于其它区域。 斯扛大学硕士学位论文第一章绪论 图像合成技术是通过特定算法实现多幅图像的融合，以达到某种预期效果，它不同 于一般的图像处理技术，要涉及到不同图像之间的运算。 本文在分析各种图像处理技术的基础上，设计实现基于层次结构的彩色图像合成系 统。根据系统功能要求设计图像分割、图像合成和其它图像处理算法，实现多幅图像之 间的合成和处理。 1 2 图像处理系统的研究现状与发展趋势 1 2 1 图像处理系统的现状分析 图像处理系统是应用图像处理技术满足用户需求的应用系统。根据图像数据的处理 流程，图像处理系统可以表述为图1 1 所示的模型。首先从成像设备获取图像信息；然 后对图像信息作相应的预处理，提高图像的质量；其次对图像进行分割，获得目标区域； 再次分析图像目标区域，提取目标特征；最后根据领域知识进行图像的识别和理解，并 将结果显示出来。 根据图像处理系统的应用范围可以将其分为两类：专用图像处理系统和通用图像处 理系统。不论是那种类型的，图像处理系统都符合图1 1 所示的模型，只是系统实现的 侧重点不同。 1 专用图像处理系统 专用图像处理系统主要是指满足某类专业需求的处理系统，一般它与专业知识密切 结合，从中获得足够的先验知识建立知识库。系统一般包括了从图像采集设备获得原始 连续信号、进行量化、增强处理以获得质量较好的数字图像到提取图像特征和利用系统 知识库进行模式识别，获得处理结果的整个过程。这类系统大多是硬件设备和软件处理 相结合共同完成图像处理功能，如雷达搜索系统，医学成像系统等。 专用图像处理系统主要是应用数字图像知识，通过一定的信息处理方法，实现各个 专业领域的应用需求。如军事上的雷达搜索、卫星定位等，医学上的x 射线透视，血 液检查等，地质勘探等各个领域。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 2 通用图像处理系统 通用图像处理系统是指为满足普通客户的需求而设计图像处理系统。该类系统一般 是对已经量化的数字图像进行操作，采用各种数字图像处理的知识，改变图像的显示效 果或者制作新的图像。通用图像处理系统不同于专用图像处理系统，它一般没有应用邻 域的专业知识作为背景，是利用纯图像处理知识解决问题。通用图像处理系统根据实际 应用的不同可以分为图像浏览系统和图像制作系统。 图像浏览系统主要指实现图像浏览功能的看图工具，如a c d s e e 、豪杰大眼睛等。 其功能体现在能够浏览的图像文件格式的多少和图像显示的速度和质量。这种系统中， a c d s e e 以其简洁的界面、方便的操作和强大的功能获得用户的信赖，应用最为广泛。 作为单一浏览工具的图像软件逐渐不能满足用户的需求，该类软件的发展趋势将是与互 联网络结合。 图像制作系统主要指应用图像处理方法对数字图像进行再加工的系统，如 p h o t o s h o p 、“我行我素”等。该类系统通过改变图像的颜色、形状、位置等信息，生成 新的图像。p h o t o s h o p 是a d o b e 公司推出的图像制作系统，该系统采用层结构记录图像 信息，并提供强大的图像处理功能可以完成各种特效处理，是目前广泛采用的通用图像 袁4 作系统。由于图像制作系统应用的广泛性，我们一般将该类系统称为图像处理系统。 由于本文是针对通用图像处理系统技术的研究，因此需要对这类系统更加深入的研 究。现今流行图像处理系统已经解决许多方面的技术问题，但对于普通的计算机用户来 说图像处理还是一件非常复杂的操作。综合分析现有的图像处理系统可以发现存在以下 特点： 1 ) 智能化程度低：由于图像处理技术还不是很完善，因此图像处理系统的操作必须有 用户的介入才能进行。采用交互操作的模式虽然使图像处理变得灵活，但是增加了 图像处理的操作难度。 2 ) 丰富处理功能：提供丰富灯光纹理设计和各种几何变换，颜色操作以及特效处理等， 可以获得想要的各种处理效果。 