光学图象处理实验

1、光学图象处理实验（课程设计）指导说明书信息物理与工程系王振东2012年12月一、实验（课程设计）目的：通过本实验（课程设计），掌握数字图象处理的基本原理；掌握Visual C+、或Matlab、或VB等WINODWS编程软件的使用；掌握程序的编辑、编译和调试方法；掌握基本数字图象文件格式；掌握图象输入、输出软件接口。二、实验（课程设计）仪器PC微型计算机一台，Visual C+、或Matlab、或VB等WINODWS编程软件。实验样图及图像程序接口。三、实验（课程设计）原理在PC机平台及WINODWS操作系统上，以通用编程软件通过软件编程实现数字图象文件的读取、存储、显示，同时设计一种或几种数

2、字图象处理算法并调试实现，将处理结果以图象方式显示，完成数字图象处理的基本过程。四、实验（课程设计）步骤1 按要求进行设计选题（选题范围附后）；2 查阅相关资料，筛选并确定算法；3 仔细阅读相关软件使用手册，了解软件编程方法；4 按格式输入编制好的程序；5 对程序进行编译，查找语法错误；6 根据编译过程指出的错误，修改错误，直到编译通过；7 开始调试算法，通过观察输出结果的变化，查找算法错误，直至算法调试正确；8 完成程序整理，并编译出最终版本的可执行程序；9 根据要求完成课程设计（实验）报告。五、实验（课程设计）要求在进行实验（课程设计）前要预习，必须基本掌握其中一种WINODWS编程软件的

3、使用。熟悉数字图象处理的基本原理和过程，掌握基本数字图象文件格式；掌握图象输入、输出软件接口。掌握设计数字图象处理算法的过程和方法并调试实现。六、实验（课程设计）结果实验（课程设计）报告。源程序和可执行程序。七、选题范围（一）通用选题1 图象编码：a.哈夫曼编码， b.游程长度编码，c.香农编码，d.其它熵编码；2 图象变换：a.快速二维离散傅氏变换， b.离散余弦变换，c.离散沃尔什变换，d.离散小波变换；3 图象增强：a.灰度级校正， b. 灰度级变换，c.直方图修正，d.直方图均衡，e.同态增晰，f.噪声平滑，g.中值滤波，h.锐化，i.几何校正；4 图象复原：a.反向滤波， b. 最小

4、二乘滤波，c.同态滤波，d.卡尔曼滤波；5 图象分割：a.阈值分割， b. 边界检测，c.骨架提取，d.区域生长，e.同分裂合并，f. 区域标记；6 图象识别：a. 边界表达（链码，曲线拟合，转折能量法）， b. 边界描述（矩形度，圆形度，矩，傅立叶形状描述），c. Hough变换，d. 广义Hough变换，e. 区域表达（四叉树，骨架），f. 区域描述（投影，不变矩），g. 纹理描述符，h.贝叶斯判决，i. 模板匹配；7 图象重建：a.傅立叶变换重建， b. 滤波反投影重建，c.代数迭代重建。（二）专用选题1光斑定位问题的研究。即通过对一个光斑图象的处理，精确地找出光斑的中心坐标，并确定其定

5、位精度；2数值方法提高图象分辨率的研究。即通过对一个图象的数学插值处理，获得比物理图象分辨率更高的图象，并对不同数学插值算法的效果和可实现性进行比较；3中值滤波算法的优化设计研究。包括效果优化和计算量优化。4图象匹配识别。即已知一幅标准图象，然后与其它图象进行比较，判断该图象与标准图象的匹配程度。5光学自动对焦算法。在光学系统成像过程中，通过所成的像清晰与否来判断光学系统的对焦是否准确。6自选。八、实验（课程设计）报告要求1标题、作者（可多人，但不超过三人，排名分先后）；2背景或关于该类方法的概述。可在通用选题中一个题目中选择某一小类的问题进行研究，或选择一个专用选题讨论；3所选择的方法的讨论

