（电力系统及其自动化专业论文）扫描图像等高线的识别.pdf

华中科技大学硕士学位论文 l l _ _ _ ；_ _ ；自= ；= = ；= = ；j = ；_ _ _ _ _ - _ - - _ - l - - - _ 1绪言 1 1 引言 人们常吉。“耳听为虚，眼见为实”，叫见视觉在人们的同常g 嫱i 中的重要性。科 。学实验证明，铀：人类获取的信息中，视觉信息约- o i6 0 ，听觉信息约占2 0 ，其它的f f j i 蛛髓信息、触觉信息等如l 起来约占2 0 。此叫见视觉信息埘人类的重要性，丽图像“i 足人类获取视觉信息的主要途径“1 。所谓“l 斟”，就是物体透射或者反射光的分布；“像” 足人的视觉系统接收图像的信息而在大腑t l j 眵成的印象或认 = “1 。闪此，对人类视觉的 倒f 究，以及利刚计算机进行图像处理与理解，舀吖者息处理中就戥得尤其重要。随着成像 技术应用的不断扩大，数字图像处理和理解技术的i 1 益成熟，数字图像处理与理解也就 褂剑越米越广泛的应川。在空问探测、遥感、j j f 侦察与精确制导、z 卜物医学、1 ：、i k 检 测等斤惭都有很多成功的应用，并积岽了人q - t + f i 9 f i - j f f f + + + 息“。“1 。这些信息如何管理以 及如f l i i 从这些信息中捉墩特定的有j j 信息，成为人们新的研究热 。 所谓图像处理，就是对图像信息进+ p n s e 以满足人的视觉心理或应用需求的行为。 f j 像处雕的r 段自+ 光学厅法和i 乜f 学( 数。 ：) 力+ 浊。简1 l = ；已经f j 很长的发展历史，从简 t p 的) 匕? 滤波剑j 见机吖内激光全息技术，) 匕7 ：处州州沦已经l 二i 趋完善，婀j j 处理速度快， 信息容量大，分辨率高，又很经济。但是光学处i i ! n 像精度不够商，稳定性差，操作刁i 便。从2 0 雌纪6 0 年代起，随着电j f 技术羽算机技术的不断摊两和普及，数字矧像处 耻进入商速发腱时期。所谓数字图像处理就是+ , j i l l 数字计算帆或者其他数字硬件，埘从 阳像仃i 息转换而得的ll l 信号进行某些数学运算，以提高陶像的实_ j 性。例血 f 从h 星陶h + 小提墩目标物的特征参数，三维立体断层例像的一代建等等。数字图像处理技术处理精度 比较- 箭，而目还可以通过改进处理软件术优化处删效果“1 。 进行数字图像处理和图像识别，l ：i ：以福作址j 二统计方法的模式识别系统“1 ，它山 | = l | 个f i j 分鲥i 成：数据获墩、预处理、特征挺取和选择、分类决策。l 三舞步骤如下图1 一l 所爪： 华中科技大学硕士学位论文 l l _ _ _ ；_ _ ；自= ；= = ；= = ；j = ；_ _ _ _ _ - _ - - _ - l - - - _ 1绪言 1 1 引言 人们常吉。“耳听为虚，眼见为实”，叫见视觉在人们的同常g 嫱i 中的重要性。科 。学实验证明，铀：人类获取的信息中，视觉信息约- o i6 0 ，听觉信息约占2 0 ，其它的f f j i 蛛髓信息、触觉信息等如l 起来约占2 0 。此叫见视觉信息埘人类的重要性，丽图像“i 足人类获取视觉信息的主要途径“1 。所谓“l 斟”，就是物体透射或者反射光的分布；“像” 足人的视觉系统接收图像的信息而在大腑t l j 眵成的印象或认 = “1 。闪此，对人类视觉的 倒f 究，以及利刚计算机进行图像处理与理解，舀吖者息处理中就戥得尤其重要。随着成像 技术应用的不断扩大，数字图像处理和理解技术的i 1 益成熟，数字图像处理与理解也就 褂剑越米越广泛的应川。在空问探测、遥感、j j f 侦察与精确制导、z 卜物医学、1 ：、i k 检 测等斤惭都有很多成功的应用，并积岽了人q - t + f i 9 f i - j f f f + + + 息“。“1 。这些信息如何管理以 及如f l i i 从这些信息中捉墩特定的有j j 信息，成为人们新的研究热 。 所谓图像处理，就是对图像信息进+ p n s e 以满足人的视觉心理或应用需求的行为。 f j 像处雕的r 段自+ 光学厅法和i 乜f 学( 数。 ：) 力+ 浊。简1 l = ；已经f j 很长的发展历史，从简 t p 的) 匕? 滤波剑j 见机吖内激光全息技术，) 匕7 ：处州州沦已经l 二i 趋完善，婀j j 处理速度快， 信息容量大，分辨率高，又很经济。但是光学处i i ! n 像精度不够商，稳定性差，操作刁i 便。从2 0 雌纪6 0 年代起，随着电j f 技术羽算机技术的不断摊两和普及，数字矧像处 耻进入商速发腱时期。所谓数字图像处理就是+ , j i l l 数字计算帆或者其他数字硬件，埘从 阳像仃i 息转换而得的ll l 信号进行某些数学运算，以提高陶像的实_ j 性。例血 f 从h 星陶h + 小提墩目标物的特征参数，三维立体断层例像的一代建等等。数字图像处理技术处理精度 比较- 箭，而目还可以通过改进处理软件术优化处删效果“1 。 