3 ) 不支持多幅图像之间的合成，在图像之间只有简单的粘贴关系，不能获得很好的制 作效果。 4 ) 操作人员要求较高，需要经过专业的培训。普通计算机用户难以掌握，不利于图像 处理技术的推广应用。 1 2 2 图像处理系统的发展趋势 随着图像处理在日常生活中的应用目益广泛，图像处理系统必将获得更为广泛的发 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 展。信息技术、计算机技术和数字信号处理技术的快速发展，为图像处理系统的发展提 供了充分的技术基础。图像处理系统将朝着以下几个方面发展： 1 智能化 智能化是图像处理系统发展的必然趋势，目前图像处理过程大多采用用户交互操作 的方式实现。随着图像处理技术的发展，图像处理系统的智能程度必将提高。 智能化主要是减少图像处理的难度，提供从图像目标选取到图像显示效果的自动匹 配功能，智能化的结果就是使图像处理过程“傻瓜”化。智能化程度的提高有利于图像 处理技术的推广。 2 专业化、集成化 专业化和集成化是统一辨证的，专业化表示图像处理系统将朝着满足某一类需求的 专用系统发展，使该系统成为该领域的专家系统：集成化表示图像处理系统不仅仅是单 一的图像处理工具，它应该集图像处理、信息交换和图像浏览等为一体。 图像处理在不同领域的应用有不同的要求，对于专业性很强的系统必须应用专业方 面的先验知识，一般的图像处理系统将不能满足他们的要求。因此图像处理系统必将朝 着专业化方面发展，各种专用的图像处理系统就是这种发展的结果。 相对与专用系统的发展，通用图像处理系统将定位于满足普通用户的需求，通过改 进图像处理技术，提高系统的智能程度。由于普通客户的需求是多样的，因此图像处理 系统需要继承各方面功能，提高系统的集成程度。 3 网络化 随着网络传输速度的提高，i n t e m e t 以成为人们生活中的重要方面。i n t e r n e t 的发展 提供了资源共享和信息交换的机会。为了加速获得信息、发布信息，图像处理系统应充 分利用网络技术使图像处理系统具有图像搜索，图像下载和图像传输等功能的系统。 1 3 图像处理技术的研究现状 自然的图像通常是连续的模拟信号，因此需要对从成像设备获得的图像信号进行数 字化处理以产生数字图像。数字化处理就是对模拟图像信号进行离散量化，包括采样和 量化。这两个过程实际上都是离散过程：采样是对客观场景在时间域和空间域上的离散 化，即截取一定时间点上的场景获得连续的二维信息。量化是对采样信号幅度的离散化， 获得可以数字编码的图像矩阵。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 1 图像处理技术的发展趋势 随着科技水平的不断发展和工业、国防、医学，资源和艺术等领域应用需求的扩大， 图像处理技术获得了飞速的发展。在图像处理技术的发展过程中孕育和发展了图像增强 与图像恢复、图像理解与图像识别、图像重建技术、虚拟现实和数字图像编码等技术。 1 图像增强与图像恢复 图像增强是根据图像处理的需要增强图像中感兴趣的目标或特征。图像增强一般不 考虑引起图像降质的原因，在变换过程中还可能衰减或消除图像的其它特征。 图像恢复是通过一定的变换操作恢复图像在离散和传输过程产生的降质。图像恢复 的过程比较复杂：首先需要分析引起降质的原因；然后建立图像降质的模型；最后消除 图像降质。图像降质原因有时不能完全清楚，在实际处理中常根据噪声和模糊等理论建 立起近似的模型。 2 图像识别与图像理解 图像识别与图像理解是对图像信息进行深入分析处理，获得图像中各个目标的信息 和特征并进行相关后继处理的过程，也就是应用信息处理技术再现人脑对图像的认识、 理解过程。图像识别与图像理解是进行深层次图像处理的基础，是当今图像处理技术研 究的重点。 3 图像重建技术 图像重建技术是根据某种检测方式下获得的携带物体结构信息的图像数据恢复出 原始物体结构形状的过程，可以分为二维重建和三维重建。