6、（包括效果、可实现性，至少两种以上的方法，以及详细的实现流程）；4源程序及详细说明；5结论，包括实际效果以及与预期的对比及原因分析；6参考文献，不少于8篇，必须有杂志文章4篇；7篇幅不少于4000字。九、实验（课程设计）报告样例数值方法提高图像分辨率的研究作者：XXX, XXX, XXX单位：南京理工大学摘要：本文采用了两种插值方法提高图像分辨率， (略) 本实验的程序是在VB环境中完成的。关键字：象素 分辨率一、提高图像分辨率的背景图像分辨率（即区分细节的程度）与采样点和灰度级的个数紧密相关。(略)二、预处理步骤直方图均衡化原理 ：由于原图像较为暗淡，故采用直方图均衡化增强其整体对比度。(略

7、)流程图：开 始从子程序中读入数据给ii(lenx,leny)用for语句计算每个灰度级的象素数，并赋给s(k)计算每个灰度级的原始概率p(k)计算累计概率t( k)将t(256)转化成和原来灰度级范围一样的灰度级t1( k) 将ii( intx,inty)赋给变量k,并把t1( k)赋给iib1(intx,inty)将iib1(lenx,leny)赋给ii(lenx,leny) 计算量：乘法运算256*3=768次，加法运算lenx*leny+2*256=lenx*leny+512次。(略)三、两种插值方法 都是将预处理后的ii(lenx,leny)插值生成dest(2*lenx-1,2*l

8、eny-1),对应的原象素不加处理，边缘上的插值点采用简单的两点平均法，新行新列的插值点用四点平均法，所有的插值点都是用原象素矩阵生成的。1两点平均法原理：如图4.1，原行原列中的插值点取两点平均法，即为拉格朗日插值的线性处理。(略)2三次的拉格朗日插值法(略) 3对三次样条插值的讨论(略)所以要解得次线性方程组，(略)。四、结论：速度：由于本程序是在VB环境中进行的，所以运行速度较慢，大约需3-4 秒钟才能出来一幅图像。两种方法的比较：(略)。六源程序及详细说明（略）：七参考文献：(略)十、实验（课程设计）图象接口程序代码/ dibapi.h#ifndef _INC_DIBAPI#defin

9、e _INC_DIBAPI/ DIB句柄DECLARE_HANDLE(HDIB);/ DIB常量#define PALVERSION 0x300/* DIB宏 */ 判断是否是Win 3.0的DIB#define IS_WIN30_DIB(lpbi) (*(LPDWORD)(lpbi) = sizeof(BITMAPINFOHEADER)/ 计算矩形区域的宽度#define RECTWIDTH(lpRect) (lpRect)-right - (lpRect)-left)/ 计算矩形区域的高度#define RECTHEIGHT(lpRect) (lpRect)-bottom - (lpRec

10、t)-top)/ 在计算图像大小时，采用公式：biSizeImage = biWidth biHeight。/ 是biWidth，而不是biWidth，这里的biWidth必须是4的整倍数，表示/ 大于或等于biWidth的，离4最近的整倍数。WIDTHBYTES就是用来计算/ biWidth#define WIDTHBYTES(bits) (bits) + 31) / 32 * 4)/ PCX文件头结构typedef struct BYTE bManufacturer; BYTE bVersion; BYTE bEncoding; BYTE bBpp; WORD wLeft; WORD wT

11、op; WORD wRight; WORD wBottom; WORD wXResolution; WORD wYResolution; BYTE bPalette48; BYTE bReserved; BYTE bPlanes; WORD wLineBytes; WORD wPaletteType; WORD wSrcWidth; WORD wSrcDepth; BYTE bFiller54; PCXHEADER;/ 函数原型BOOL WINAPI PaintDIB (HDC, LPRECT, HDIB, LPRECT, CPalette* pPal);BOOL WINAPI CreateD

12、IBPalette(HDIB hDIB, CPalette* cPal);LPSTR WINAPI FindDIBBits (LPSTR lpbi);DWORD WINAPI DIBWidth (LPSTR lpDIB);DWORD WINAPI DIBHeight (LPSTR lpDIB);WORD WINAPI PaletteSize (LPSTR lpbi);WORD WINAPI DIBNumColors (LPSTR lpbi);WORD WINAPI DIBBitCount(LPSTR lpbi);HGLOBAL WINAPI CopyHandle (HGLOBAL h);BOO