进行数字图像处理和图像识别，l ：i ：以福作址j 二统计方法的模式识别系统“1 ，它山 | = l | 个f i j 分鲥i 成：数据获墩、预处理、特征挺取和选择、分类决策。l 三舞步骤如下图1 一l 所爪： 华中科技大学硕士学位论文 1 2 基于地图识别的背景 图1 - 1 模式识别系统的基本组成 2 0 世纪5 0 年代，科学揭丌了人类进入空f i + j l l , j 代和信息社会的序幕。人造地球：毪星 平计算机的飞速发展。为研究复杂的地球系统提供了快速覆盖全球的准同步的丰富信息 资源，跨越时空局限的分析模拟与预测预报的f 托盘处理手段。人类社会正在以物质为核 心的时代向着以信息为核心的时代发展。现往信息技术的发展i r 深刻的影响着科学技 术、经济建设、国防军事和人们闩常工作、生浙的各个方面。 炎i 尉剐总统戈尔j j1 9 9 8 年1 月3 1i | 抛i i 了“数字地球”“4 ( d i g i t a le a r t h ) 的概 念。“数字地球”是一种能嵌入巨量地理信息，对我们星球所做的多分辨率，三维的描 述方，可以往其卜i 添办许多与我们所处的j 吐球有关的数据。番：科学界目前对“数字地 球”还没有确切的学术定义，般认为“数字地球”是对真实地球及其相关现蒙的统一+ 的数，化的认谚! ，足以特网为基础，以审m 数槲为依托，以虚拟现实技术为特征，具 仃：i 维界i 厨承i 多种分辨率浏览器的i l i i 向公众j i ：放的系统。它足信息高速公路、幽家信息 址1 i ：i ；改施汞j 空问数据基础设施概念和技术“史全l f j j 、更深刻层次i 二的发展，也是全球经 济一体化、i 渐技术化、倍息化过程巾 _ i 现的新f j 心想删念承j 科学技术动向。 通俗地蜕，“数字地球”就是用数字的力。法将地球，地球上的活动及整个地球环境 的对薯! 变化装入也脑i j ，实现在网络上的流通，并使之最大限度的为人类的生存，可持 续发腱和f 1 常的j ：作、学习、生活、娱乐服务。，格地讲，“数字地球”足以汁算机 技术，多媒体技术和大规模存储技术为j l ：，以啦张网络为纽带运用海量地球信息对地 球进行多分辨率、多尺度、多时空年多种类的i 维描述，并利刚它作为：j 具来支持和改 簿人类活动和生活质量。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 基于地图识别的背景 图1 - 1 模式识别系统的基本组成 2 0 世纪5 0 年代，科学揭丌了人类进入空f i + j l l , j 代和信息社会的序幕。人造地球：毪星 平计算机的飞速发展。为研究复杂的地球系统提供了快速覆盖全球的准同步的丰富信息 资源，跨越时空局限的分析模拟与预测预报的f 托盘处理手段。人类社会正在以物质为核 心的时代向着以信息为核心的时代发展。现往信息技术的发展i r 深刻的影响着科学技 术、经济建设、国防军事和人们闩常工作、生浙的各个方面。 炎i 尉剐总统戈尔j j1 9 9 8 年1 月3 1i | 抛i i 了“数字地球”“4 ( d i g i t a le a r t h ) 的概 念。“数字地球”是一种能嵌入巨量地理信息，对我们星球所做的多分辨率，三维的描 述方，可以往其卜i 添办许多与我们所处的j 吐球有关的数据。番：科学界目前对“数字地 球”还没有确切的学术定义，般认为“数字地球”是对真实地球及其相关现蒙的统一+ 的数，化的认谚! ，足以特网为基础，以审m 数槲为依托，以虚拟现实技术为特征，具 仃：i 维界i 厨承i 多种分辨率浏览器的i l i i 向公众j i ：放的系统。它足信息高速公路、幽家信息 址1 i ：i ；改施汞j 空问数据基础设施概念和技术“史全l f j j 、更深刻层次i 二的发展，也是全球经 济一体化、i 渐技术化、倍息化过程巾 _ i 现的新f j 心想删念承j 科学技术动向。 通俗地蜕，“数字地球”就是用数字的力。法将地球，地球上的活动及整个地球环境 的对薯! 变化装入也脑i j ，实现在网络上的流通，并使之最大限度的为人类的生存，可持 续发腱和f 1 常的j ：作、学习、生活、娱乐服务。，格地讲，“数字地球”足以汁算机 技术，多媒体技术和大规模存储技术为j l ：，以啦张网络为纽带运用海量地球信息对地 球进行多分辨率、多尺度、多时空年多种类的i 维描述，并利刚它作为：j 具来支持和改 簿人类活动和生活质量。 华中科技大学硕士学位论文 “数字地球”概念的提出很快引起了许多斛家的政界，学术界及产业界的强烈反响 羽i 高度匡视，也将成为我国发展信息产业韵切入点和机遇。这一观念及其相关科学技术 的发展和运用，将促使人们更深刘的认识人类赖以生存的星球，有助于解决许多迫切的 社会经济问题”1 。 1 。3 基于地图识别的现状 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t j o ns y s t e m ) 是项以计算机为基础的新兴技 术，i 锢绕着这项技术的研究，丌发和应刚形成了门交叉性，边缘性的学科，是管理硐i 研究空州数据的技术系统，在计算机软硬件支持卜，它可以对卒问数据按地理位置坐标 或。