图像重建技术在众多领域获 得广泛应用，特别是医学图像，地址勘探以及检测等领域，根据射线等方式获得物体内 部的信息，并以此重建物体的内部结构图。 4 虚拟现实 虚拟现实是利用计算机技术、控制技术等再现真实三维场景，模拟未知的环境和模 型，有很强的交互性。现今虚拟现实技术已广泛应用于制造技术、商品展示、规划设计、 环境模拟、影视娱乐及网络多媒体等各个领域。 5 图像编码 图像信息数据量大，冗余信息多，因此数字图像编码技术在图像传输和图像存储等 方面有重要意义。通过编码压缩可以大大减少图像的冗余信息，提高图像传输速度，减 少存储空间。图像压缩根据图像信息的损坏程度可以分无损和有损压缩两类。无损压缩 由于其压缩比有一定的极限，所以目前已经不是研究的热点，大家的研究主要集中在有 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 损压缩上。所谓的有损压缩就是压缩后图像的某些信息会丢失，由于各类专业图像所关 心的信息不同，其压缩方法也不相同。 1 3 2 图像分割技术的研究现状3 】 4 】 图像分割是图像处理的基本问题之一，其要点是：把图像划分成若干互不交迭区域 的集合，这些区域要么对当前的任务有意义，要么有助于说明它们与实际物体或物体的 某些部分之间的对应关系。图像分割的应用非常广泛，几乎出现在有关图像处理的所有 领域，图像分割的准确性直接影响后续任务的有效性，因此具有十分重要的意义。 图像分割虽然发展了许多年，但是仍然没有一个非常有效的算法，随着技术的不断 进步新的算法也不断的涌现。现今比较常用的算法可以分为以下几类：阀值分割、边缘 检测、形态数学和小波分析等等。 1 阀值分割就是简单地用一个或几个阀值将图像的灰度直方图分成几个类，认为 图像中灰度值在同一个灰度类内的像素属于同一个物体。 2 边缘检测方法【8 1 【9 1 是人们研究得最多的方法之一，它试图通过检测不同区域的边 缘来解决图像分割问题。根据检测边缘所采用的方式的不同，边缘检测方法大致包括以 下几类：边远跟踪，图像滤波，多尺度分析和边界曲线拟合等。 3数学形态学是- - n 建立在积分几何与随机集论基础上的结构分析学方法。积分 几何能够反映出图形的结构、形态的性质，而图像中的随机性质( 如灰度分布等) 的处理 则以随机集论为基础。 4 m a l l a t 等人在文献【1 3 】中证明，利用小波变换可以实现不同尺度下采用相同算子 的边缘提取。小波变换同时在时域和频域具有变分辨率特性，对不同频率的分量采用不 同尺度的空间变换，可以聚焦到分析对象的任意细节，获得图像边缘。 1 3 3 图像合成技术的研究现状 图像合成是指根据应用需求把多幅图像融合在 一起，组成一幅新的图像。在图像的融合过程中， 对两幅图像的处理，是一个关键的问题。如何使图 片“无缝”的连接或融合到背景图中去，使处理后 的边界图片显得自然、无剪贴痕迹，这需要设计合 适融合算法。 图像合成的过程就是将每幅图像采用指定的 映射关系组合在一起。图1 2 是两幅图像的合成示 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 意图：a 层为背景图像，象素值记为f i ( x ，y ) 。c 层为分割图像，象素值记为f 2 ( x ，y ) 。b 层为合成图像，象素值记为f 3 ( x ，y ) ，是来自a 层和c 层图像数据的融合而成的，可以 根据式5 1 计算合成图像象素值： 肌力= 蔓，3 譬嚣 f ( 五，f 2 ) 表示图像合成区域内采用的合成算法。 合成图像有两种基本的表示方法：一种利用融合算法将各幅图像需要显示的数据组 合成一幅新的图像，称为数据融合法；另一种是定义层次记录下所有的图像信息，然后 根据图像之间的合成关系显示合成图像，称为层结构法。 