13、L WINAPI SaveDIB (HDIB hDib, CFile& file);HDIB WINAPI ReadDIBFile(CFile& file);BOOL WINAPI DIBToPCX256(LPSTR lpDIB, CFile& file);HDIB WINAPI ReadPCX256(CFile& file);#endif /!_INC_DIBAPI/ */ 文件名：dibapi.cpp/ DIB(Independent Bitmap) API函数库：/ PaintDIB() - 绘制DIB对象/ CreateDIBPalette() - 创建DIB对象调色板/ FindDI

14、BBits() - 返回DIB图像象素起始位置/ DIBWidth() - 返回DIB宽度/ DIBHeight() - 返回DIB高度/ PaletteSize() - 返回DIB调色板大小/ DIBNumColors() - 计算DIB调色板颜色数目/ CopyHandle() - 拷贝内存块/ SaveDIB() - 将DIB保存到指定文件中/ ReadDIBFile() - 重指定文件中读取DIB对象/ DIBToPCX256()- 将指定的256色DIB对象保存为256色PCX文件/ ReadPCX256()- 读取256色PCX文件/ *#include stdafx.h#incl

15、ude dibapi.h#include #include #include #include /* Dib文件头标志（字符串BM，写DIB时用到该常数） */#define DIB_HEADER_MARKER (WORD) (M m_hObject;/ 选中调色板hOldPal = :SelectPalette(hDC, hPal, TRUE);/ 设置显示模式:SetStretchBltMode(hDC, COLORONCOLOR);/ 判断是调用StretchDIBits()还是SetDIBitsToDevice()来绘制DIB对象if (RECTWIDTH(lpDCRect) = RE

16、CTWIDTH(lpDIBRect) & (RECTHEIGHT(lpDCRect) = RECTHEIGHT(lpDIBRect)/ 原始大小，不用拉伸。bSuccess = :SetDIBitsToDevice(hDC, / hDC lpDCRect-left, / DestX lpDCRect-top, / DestY RECTWIDTH(lpDCRect), / nDestWidth RECTHEIGHT(lpDCRect), / nDestHeight lpDIBRect-left, / SrcX (int)DIBHeight(lpDIBHdr) - lpDIBRect-top -

17、RECTHEIGHT(lpDIBRect), / SrcY 0, / nStartScan (WORD)DIBHeight(lpDIBHdr), / nNumScans lpDIBBits, / lpBits (LPBITMAPINFO)lpDIBHdr, / lpBitsInfo DIB_RGB_COLORS); / wUsage else/ 非原始大小，拉伸。bSuccess = :StretchDIBits(hDC, / hDC lpDCRect-left, / DestX lpDCRect-top, / DestY RECTWIDTH(lpDCRect), / nDestWidth R

18、ECTHEIGHT(lpDCRect), / nDestHeight lpDIBRect-left, / SrcX lpDIBRect-top, / SrcY RECTWIDTH(lpDIBRect), / wSrcWidth RECTHEIGHT(lpDIBRect), / wSrcHeight lpDIBBits, / lpBits (LPBITMAPINFO)lpDIBHdr, / lpBitsInfo DIB_RGB_COLORS, / wUsage SRCCOPY); / dwROP / 解除锁定:GlobalUnlock(HGLOBAL) hDIB);/ 恢复以前的调色板if (h

19、OldPal != NULL):SelectPalette(hDC, hOldPal, TRUE);/ 返回return bSuccess;/* 函数名称：* CreateDIBPalette()* 参数:* HDIB hDIB - 指向DIB对象的指针* CPalette* pPal - 指向DIB对象调色板的指针* 返回值:* BOOL - 创建成功返回TRUE，否则返回FALSE。* 说明:* 该函数按照DIB创建一个逻辑调色板，从DIB中读取颜色表并存到调色板中，* 最后按照该逻辑调色板创建一个新的调色板，并返回该调色板的句柄。这样* 可以用最好的颜色来显示DIB图像。*/BOOL W

20、INAPI CreateDIBPalette(HDIB hDIB, CPalette* pPal)/ 指向逻辑调色板的指针LPLOGPALETTE lpPal;/ 逻辑调色板的句柄HANDLE hLogPal;/ 调色板的句柄HPALETTE hPal = NULL;/ 循环变量int i;/ 颜色表中的颜色数目WORD wNumColors;/ 指向DIB的指针LPSTR lpbi;/ 指向BITMAPINFO结构的指针（Win3.0）LPBITMAPINFO lpbmi;/ 指向BITMAPCOREINFO结构的指针LPBITMAPCOREINFO lpbmc;/ 表明是否是Win3.0