孙i j 位置进行各种处理，以达到对数圳的有效管理，研究各种空间实体及相互关系的 i j 的。通过对众多因素的综合分析，它w 以迅述地获取满足应用需要的信息，并能以地 i 刳，图形或数据的形式表示处理的结果。 在某科t 程度i ：刈以说，地理信息系统能处删所有的地理信息。其功能模块包括：审 川分析，空削金询，桌i 自悌0 幽系统等。按类型划分地理信息系统，有士地利用规划地理 信息系统，公路设计地理信息系统，环境航测系统，导游系统等等。可见，基础的技术 便是如何高效地处理地表信息即。维乖i 一维对象。即点状地物，特征点，注记点，多边 形的1 y 点等0 维对缘。以及线状地物，儿何弧段，人j ：边界等l 维对象的处理l t , l o 地州信息系统是神：汁算机软硬r f ：技术的史朴卜采集，存储，链；圳，检索和综合分析 扦l j j l ，。卜川地理信息，以多种形式输出数 i i 或劁彤j “舳的计算机系统，采集过靴i i 必须状 取人b 的信息，对山地表而苦，地彤的起伏地逃：山地理信息系统的重要组成部分。 它在地形图上是用等高线来反映的，获取等高线高程信息的传统方法是对现有的地形图 i ：的等离线进行数字化。实践证明，陔万法劳动强度大，周期欧，已不能满足g i s 对火 h 数铡的要求，此等商线的自动识别雨i 扶墩仍然是地形图( ；【s 的瓶颈。 地l 鍪i 扫描矢 最化的j ：作是g i s 技术- l ：常匝蜓i f 义远未解决的r 作，尤其存地形酬 欠蛀化一f 程中，出于包括的等高线数量大，排列i h 对集中，形状极一i 规则，手工对其进 1 ：矢量化时，不仅需要技术人员花费大皱的h 寸叫，i 面且要求具钉极好的耐心和丰富的经 华中科技大学硕士学位论文 “数字地球”概念的提出很快引起了许多斛家的政界，学术界及产业界的强烈反响 羽i 高度匡视，也将成为我国发展信息产业韵切入点和机遇。这一观念及其相关科学技术 的发展和运用，将促使人们更深刘的认识人类赖以生存的星球，有助于解决许多迫切的 社会经济问题”1 。 1 。3 基于地图识别的现状 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t j o ns y s t e m ) 是项以计算机为基础的新兴技 术，i 锢绕着这项技术的研究，丌发和应刚形成了门交叉性，边缘性的学科，是管理硐i 研究空州数据的技术系统，在计算机软硬件支持卜，它可以对卒问数据按地理位置坐标 或。孙i j 位置进行各种处理，以达到对数圳的有效管理，研究各种空间实体及相互关系的 i j 的。通过对众多因素的综合分析，它w 以迅述地获取满足应用需要的信息，并能以地 i 刳，图形或数据的形式表示处理的结果。 在某科t 程度i ：刈以说，地理信息系统能处删所有的地理信息。其功能模块包括：审 川分析，空削金询，桌i 自悌0 幽系统等。按类型划分地理信息系统，有士地利用规划地理 信息系统，公路设计地理信息系统，环境航测系统，导游系统等等。可见，基础的技术 便是如何高效地处理地表信息即。维乖i 一维对象。即点状地物，特征点，注记点，多边 形的1 y 点等0 维对缘。以及线状地物，儿何弧段，人j ：边界等l 维对象的处理l t , l o 地州信息系统是神：汁算机软硬r f ：技术的史朴卜采集，存储，链；圳，检索和综合分析 扦l j j l ，。卜川地理信息，以多种形式输出数 i i 或劁彤j “舳的计算机系统，采集过靴i i 必须状 取人b 的信息，对山地表而苦，地彤的起伏地逃：山地理信息系统的重要组成部分。 它在地形图上是用等高线来反映的，获取等高线高程信息的传统方法是对现有的地形图 i ：的等离线进行数字化。实践证明，陔万法劳动强度大，周期欧，已不能满足g i s 对火 h 数铡的要求，此等商线的自动识别雨i 扶墩仍然是地形图( ；【s 的瓶颈。 地l 鍪i 扫描矢 最化的j ：作是g i s 技术- l ：常匝蜓i f 义远未解决的r 作，尤其存地形酬 欠蛀化一f 程中，出于包括的等高线数量大，排列i h 对集中，形状极一i 规则，手工对其进 1 ：矢量化时，不仅需要技术人员花费大皱的h 寸叫，i 面且要求具钉极好的耐心和丰富的经 华中科技大学硕士学位论文 验，价则便会“火之一。苫地，碜之丁。，j 厶1 i 纠满意效粜“。实脱等l ： 线f f 1 动u 刖。 4 i 仅可以将火量的技术人员从繁琐枯燥的矢量化l 作中解放出束，i ；1 i 且能够避免人为误 謦，托提商效率的刚坩也改进了质量。 1 4 基于地图识别的展望 根据戈尔的搬钳，“数字地球”将给我们，个窄f i 的机会，川以把关于我们的社会 帛i 我们这个攫球的原始数据流转换成l 叮以娜解的信息。这种数扳l ：1 i 仪包括地球的黼分辨 牢的j i 越影像、数字地图，也包括经济、十i ：会嗣i 入i | 的信息。“数# 地球”将提供分j 9 率为1 米，甚至1 英尺的卫星遥感影像。f 1 获取数据的频率很高，甚至保证每天町以获 墩次数据。为达到这个目标，美幽准备发射多个低轨| j 星覆盖全球。