图像之间的映射关系可以采用通道和蒙板等技术表述。通道和蒙板都是用于存储图 像合成信息的区域。通道记录各幅图像采用的显示比例，可以实现透明和边缘融合等效 果。蒙板通过开关操作实现对图像显示的控制，可以利用图形学知识，生成不同的蒙板， 控制图像的显示效果。 1 4 课题背景 1 4 1 彩色图像合成系统的定位 根据社会对图像处理的要求，本文讨论设计了彩色图像合成系统。它将满足以下几 个方面的需求： 1 影像处理 随着人们生活水平的提高，人们正逐渐把目光转向对美好事物的向往和追求，希望 对自己的生活留下美好的回忆。这就要求影楼不仅有高超的摄影技术还要有高超的影像 制作技术，因此需要应用合适的图像处理软件来实现这些影像制作。现今影楼使用的图 像处理软件大多是a d o b e 公司的p h o t o s h o p 系统，该系统功能强大，但缺点就是操作繁琐， 制作效率低，并且对操作人员要求较高，需要经过专业培训。 彩色图像合成系统将实现背景图像和照片之间的快速合成、照片图像的艺术处理和 添加各种蒙板等功能。系统背景图像可以由其他图像处理软件制作也可以由系统自己生 成，在图像合成时只需将照片加入背景图像并融合合成边界即实现图像的快速合成。当 需要增加照片艺术效果时，系统根据需要选择一定的处理操作改变照片的显示效果，如 增加朦胧效果或者添加一些光环等。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 2 环境绿化设计 人类社会的发展要求人与自然环境协调发展，人们生活水平的提高要求有更加美好 的居住环境。环境绿化设计是当今城市、小区规划的重要因素，因此需要能动态显示环 境绿化效果的绿化设计系统。 现有的环境规划系统大多是基于图形绘制的辅助设计系统，如c a d ，3 d m a x 等a 彩色图像合成系统可以实现真实景象的绿化设计。设计人员可以调入地区的基本布局图 作为背景图像，将不同的房屋、树木、花草、绿地等图像作为目标图像加入背景图像中， 合成为环境绿化效果图。 3 艺术设计 电脑艺术设计在社会生活中的应用广泛，可以用于广告设计、室内装璜、美工设计 等方面。应用图像处理系统可以获得效果良好的艺术效果，如将产品效果图进行再处理， 增加必要的渲染效果，会增加广告的效果。 彩色图像合成系统同样适用于艺术设计方面。设计人员调入不同的图像，通过图像 间的合成和处理生成各种艺术图像，同样也可以调入产品图像制作产品广告。 4 图像浏览工具 一般图像处理系统都能实现图像浏览功能，但由于通用图像处理系统含有许多图像 处理模块，非常庞大，使图像处理系统浏览图像的速度很慢。我们在系统中设计图像浏 览子系统，使图像浏览变得轻巧灵便。 图像浏览子系统可以实现大多数文件格式图像的浏览，利用它可以快速查找需要的 图像。根据扩展的需要，该子系统还将增加网上搜索和下载功能，充分利用网络资源。 1 4 2 彩色图像合成系统设计实现的关键技术 彩色图像合成系统的设计实现涉及到许多技术问题。根据系统的应用需求和图像处 理技术的现状，需要解决以下难点： 1 图像分割算法 图像的合成首先要从不同的图像中获得所需的图像目标，然后将其合成在一起a 图 像分割属于图像理解和识别技术，现今还没有十分完善的分割算法，只能根据图像特点 设计合适的算法。本文将结合系统处理图像的特点设计合适图像分割算法，实现图像目 标的自动分割。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 系统除了具有自动分割的功能外，还要能够手动交互分割所需的图像目标。手动分 割图像目标需要设计合适的曲线拟合算法，确定分割的区域。 2 多幅图像的合成 在系统导入多幅图像以后，将它们有机的合成为一幅符合要求的图像，需要特定的 融合算法。为了方便图像操作，而不是仅仅存储合成的效果图像，需要设计专用的数据 结构保存图像的合成信息。 