21、DIB的标记BOOL bWinStyleDIB;/ 创建结果BOOL bResult = FALSE;/ 判断DIB是否为空if (hDIB = NULL)/ 返回FALSEreturn FALSE;/ 锁定DIBlpbi = (LPSTR) :GlobalLock(HGLOBAL) hDIB);/ 获取指向BITMAPINFO结构的指针（Win3.0）lpbmi = (LPBITMAPINFO)lpbi;/ 获取指向BITMAPCOREINFO结构的指针lpbmc = (LPBITMAPCOREINFO)lpbi;/ 获取DIB中颜色表中的颜色数目wNumColors = :DIBNumCo

22、lors(lpbi);if (wNumColors != 0)/ 分配为逻辑调色板内存hLogPal = :GlobalAlloc(GHND, sizeof(LOGPALETTE)+ sizeof(PALETTEENTRY)* wNumColors);/ 如果内存不足，退出if (hLogPal = 0)/ 解除锁定:GlobalUnlock(HGLOBAL) hDIB);/ 返回FALSEreturn FALSE;lpPal = (LPLOGPALETTE) :GlobalLock(HGLOBAL) hLogPal);/ 设置版本号lpPal-palVersion = PALVERSION;

23、/ 设置颜色数目lpPal-palNumEntries = (WORD)wNumColors;/ 判断是否是WIN3.0的DIBbWinStyleDIB = IS_WIN30_DIB(lpbi);/ 读取调色板for (i = 0; i palPalEntryi.peRed = lpbmi-bmiColorsi.rgbRed;/ 读取绿色分量lpPal-palPalEntryi.peGreen = lpbmi-bmiColorsi.rgbGreen;/ 读取蓝色分量lpPal-palPalEntryi.peBlue = lpbmi-bmiColorsi.rgbBlue;/ 保留位lpPal-p

24、alPalEntryi.peFlags = 0;else/ 读取红色分量lpPal-palPalEntryi.peRed = lpbmc-bmciColorsi.rgbtRed;/ 读取绿色分量lpPal-palPalEntryi.peGreen=lpbmc-bmciColorsi.rgbtGreen;/ 读取红色分量lpPal-palPalEntryi.peBlue = lpbmc-bmciColorsi.rgbtBlue;/ 保留位lpPal-palPalEntryi.peFlags = 0;/ 按照逻辑调色板创建调色板，并返回指针bResult = pPal-CreatePalette(

25、lpPal);/ 解除锁定:GlobalUnlock(HGLOBAL) hLogPal);/ 释放逻辑调色板:GlobalFree(HGLOBAL) hLogPal);/ 解除锁定:GlobalUnlock(HGLOBAL) hDIB);/ 返回结果return bResult;/* 函数名称：* FindDIBBits() * 参数:* LPSTR lpbi - 指向DIB对象的指针* 返回值:* LPSTR - 指向DIB图像象素起始位置* 说明:* 该函数计算DIB中图像象素的起始位置，并返回指向它的指针。 */LPSTR WINAPI FindDIBBits(LPSTR lpbi)re

26、turn (lpbi + *(LPDWORD)lpbi + :PaletteSize(lpbi);/* 函数名称：* DIBWidth()* 参数:* LPSTR lpbi - 指向DIB对象的指针* 返回值:* DWORD - DIB中图像的宽度* 说明:* 该函数返回DIB中图像的宽度。对于Windows 3.0 DIB，返回BITMAPINFOHEADER* 中的biWidth值；对于其它返回BITMAPCOREHEADER中的bcWidth值。 */DWORD WINAPI DIBWidth(LPSTR lpDIB)/ 指向BITMAPINFO结构的指针（Win3.0）LPBITMAP