这样的高分辨率 i ! ，将使地球i i 的腐腥、车辆、船舶、树小，l e 奄街i ：的行人、商店的招牌都清晰可 见! 1 腱望2 ll i i ：纪，随着计算机技术和个球定f 讧系统的发展，地j 。u 信息系统和遥感技术 的发腱将广：1 - 突破性的进展。地图制幽f l ；, l k l f i j 个m 力化将使电r - 地图成为地凶的。卜流产： 晶。幽3 ：电f 地图容量极大。且集图，文，照 ，声音于一体，使用携带方便。汽车导 航系统将得到普及i r a 。此外，由于家用f u 腑的烀及，人们门常：【：作，生活所需内容的各 种地吲。可以从“一符”的家庭软“1 ：1 ) 4 - ”- i t 榆索并输h 所需陶d ! 米使用。新地图学理 沦的址：必定嘤通i 啦jj , l 代的发腱i n j 彳j 耨的深划食吖i 。除继续探w 脱仃的地n 等：符种踯论 外，j 避深入州才择栅，孙i ；息的分m i 特1oj 蚍仆腴j l 定化化输。桃髓感受b ：i 雕，模艰分 析，图彤，图像与数字的相互转换机制，以及地蚓与遥感图像分析应用叶抽象思维能力 的提高，地图与遥感图像潜在信息的分析利刷等，逐步实现数字地球的梦想。 1 5 论文的主要内容 小沦义分为人啦。 华中科技大学硕士学位论文 验，价则便会“火之一。苫地，碜之丁。，j 厶1 i 纠满意效粜“。实脱等l ： 线f f 1 动u 刖。 4 i 仅可以将火量的技术人员从繁琐枯燥的矢量化l 作中解放出束，i ；1 i 且能够避免人为误 謦，托提商效率的刚坩也改进了质量。 1 4 基于地图识别的展望 根据戈尔的搬钳，“数字地球”将给我们，个窄f i 的机会，川以把关于我们的社会 帛i 我们这个攫球的原始数据流转换成l 叮以娜解的信息。这种数扳l ：1 i 仪包括地球的黼分辨 牢的j i 越影像、数字地图，也包括经济、十i ：会嗣i 入i | 的信息。“数# 地球”将提供分j 9 率为1 米，甚至1 英尺的卫星遥感影像。f 1 获取数据的频率很高，甚至保证每天町以获 墩次数据。为达到这个目标，美幽准备发射多个低轨| j 星覆盖全球。这样的高分辨率 i ! ，将使地球i i 的腐腥、车辆、船舶、树小，l e 奄街i ：的行人、商店的招牌都清晰可 见! 1 腱望2 ll i i ：纪，随着计算机技术和个球定f 讧系统的发展，地j 。u 信息系统和遥感技术 的发腱将广：1 - 突破性的进展。地图制幽f l ；, l k l f i j 个m 力化将使电r - 地图成为地凶的。卜流产： 晶。幽3 ：电f 地图容量极大。且集图，文，照 ，声音于一体，使用携带方便。汽车导 航系统将得到普及i r a 。此外，由于家用f u 腑的烀及，人们门常：【：作，生活所需内容的各 种地吲。可以从“一符”的家庭软“1 ：1 ) 4 - ”- i t 榆索并输h 所需陶d ! 米使用。新地图学理 沦的址：必定嘤通i 啦jj , l 代的发腱i n j 彳j 耨的深划食吖i 。除继续探w 脱仃的地n 等：符种踯论 外，j 避深入州才择栅，孙i ；息的分m i 特1oj 蚍仆腴j l 定化化输。桃髓感受b ：i 雕，模艰分 析，图彤，图像与数字的相互转换机制，以及地蚓与遥感图像分析应用叶抽象思维能力 的提高，地图与遥感图像潜在信息的分析利刷等，逐步实现数字地球的梦想。 1 5 论文的主要内容 小沦义分为人啦。 华中科技大学硕士学位论文 验，价则便会“火之一。苫地，碜之丁。，j 厶1 i 纠满意效粜“。实脱等l ： 线f f 1 动u 刖。 4 i 仅可以将火量的技术人员从繁琐枯燥的矢量化l 作中解放出束，i ；1 i 且能够避免人为误 謦，托提商效率的刚坩也改进了质量。 1 4 基于地图识别的展望 根据戈尔的搬钳，“数字地球”将给我们，个窄f i 的机会，川以把关于我们的社会 帛i 我们这个攫球的原始数据流转换成l 叮以娜解的信息。这种数扳l ：1 i 仪包括地球的黼分辨 牢的j i 越影像、数字地图，也包括经济、十i ：会嗣i 入i | 的信息。“数# 地球”将提供分j 9 率为1 米，甚至1 英尺的卫星遥感影像。f 1 获取数据的频率很高，甚至保证每天町以获 墩次数据。为达到这个目标，美幽准备发射多个低轨| j 星覆盖全球。这样的高分辨率 i ! ，将使地球i i 的腐腥、车辆、船舶、树小，l e 奄街i ：的行人、商店的招牌都清晰可 见! 1 腱望2 ll i i ：纪，随着计算机技术和个球定f 讧系统的发展，地j 。u 信息系统和遥感技术 的发腱将广：1 - 突破性的进展。地图制幽f l ；, l k l f i j 个m 力化将使电r - 地图成为地凶的。卜流产： 晶。幽3 ：电f 地图容量极大。且集图，文，照 ，声音于一体，使用携带方便。汽车导 航系统将得到普及i r a 。此外，由于家用f u 腑的烀及，人们门常：【：作，生活所需内容的各 种地吲。可以从“一符”的家庭软“1 ：1 ) 4 - ”- i t 榆索并输h 所需陶d ! 米使用。新地图学理 沦的址：必定嘤通i 啦jj , l 代的发腱i n j 彳j 耨的深划食吖i 。