对于图像合成来说，一方面需要设计合理的数据结构和算法用来实现图像合成；另 一方面需要设计专用的图像文件格式记录合成图像的信息。 3 系统设计与实现 彩色图像合成系统是一个集图像处理、图像浏览为一体的通用图像处理系统。为有 效管理和组织系统的开发与实现，系统的结构要划分为不同的功能模块，各模块要相对 独立便于开发和代码重用。 系统采用面向对象的模块化组件技术设计，v c + + 工具实现。系统的各个子模块独 立实现，模块之间采用接口传递信息。采用这种方法可以降低系统开发的难度，也便于 系统更新和修改。但是采用该方法，各模块的设计以及对象类的设计将十分复杂。 4 图像处理模块 图像处理模块是系统的核心模块，包括多个子模块：图像分割、图像变换、图像颜 色处理、图像特效处理等。由于不同的图像处理操作需要不同的图像处理知识，因此对 于不同处理子模块需要设计不同的数据结构，对于不同的操作要设计对应的实现算法。 对于处理模块本身设计，要考虑不同子模块之间的协调问题，以及模块本身与系统其它 模块的接口。 1 5 论文主要工作内容 彩色图像合成系统是一个采用图像处理技术满足实际应用的系统，在系统设计与实 现过程中将应用到图像处理和软件工程方面理论。根据对系统所涉及的关键技术分析， 论文主要研究以下几方面的内容： 1 系统设计与实现：应用软件工程知识设计系统结构、划分功能模块、设计模块接 口等。在系统实现时，详细设计系统线程和对象类，将各种算法用计算机语言加以 实现。 斯豇大学硕士学位论文第一章绪论 2 图像分割算法： 在分析现有图像分割算法优缺点的基础上，结合本系统处理图像 的特征提出更为准确，迅速的图像分割算法，完成系统图像目标分割模块的设计和 算法程序实现。 3 图像合成算法：针对合成图像的信息特点，设计多层次数据结构保存图像信息， 充分记录各层图像的信息和合成的方式。根据合成信息研究图像合成算法，实现多 幅图像之间的合成，达到各种合成效果。 4 ，合成图像文件：根据应用需求设计合成图像文件，文件记录各层图像数据和合成信 息。 5 图像特效处理：根据系统对图像处理的要求，设计各种图像处理算法。包括旋转、 镜射、平移、缩放等几何操作：色度、对比度、亮度等颜色操作和各种特效处理， 并采用计算机语言加以实现。 6 图像浏览子系统：系统将图像处理和图像测览有机结合起来方便操作。图像浏览子 系统将实现图像浏览和网络搜索等功能，用来查看图像效果和寻找图像资源。 浙江大学硕士学位论文 第二章系统方案分析与设计 第二章系统方案分析与设计 t 甑奄提要、本章首先介绍系统采用的分析技术和开发i 其即对象模型分析设i - t 甓z e ( o m t ) 和v i s u a l c + 开发平台：然后分析系统的功能需求劳在此基础上构建系统框架设计系统的功能 模块功能。确定系统解决方案， 2 1 系统分析技术和开发工具 考虑彩色图像合成系统是一种通用的图像处理系统，因此选择目前广泛应用的 w i n d o w s 平台作为其开发环境，包括：w i n 9 8 ，w i n n t , w i n 2 0 0 0 等系统。w i n d o w s 平台在 实际中操作简便、应用广泛，并且支持网络和位图操作，很适合本系统的要求。下面详 细介绍系统开发过程中应用的一些分析设计技术和实现工具。 2 1 1 对象模型技术( o m t ) 随着软件规模的扩大，传统的面向过程的设计方法已不能满足应用需求。为了解决 大型系统的开发中遇到的问题，产生了面向对象技术1 1 4 1 0 面向对象技术强调系统直观 模型而不强调算法，它按照人的思维方式建立系统模型。面向对象技术发展到现在已成 为专门的学科，包括面向对象分析、面向对象设计，模型化技术等，总称为对象模型技 术( o n 盯) 。 面向对象方法因符合人们认识世界的思维模式，越来越多的被用来进行软件系统的 分析和设计【l5 】：如在程序设计中的面向对象程序设计、在人工智能中的面向对象知识表 示、在数据库中的面向对象数据库、在人机界面中的o o g c i 、在计算机体系结构电帕 面向对象结构体系等。 