27、INFOHEADER lpbmi;/ 指向BITMAPCOREINFO结构的指针LPBITMAPCOREHEADER lpbmc;/ 获取指针lpbmi = (LPBITMAPINFOHEADER)lpDIB;lpbmc = (LPBITMAPCOREHEADER)lpDIB;/ 返回DIB中图像的宽度if (IS_WIN30_DIB(lpDIB)/ 对于Windows 3.0 DIB，返回lpbmi-biWidthreturn lpbmi-biWidth;else/ 对于其它格式的DIB，返回lpbmc-bcWidthreturn (DWORD)lpbmc-bcWidth;/* 函数名称：*

28、 DIBHeight()* 参数:* LPSTR lpDIB - 指向DIB对象的指针* 返回值:* DWORD - DIB中图像的高度* 说明:* 该函数返回DIB中图像的高度。对于Windows 3.0 DIB，返回BITMAPINFOHEADER* 中的biHeight值；对于其它返回BITMAPCOREHEADER中的bcHeight值。*/DWORD WINAPI DIBHeight(LPSTR lpDIB)/ 指向BITMAPINFO结构的指针（Win3.0）LPBITMAPINFOHEADER lpbmi;/ 指向BITMAPCOREINFO结构的指针LPBITMAPCOREHE

29、ADER lpbmc;/ 获取指针lpbmi = (LPBITMAPINFOHEADER)lpDIB;lpbmc = (LPBITMAPCOREHEADER)lpDIB;/ 返回DIB中图像的宽度if (IS_WIN30_DIB(lpDIB)/ 对于Windows 3.0 DIB，返回lpbmi-biHeightreturn lpbmi-biHeight;else/ 对于其它格式的DIB，返回lpbmc-bcHeightreturn (DWORD)lpbmc-bcHeight;/* 函数名称：* PaletteSize()* 参数:* LPSTR lpbi - 指向DIB对象的指针* 返回值:

30、* WORD - DIB中调色板的大小* 说明:* 该函数返回DIB中调色板的大小。对于Windows 3.0 DIB，返回颜色数目* RGBQUAD的大小；对于其它返回颜色数目RGBTRIPLE的大小。*/WORD WINAPI PaletteSize(LPSTR lpbi)/ 计算DIB中调色板的大小if (IS_WIN30_DIB (lpbi)/返回颜色数目RGBQUAD的大小return (WORD)(:DIBNumColors(lpbi) * sizeof(RGBQUAD);else/返回颜色数目RGBTRIPLE的大小return (WORD)(:DIBNumColors(lpbi

31、) * sizeof(RGBTRIPLE);/* 函数名称：* DIBNumColors()* 参数:* LPSTR lpbi - 指向DIB对象的指针* 返回值:* WORD - 返回调色板中颜色的种数* 说明:* 该函数返回DIB中调色板的颜色的种数。对于单色位图，返回2，* 对于16色位图，返回16，对于256色位图，返回256；对于真彩色* 位图（24位），没有调色板，返回0。*/WORD WINAPI DIBNumColors(LPSTR lpbi)WORD wBitCount;/ 对于Windows的DIB, 实际颜色的数目可以比象素的位数要少。/ 对于这种情况，则返回一个近似的数

32、值。/ 判断是否是WIN3.0 DIBif (IS_WIN30_DIB(lpbi)DWORD dwClrUsed;/ 读取dwClrUsed值dwClrUsed = (LPBITMAPINFOHEADER)lpbi)-biClrUsed;if (dwClrUsed != 0)/ 如果dwClrUsed（实际用到的颜色数）不为0，直接返回该值return (WORD)dwClrUsed;/ 读取象素的位数if (IS_WIN30_DIB(lpbi)/ 读取biBitCount值wBitCount = (LPBITMAPINFOHEADER)lpbi)-biBitCount;else/ 读取biB

33、itCount值wBitCount = (LPBITMAPCOREHEADER)lpbi)-bcBitCount;/ 按照象素的位数计算颜色数目switch (wBitCount)case 1:return 2;case 4:return 16;case 8:return 256;default:return 0;/* 函数名称：* DIBBitCount()* 参数:* LPSTR lpbi - 指向DIB对象的指针* 返回值:* WORD - 返回调色板中颜色的种数* 说明:* 该函数返回DIBBitCount。*/WORD WINAPI DIBBitCount(LPSTR lpbi)WO