除继续探w 脱仃的地n 等：符种踯论 外，j 避深入州才择栅，孙i ；息的分m i 特1oj 蚍仆腴j l 定化化输。桃髓感受b ：i 雕，模艰分 析，图彤，图像与数字的相互转换机制，以及地蚓与遥感图像分析应用叶抽象思维能力 的提高，地图与遥感图像潜在信息的分析利刷等，逐步实现数字地球的梦想。 1 5 论文的主要内容 小沦义分为人啦。 华中科技大学硕士学位论文 j 2 ；= 0 0 2 = ；自= = = = ；t = 自_ _ _ ii l 目目l 自- _ 日_ | _ 目_ l _ l _ j _ _ i j _ _ _ _ _ _ l _ _ _ - _ _ _ l 2 f ；章，柏：分析数字地球状况和国内外地理信息系统的基痂i ；上，介绍了本课题研究 的l 的和意义，以及本论文的主要内容。 第二章，介绍了进行图像处理前的预处理方法，即先将扫描的r g b 图像转换成狄 皮罔像，然后将祆度图像通过阙值选取进行二值化，二值化的图像等待进一步的处理。 第二三章，在比较了众多目前常用的细化方法的基础上，分别介绍了3 种刁；同的细化 疗法，然后在这些细化原理的基础上提 = 了向己的改进思想，并且详细阐述了本课题所 采j 的细化方法，嫩厉给j t l 实验结果及 1 i 粜分j ! l i 。 笫四章，引刈刎化后的点，进行问阮墩j 囊。迎过刈三次样条函数和扒塞尔m i 线的分 析理解f ，采用三次贝塞尔曲线对关键点进行了拟合，最后给出实验结果及结果分析。 第i 章，采朋w i n d o w s2 0 0 0 的g d i + 技术，利用v c 实现贝塞尔拟合图像的显示， 完成等高线的识别。 第六章，对全文进行了总结，对下步的i i 作提出了建议。 华中科技大学硕士学位论文 2 图像预处理 2 1 引言 在信息技术高度发展的今天，纸质地图这种以纸介质为载体的信息存储方式已难以 满足、1 “u 的m 婴，迫叫j 黯蛭信息 i = 人、功能个i f i f 、他j ：操, f l - f 1 4 j q t 。j ，地图。i f i j ? i i g 纸质地 i 利向数字地幽转化的过程中，地图的计鲐机以别足最为关键的技术问题之一。通常的 i i l l l i i ；! ：l h | 警l 址i i ( ；l l 蚓像，为了使它便于计算机处理，我们首先将扫描的r o b 图像进行一些颅 处理，转化成为便于操作的坎度图像甚至将图像一二值化，然后再进行进一步的处理。 2 2r g b 图像 进行：他化处肌之l j ，要进行j 划像的狄度化处理，首先要把彩色i 划像处矬成为黑f i 灰度削像。例如，一个2 4 位彩色i 刘像，q 以根蜊彩色图像j j 狄度i 割像对应的关系转化 成狄度图像，对】：2 4 位彩色图像的每个象索i i 川3 个字，每个字节分别表示r 、g 、 b 值的人小，7 j i l 么只要在r g b 之前分别乘l 一个系数相加就口j 以产：生相应的狄度等级， 然后撖据扶度等级把相应象素画出来就转化成扶度图像了。灰度等级与r 、g 、b 的关 系是： t - 1 = a r + h g + c b 满足约水( ，+ 6 + ( = l 4 i i i i ：j 格j 啪q 彩色劁像的a 、b 、c 比例j ，1 i 先全一样( 例女l l - f i 的比例关系是：o 3 、 0 5 9 、0 1 1 ) ，为了简单起见，三者可以取十h 嗣值：即日= b = c ，进行这个换算后。彩色 图像就变成了狄度图像。 6 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ - _ _ g t = ；目- - - _ _ _ _ l _ 2 3 小波变换 小波变换( w a v e l e t t r a n s f o r m ) 是从1 9 8 4 年歼始形成的一种非平稳信号分析方法 近j l q - 来已成为科技c 作者研究的热点。 2 3 1 离散小波变换 在爿i 尉尺度卜，小波变换为一一线性弦r ，通过伸缩滤波器与信号进行卷积，把信号 分解成各分量“。 f i x ) 为能量有限的一维函数，则其小波变换为 睨 ，( x ) = 厂。万( x ) 其p 小波函数蛾一( x ) 是由同一个基本小波函数矿纶，f 移、伸缩得到的一组函数 当“= 2 7 ，6 = n 2 时，则在二进伸缩条付卜：。，( x ) 可表示为 妒：，。( x ) = 2 一必( 2 - ，x - - 1 1 ) 小波晒数u 看成足一一个带通滤波器的n 墩冲i 柯应，它由一个烈有低通响应形式的栩 父j t 搜函数妒i 町得，尺度函数p ( x ) 粕j 二。低迎滤波器，其r 移伸缩系为 吼，。( x ) = 2 一彳妒( 2 - ，_ x - n ) 2 3 2 小波变换的快速算法 小波分析是基于在两连续分辨率2 7 翱2 之削的信息差别建立起来的，细节信号为， 信号化分辨率2 。