1 对象模型技术基本概念 对象模型技术( o m t ) 是与编程无关的系统分析设计方法，主要包括面向对象的 分析、面向对象的设计和模型化技术。o m t 贯穿于系统开发的整个生命周期。面向对 象的分析和设计包括：系统分析、系统设计、对象设计和实现4 步；模型化技术是根据 分析信息建立系统模型图的过程。 系统分析是整个系统设计的起始点，主要确定必须做什么、不去做什么、今后扩展 什么等问题。因此在系统分析阶段要做大量的调查和研究，只有准确分析系统的需求和 目标，才能为以后的设计提供准确的依据，使设计符合最终的要求。 系统设计是基于系统分析的结果，确定系统的实现方案，设计系统结构和系统模块。 浙江大学硕士学位论文第= 章系统方案分析与设计 系统设计的结果取决于系统分析准确性和设计方法等因素。在系统获得精确分析的基础 上，系统设计就是有效的组织相关的信息，生成系统的逻辑和物理描述，建立静态和动 态模型。 对象设计是在系统模型的基础上分析系统各部分之间的关系以及各个模块的实现 细节、数据结构和算法等。根据分析的结果，将各模块内关系密切或者有特殊关联的数 据和算法划分为同一对象类，并确定各个对象类之间的关系。 实现是将对象和对象之间的关系转换为程序设计语言或数据库实现。实现是系统设 计最终结果的体现，可以根据需要采用不同的程序语言实现，现在常用的面向对象语言 有：c + + 、p e r l 等。 o m t 方法在系统开发过程中需要生成三个模型：对象模型、动态模型和功能模型。 对象模型描述系统中的对象特性和它们之间的静态关系，如继承、成员和友员等，可以 用对象图表示。动态模型描述系统中对象状态和它们间的调用关系，可以用状态图表示。 功能模型描述系统中数据的传输过程，可以用数据流程图表示。三个模型从三个不同但 又密切相关的角度描述了系统的需求。应用o m t 技术开发系统的过程不是一成不变的， 而是一个复杂的反复修改的过程，随着系统的进展不断修改模型中不合适的地方。 2 对象模型技术的优点i l 6 】 对象模型技术能在实践中获得广泛应用，主要是采用面向对象的分析设计技术和模 型化技术。这种新兴的分析设计方法具有众多优点： 面向对象技术是从现实世界中客观存在的事物( 即对象) 出发来构造系统，并在系 统构造中尽可能运用人类的自然思维方式。 面向对象技术运用继承、封装、多态性等方法实现对象之间的关联和对象内部 数据的保护。 模型化技术是在建立系统模型图的基础之上实现，使设计思路变得更加清晰， 有利于系统的设计和实现。 o m t 可以在系统整个生命周期达到概念、原则、术语及表示法的高度一致。这 种一致性使得各个模块尽管在不同的开发与演化阶段有不同的形态，但可具有贯穿整个 软件生命周期的良好映射。 o m t 可以支持各个级别软件的复用，而且能对各个级别的复用形成统一的、高 效的支持，达到良好的全局效果。 基于以上优点，彩色图像合成系统的分析设计采用了o m t 技术，在分析系统功能 需求和设计需求的基础上，设计系统的三个模型。 2 1 2 面向对象的系统开发工具 彩色图像合成系统采用v i s u a lc + + 作为开发工具，这主要是对v i s u a lc + + 和彩色图 像合成系统的特点详细分析的结果。彩色图像合成系统不同于一般的应用系统，它具有 浙江大学硕士学位论文第二章系统方案分析与设计 数据量大( 位图图像) 、计算量大( 各种滤波操作和图像操作) 等特点。并且彩色图像 合成系统是面向普通用户的系统，要有较快的反应速度和较好的交互性。v i s u a lc + + 具 有的特点可以满足以上的要求： c 语言是中级程序语言，其执行效率介于低级程序语言和高级程序语言之间。 