34、RD wBitCount;/ 读取象素的位数if (IS_WIN30_DIB(lpbi)/ 读取biBitCount值wBitCount = (LPBITMAPINFOHEADER)lpbi)-biBitCount;else/ 读取biBitCount值wBitCount = (LPBITMAPCOREHEADER)lpbi)-bcBitCount;/ 返回wBitCountreturn wBitCount;/* 函数名称：* CopyHandle()* 参数:* HGLOBAL h - 要复制的内存区域* 返回值:* HGLOBAL - 复制后的新内存区域* 说明:* 该函数复制指定的内存区

35、域。返回复制后的新内存区域，出错时返回0。*/HGLOBAL WINAPI CopyHandle (HGLOBAL h)if (h = NULL)return NULL;/ 获取指定内存区域大小DWORD dwLen = :GlobalSize(HGLOBAL) h);/ 分配新内存空间HGLOBAL hCopy = :GlobalAlloc(GHND, dwLen);/ 判断分配是否成功if (hCopy != NULL)/ 锁定void* lpCopy = :GlobalLock(HGLOBAL) hCopy);void* lp = :GlobalLock(HGLOBAL) h);/ 复制

36、memcpy(lpCopy, lp, dwLen);/ 解除锁定:GlobalUnlock(hCopy);:GlobalUnlock(h);return hCopy;/* 函数名称：* SaveDIB()* 参数:* HDIB hDib - 要保存的DIB* CFile& file - 保存文件CFile* 返回值:* BOOL - 成功返回TRUE，否则返回FALSE或者CFileException* 说明:* 该函数将指定的DIB对象保存到指定的CFile中。该CFile由调用程序打开和关闭。*/BOOL WINAPI SaveDIB(HDIB hDib, CFile& file)/ Bi

37、tmap文件头BITMAPFILEHEADER bmfHdr;/ 指向BITMAPINFOHEADER的指针LPBITMAPINFOHEADER lpBI;/ DIB大小DWORD dwDIBSize;if (hDib = NULL)/ 如果DIB为空，返回FALSEreturn FALSE;/ 读取BITMAPINFO结构，并锁定lpBI = (LPBITMAPINFOHEADER) :GlobalLock(HGLOBAL) hDib);if (lpBI = NULL)/ 为空，返回FALSEreturn FALSE;/ 判断是否是WIN3.0 DIBif (!IS_WIN30_DIB(lp

38、BI)/ 不支持其它类型的DIB保存/ 解除锁定:GlobalUnlock(HGLOBAL) hDib);/ 返回FALSEreturn FALSE;/ 填充文件头/ 文件类型BMbmfHdr.bfType = DIB_HEADER_MARKER;/ 计算DIB大小时，最简单的方法是调用GlobalSize()函数。但是全局内存大小并/ 不是DIB真正的大小，它总是多几个字节。这样就需要计算一下DIB的真实大小。/ 文件头大小颜色表大小/ （BITMAPINFOHEADER和BITMAPCOREHEADER结构的第一个DWORD都是该结构的大小）dwDIBSize = *(LPDWORD)lp

39、BI + :PaletteSize(LPSTR)lpBI);/ 计算图像大小if (lpBI-biCompression = BI_RLE8) | (lpBI-biCompression = BI_RLE4)/ 对于RLE位图，没法计算大小，只能信任biSizeImage内的值dwDIBSize += lpBI-biSizeImage;else/ 象素的大小DWORD dwBmBitsSize;/ 大小为Width * HeightdwBmBitsSize = WIDTHBYTES(lpBI-biWidth)*(DWORD)lpBI-biBitCount) * lpBI-biHeight;/

40、计算出DIB真正的大小dwDIBSize += dwBmBitsSize;/ 更新biSizeImage（很多BMP文件头中biSizeImage的值是错误的）lpBI-biSizeImage = dwBmBitsSize;/ 计算文件大小：DIB大小BITMAPFILEHEADER结构大小bmfHdr.bfSize = dwDIBSize + sizeof(BITMAPFILEHEADER);/ 两个保留字bmfHdr.bfReserved1 = 0;bmfHdr.bfReserved2 = 0;/ 计算偏移量bfOffBits，它的大小为Bitmap文件头大小DIB头大小颜色表大小bmfHdr.bfOffB