和2 h 的多分辨率分析的信息磬，它可通过下面的迭代公式得到】： 一一 ) 6 一一口 仁砷 一 ： 一 h 丸 1 1 = ) ) 协 n 一 一九一丸 华中科技大学硕士学位论文 _ _ _ - _ _ g t = ；目- - - _ _ _ _ l _ 2 3 小波变换 小波变换( w a v e l e t t r a n s f o r m ) 是从1 9 8 4 年歼始形成的一种非平稳信号分析方法 近j l q - 来已成为科技c 作者研究的热点。 2 3 1 离散小波变换 在爿i 尉尺度卜，小波变换为一一线性弦r ，通过伸缩滤波器与信号进行卷积，把信号 分解成各分量“。 f i x ) 为能量有限的一维函数，则其小波变换为 睨 ，( x ) = 厂。万( x ) 其p 小波函数蛾一( x ) 是由同一个基本小波函数矿纶，f 移、伸缩得到的一组函数 当“= 2 7 ，6 = n 2 时，则在二进伸缩条付卜：。，( x ) 可表示为 妒：，。( x ) = 2 一必( 2 - ，x - - 1 1 ) 小波晒数u 看成足一一个带通滤波器的n 墩冲i 柯应，它由一个烈有低通响应形式的栩 父j t 搜函数妒i 町得，尺度函数p ( x ) 粕j 二。低迎滤波器，其r 移伸缩系为 吼，。( x ) = 2 一彳妒( 2 - ，_ x - n ) 2 3 2 小波变换的快速算法 小波分析是基于在两连续分辨率2 7 翱2 之削的信息差别建立起来的，细节信号为， 信号化分辨率2 。和2 h 的多分辨率分析的信息磬，它可通过下面的迭代公式得到】： 一一 ) 6 一一口 仁砷 一 ： 一 h 丸 1 1 = ) ) 协 n 一 一九一丸 华中科技大学硕士学位论文 o g , = g ( 2 n - k ) a i ： 近似信号爿：_ 山下 _ x z ，i i ： 爿。爿= h ( 2 n k ) a , ) 山于滤波器g ( n ) 是 ( 厅) 的镜象滤波器，阳此，g 是一离散带通滤波器，d ”是a 的 ：i 通滤波器，a 川是a ，的低通滤波器，如粜j j 农示隔1 5 抽样的抽样算予，则多分辨率 分析币l l d 波分析的m a l l a t 迭代算法可表示为： ja ”= a ( h + 一) l d ”= ( g + a ) 其i i j ，= 0 ，1 ，j l 。 小实上，滤波器g ( ) 为频带近似等于 - 2 n ，一n u n ，2 n 1 的带通滤波器，因而d 川描 述了( x ) 在频带【- 2 ，兀，一2 一，一丌j u 【2 一。几，2 一一兀j 的信号。 嗣理可j i l 类似的方法重构原始信号。朴j e 仃1 r 。，次迭代。承构滤波器是分析滤波器 的共轭滤波器，即 + ( n ) = ( 一月) ，g ( n ) = g ( 一胛) ，用v 表示在两样本之间补零的算子，则 原始信号a o 可霞构如下： a 。= + ( v a 7 ) + z g + + ( v d 7 ) ，一i d i 以上分析u f 知，小波变换实质上足刘信j 做多分辨率分析，其二e 要特点是对信号 禽频和低频作分辨率不同的处理，该处理方法1 j 计算机视觉中由粗到细的认识过程十分 相似，更加适合图像信息处理的变换过程。 2 4 图像二值化 图像二值化是数字图像处理技术中j ! ； 牲小技术。在许多应刚场合都要求首先对输 华中科技大学硕士学位论文 o g , = g ( 2 n - k ) a i ： 近似信号爿：_ 山下 _ x z ，i i ： 爿。爿= h ( 2 n k ) a , ) 山于滤波器g ( n ) 是 ( 厅) 的镜象滤波器，阳此，g 是一离散带通滤波器，d ”是a 的 ：i 通滤波器，a 川是a ，的低通滤波器，如粜j j 农示隔1 5 抽样的抽样算予，则多分辨率 分析币l l d 波分析的m a l l a t 迭代算法可表示为： ja ”= a ( h + 一) l d ”= ( g + a ) 其i i j ，= 0 ，1 ，j l 。 小实上，滤波器g ( ) 为频带近似等于 - 2 n ，一n u n ，2 n 1 的带通滤波器，因而d 川描 述了( x ) 在频带【- 2 ，兀，一2 一，一丌j u 【2 一。几，2 一一兀j 的信号。 嗣理可j i l 类似的方法重构原始信号。朴j e 仃1 r 。，次迭代。承构滤波器是分析滤波器 的共轭滤波器，即 + ( n ) = ( 一月) ，g ( n ) = g ( 一胛) ，用v 表示在两样本之间补零的算子，则 原始信号a o 可霞构如下： a 。= + ( v a 7 ) + z g + + ( v d 7 ) ，一i d i 以上分析u f 知，小波变换实质上足刘信j 做多分辨率分析，其二e 要特点是对信号 禽频和低频作分辨率不同的处理，该处理方法1 j 计算机视觉中由粗到细的认识过程十分 相似，更加适合图像信息处理的变换过程。 2 4 图像二值化 图像二值化是数字图像处理技术中j ! ； 牲小技术。在许多应刚场合都要求首先对输 华中科技大学硕士学位论文 入的狄度图像进行二值化，也就是一个阙值把尉像的像元按其狄度值分为二：类。比如， 像元灰度值低于阙值的背景一类，赋予一个值7 - , o ：像元灰度值高于阙直的规定目标一类， 赋予一个值z 。