v c + + 在c 语言的基础上发展起来，继承了高效率的优点，因此用它开发的程序运行速 度要快于其它高级程序语言开发的程序。对于计算量大的图像处理系统来说，v c + + 是 较好的选择。 v i s u a lc 抖是面向对象的程序设计语言，支持面向对象编程的类、封装、继承 和多态性等技术。采用面向对象的编程语言，程序代码的可重用性强，易于扩展和维护， 增加程序的开发效率。彩色图像合成系统采用o m t 技术分析设计，因此需要采用对应 的面向对象的程序设计语言。 v i s u a lc + + 是图形界面的应用程序开发环境，提供了多种应用程序的开发向导。 应用v i s u a lc 斗+ 应用程序开发向导可简便的生成程序框架，而几乎不用写任何代码。 v i s u a lc + + 的函数库m f c 还提供了众多的控件和模板资源，程序中可以方便的引入。 因此采用v i s u a lc + + 开发工具可以加快代码实现，缩短程序开发周期。 v i s u a lc + + 具有强大的功能，可以支持动态连接库( d l l ) 、组件模块技术( c o m ) 、 消息传递、多文档接口、动态内存、多线程和多进程等技术。广泛的技术支持可以使系 统开发变得更加灵活。 2 2 系统功能分析 在第一章我们详细分析了本系统的应用范围和应用要求，在此基础上总结分析系统 的功能要求，主要可以概括为几个方面： 1 图像文件解析 彩色图像合成系统应用在婚纱摄影、艺术设计、环境规划和广告设计等方面，需要 处理不同类型的图像文件。因此彩色图像合成系统需要解析各种类型的图像文件，现阶 段我们只考虑了b m p 、j p e g 、t 礤f 、p s d 等常用格式的文件，其它类型的图像文件可 在以后加入。 为了存储合成图像信息，系统需要设计专用的图像文件。该文件要采用层次结构充 分记录每层图像信息和它们之间的合成关系，达至完整保存合成图像信息的功能。 浙江大学硕士学位论文第二章系统方案分析与设计 2 图像处理 彩色图像合成系统作为一种通用的图像处理系统，图像处理功能是系统核心，也是 体现系统是否成功的最重要标准。根据实际的应用可以将图像处理功能可以分为以下几 个方面： 图像几何变换功能，即通过改变象素在图像中的位置来改变图像显示效果，包 括：平移、旋转、镜射、缩放等操作。 图像颜色变换功能，即直接改变象素颜色值来改变图像显示效果，包括：单色、 对比度、亮度、色度等方面的调蹩。 特效处理功能，即通过各种图像处理算法改变图像的显示效果，包括水纹效果、 浮雕效果、马赛克效果、直方图均衡化等。 图像分割功能，即从图像中分离出需要的目标，可分为手动分割和自动分割。 手动分割使用鼠标划分出分割区域；自动分割是根据分割算法自动识别目标图像。通 过图像分割确定要选定的目标区域，为图像合成做好准备。 图像合成功能，即根据需要采用一定算法将多幅图像以一定的方式融合在一起。 按照图像的存储方式，合成图像可以是一幅单层的位图文件，也可以是多层图像组成 的层次结构文件。 蒙板操作功能，即对单层图像增加一定形状的蒙板，增强图像的显示效果。 层操作功能，即对层次结构的操作，如调整某一幅图像在合成图像中的前后关 系、增加、删除层等操作。 3 图像显示功能 在图像合成系统中要表达图像处理的效果，就需要把图像显示在输出设备上如：显 示器、打印机等，因此图像显示功能是系统不可缺少的一部分。 图像显示是将图像按一定的要求显示在设备上，一般操作系统已经设计了显示的底 层函数，系统只是根据需要调用不同显示方式。对于单层位图可以直接采用操作系统提 供的函数进行显示；对于合成图像需要采用一定算法加以处理，然后再调用相应的函数 加以实现。 4 系统预处理功能 系统预处理功能主要是根据系统需要预处理各种信息和引擎，为系统运行创造环境。 预处理主要完成以下几方面的工作： 浙江大学硕士学位论文 第二章系统方案分析与设计 设置系统运行环境； 初始化各个系统模块和数据存储区： 自动读取图像缩