这样切割后的图像只有两个次度级，所以叫它二值图像。这个切割过程 就叫做陶像的二：值化。 + 图像二值化是应用最广泛的图像分制技术，作自动日标谚 别、图像分析、文本增强 的i 警i 像处理| i 订j “泛的应用1 。图像：值化的火键技术是阙值的选取。在过去的近3 0 多年中，许多学者在“如何确定合适的图像阙值”这一问题上做了大量的研究工作。根 拊其对象素的处理方式可以分为两大类：基于局部的阙值选取方法和基于全局的阙值选 敬方法。例如狄度差直方图法、微分直方图法是常用的局部阙值选取法。基于全局的阙 值玎法比较多，经点的阙值选取以狄的“，j 。l 划为处理对象，后来“熵”的概念被引入了 h 像处州技术，捉了i ：多基于熵的- “i 化办汪i 。随着神经网络技术在信号处理方瓶的 j 越川，利川神经f c 】| i 络进行阁像分割及边缘枪测也帜得了很大成就。遗传算法应用f 阙位 分削的实例为基j ：模糊度量的遗传算法。讣波变换作为一种新的刚像分析方法，受到越 来越多的学者的重视，并且它已应用于遥感陶像边缘检测、遥感图像镶嵌研究。 2 4 1灰度赢方图 狄度直方图足狄度值的函数，描述的足蚓像巾具有该狄度他的象素的个数，其横坐 十，j ：农j i 象索的狄_ l ：级别，纵坐标是该扶度观的频率( 象素的个数) 。 狄度“几附也仃。渖i i 方式的定义：似改仃i 函数d ( x ，y ) 所定义的连续蚓 像，它、i ，! 的从l 心的- 龃度级变化到边沿的低扶嫂级。我们1 1 j 。以选择柴狄度级d i ， 然后定义一条轮廓线，该轮廓线连接了图像l 所仃具有狄度级d i 的点。所得到的轮廓 线形成了包狄度级大于等于d l 区域的封闭曲线。 将幅连续的刚像q ，被具有狄度级d 的所仃轮廓线所包的丽积称为该图像的阙 值| f f 平j 函数a ( d ) 。f c 方图呵定义为： ( d ) ：l i m 生! 旦2 二生! 旦垒堕：旦彳( j 【) ) a ，) 一oa ddd 山i ：式丑丛氇出结j 金；= 蝎遣缝堕丝盟丝直圈壁基塑塑里塑数量塑堕鱼丝：丝量塑堂婴 华中科技大学硕士学位论文 入的狄度图像进行二值化，也就是一个阙值把尉像的像元按其狄度值分为二：类。比如， 像元灰度值低于阙值的背景一类，赋予一个值7 - , o ：像元灰度值高于阙直的规定目标一类， 赋予一个值z 。这样切割后的图像只有两个次度级，所以叫它二值图像。这个切割过程 就叫做陶像的二：值化。 + 图像二值化是应用最广泛的图像分制技术，作自动日标谚 别、图像分析、文本增强 的i 警i 像处理| i 订j “泛的应用1 。图像：值化的火键技术是阙值的选取。在过去的近3 0 多年中，许多学者在“如何确定合适的图像阙值”这一问题上做了大量的研究工作。根 拊其对象素的处理方式可以分为两大类：基于局部的阙值选取方法和基于全局的阙值选 敬方法。例如狄度差直方图法、微分直方图法是常用的局部阙值选取法。基于全局的阙 值玎法比较多，经点的阙值选取以狄的“，j 。l 划为处理对象，后来“熵”的概念被引入了 h 像处州技术，捉了i ：多基于熵的- “i 化办汪i 。随着神经网络技术在信号处理方瓶的 j 越川，利川神经f c 】| i 络进行阁像分割及边缘枪测也帜得了很大成就。遗传算法应用f 阙位 分削的实例为基j ：模糊度量的遗传算法。讣波变换作为一种新的刚像分析方法，受到越 来越多的学者的重视，并且它已应用于遥感陶像边缘检测、遥感图像镶嵌研究。 2 4 1灰度赢方图 狄度直方图足狄度值的函数，描述的足蚓像巾具有该狄度他的象素的个数，其横坐 十，j ：农j i 象索的狄_ l ：级别，纵坐标是该扶度观的频率( 象素的个数) 。 狄度“几附也仃。渖i i 方式的定义：似改仃i 函数d ( x ，y ) 所定义的连续蚓 像，它、i ，! 的从l 心的- 龃度级变化到边沿的低扶嫂级。我们1 1 j 。以选择柴狄度级d i ， 然后定义一条轮廓线，该轮廓线连接了图像l 所仃具有狄度级d i 的点。所得到的轮廓 线形成了包狄度级大于等于d l 区域的封闭曲线。 将幅连续的刚像q ，被具有狄度级d 的所仃轮廓线所包的丽积称为该图像的阙 值| f f 平j 函数a ( d ) 。f c 方图呵定义为： ( d ) ：l i m 生! 旦2 二生! 旦垒堕：旦彳( j 【) ) a ，) 一oa ddd 山i ：式丑丛氇出结j 金；= 蝎遣缝堕丝盟丝直圈壁基塑塑里塑数量塑堕鱼丝：丝量塑堂婴 华中科技大学硕士学位论文 是山j ：随着d 的增加a ( d ) 在减小。如果将图像看成是一个一：维的随机变量，则嘶秘 晒数相当于累积分自羽自数，而灰度直方图柑r 与j 二其概率密度函数。 对于离散函数，我们固定d 为1 ，则上式变为： ( d ) = 4 ( d ) 一4 ( d + ! ) 2 4 2小波变换零交叉用于图像阙值的选取 为了有效的选取阙值，选择高斯函数作为光滑函数扫( x ) “ 鼬) = 丽1 e x p ( 一素) 该光滑函数口( x ) 的能量主要集中在低频段，因此，9 ( x ) 可看成一个低通滤波器的冲 激响应，对口( x ) 求i 阶导数d 2 _ 0 ( 广x ) ，得 警= 一击e x p ( 一卦盖e x p ( 一杀 n f 以诩：明，若选择小波函数矿( x ) 为 p ( x ) ：d - o _ ( f x ) d x 。 l 兰：幔然满足小波定义，即 e 贴肛簋笋出= 。 因此，对应的二：进小波变换为 叭2 _ 【2 妒鲁吲x ) 】 时h 州加万1p ( 卦 ， 华中科技大学硕士学位论文 是山j ：随着d 的增加a ( d ) 在减小。如果将图像看成是一个一：维的随机变量，则嘶秘 晒数相当于累积分自羽自数，而灰度直方图柑r 与j 二其概率密度函数。 对于离散函数，我们固定d 为1 ，则上式变为： ( d ) = 4 ( d ) 一4 ( d + ! ) 2 4 2小波变换零交叉用于图像阙值的选取 为了有效的选取阙值，选择高斯函数作为光滑函数扫( x ) “ 鼬) = 丽1 e x p ( 一素) 该光滑函数口( x ) 的能量主要集中在低频段，因此，9 ( x ) 可看成一个低通滤波器的冲 激响应，对口( x ) 求i 阶导数d 2 _ 0 ( 广x ) ，得 警= 一击e x p ( 一卦盖e x p ( 一杀 n f 以诩：明，若选择小波函数矿( x ) 为 p ( x ) ：d - o _ ( f x ) d x 。 l 兰：幔然满足小波定义，即 e 贴肛簋笋出= 。 因此，对应的二：进小波变换为 叭2 _ 【2 妒鲁吲x ) 】 时h 州加万1p ( 卦 ， 华中科技大学硕士学位论文 ；目_ l _ _ _ i i i i _ _ - - l _ _ _ - e i _ 上式表明，小波变换式町( 27 ，z ) 的零交叉表示了在分辨率2 ，时低通信号 ，( ) + 0 ，( x ) 的局部跳变点，当分辨率增高时，信号的局部微小细节逐渐增多；当分辨 率降低时，信号的局部细节逐渐消失，而结构较人的轮廓仍能清晰的反映出来。因此， 如果选择小波为光滑函数的二阶导数，则对豳像直方圈进行小波变换w ( 2 - ，x ) 。取 形( 27 ，x ) 的极小值点确定图像的阙值。 2 4 3小波变换的峰值检测算法 对于一个狄度图像的直方图片。其灰度级为| v ，在进行离散小波变换时，为了避 免边界问题，采用下列对称方法1 1 1 阶 片芝二獬 i h _ j 二滤波器h 和g 关于零点对称，圳此，信0 的离散小波变换也是关于。和n 对称 的。 若在尺度为j 时图像l c 力i 到日的小波变换表示为 毗h ( x ) ，t t ( x ) ，( x ) ，a 2 j 口( x ) ，人们所感兴趣的特征是零交义和每细节信 i 一一i ( 以，( x ) ) 。的极值点。为了确定分辨 棼2 ，0 ，h ( x ) 的极值点。可按下列原则进行： 枷对。j 二m 值的零交叉点( j = ：通过) 农力峰值的起点。 十h 对于负值的零交叉点( 负通过) 表示峰值的终点。 在讵通过和负通过之闻有极大值的点表示峰值的极大值。 仡负通过的右侧和正通过的友侧订微小1 ：i ! f 的点表示两蜂之j h j 的谷点。 华中科技大学硕士学位论文 ；目_ l _ _ _ i i i i _ _ - - l _ _ _ - e i _ 上式表明，小波变换式町( 27 ，z ) 的零交叉表示了在分辨率2 ，时低通信号 ，( ) + 0 ，( x ) 的局部跳变点，当分辨率增高时，信号的局部微小细节逐渐增多；当分辨 率降低时，信号的局部细节逐渐消失，而结构较人的轮廓仍能清晰的反映出来。因此， 如果选择小波为光滑函数的二阶导数，则对豳像直方圈进行小波变换w ( 2 - ，x ) 。取 形( 27 ，x ) 的极小值点确定图像的阙值。 2 4 3小波变换的峰值检测算法 对于一个狄度图像的直方图片。其灰度级为| v ，在进行离散小波变换时，为了避 免边界问题，采用下列对称方法1 1 1 阶 片芝二獬 i h _ j 二滤波器h 和g 关于零点对称，圳此，信0 的离散小波变换也是关于。和n 对称 的。 若在尺度为j 时图像l c 力i 到日的小波变换表示为 毗h ( x ) ，t t ( x ) ，( x ) ，a 2 j 口( x ) ，人们所感兴趣的特征是零交义和每细节信 i 一一i ( 以，( x ) ) 。的极值点。为了确定分辨 棼2 ，0 ，h ( x ) 的极值点。可按下列原则进行： 枷对。j 二m 值的零交叉点( j = ：通过) 农力峰值的起点。 十h 对于负值的零交叉点( 负通过) 表示峰值的终点。 在讵通过和负通过之闻有极大值的点表示峰值的极大值。 仡负通过的右侧和正通过的友侧订微小1 ：i ! f 的点表示两蜂之j h j 的谷点。 华中科技大学硕士学位论文 2 5 本章小结 l g b 图想转换为期望的二值图像，首先将扫描的r g b 图像转化成狄度图像。利用灰 艘j “力罔的概念，对获得的灰度图像有。一个全的了解。通过小波变换，得到合适的狄 度阙值。根据阙值将狄度图像二值化。从而实规图像二值化的预处理。 华