圖像處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊祥 郝泳濤

摘要：圖像處理技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域上都有了比較廣泛的應(yīng)用。本文基于C#設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)圖像處理系統(tǒng)，論述了怎么利用C#語言實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像（bmp、gif等）進(jìn)行打開、保存等功能和圖像處理功能（包括灰度化、膨脹等十項(xiàng)功能）。

關(guān)鍵字：灰度化；二值化；邊緣檢測(cè)；鏈碼提??；細(xì)化；腐蝕

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）26-0158-03

Design and implementation of image processing system

YANG Xiang，HAO Yong-tao

（College of Electronics and Information Engineering， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： The image processing technology has had a relatively wide range of applications in various fields. This paper designs and implements an image processing system based on C#， discusses how to use C# to achieve a variety of graphics image processing and realizes the use of a system designed for image files （bmp， png， gif， etc.） to open and save operations and other functions， image processing functions （including graying， expansion， etc. ten functions）.

Key words： graying； binarization； detection of edge； extraction of chain code； refinement； corrosion

1 概述

21世紀(jì)是一個(gè)信息科技的時(shí)代，圖形圖像包圍著我們，它們作為我們認(rèn)知客觀世界的基礎(chǔ)，對(duì)我們的生活有著重大影響，是我們獲取、表達(dá)、傳遞信息的手段。圖像處理，也就是用計(jì)算機(jī)對(duì)圖形圖像進(jìn)行一系列處理，它的發(fā)展時(shí)間并不是很長(zhǎng)。隨著信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，為數(shù)字圖像處理的發(fā)展提供了更加廣闊的空間。我們知道，圖像處理技術(shù)可以幫助我們更客觀、精確地認(rèn)識(shí)客觀世界，而視覺信息的載體是各種各樣的圖形圖像，在很多情況下，人的眼睛看圖像是模糊不清的，我們想要看到看清這些圖像就需要通過圖像的增強(qiáng)技術(shù)，使它們變成可見的而且甚至是高清的。

本文基于C#開發(fā)了一個(gè)集數(shù)十種功能于一體，較為成熟的圖像處理系統(tǒng)，使用起來方便簡(jiǎn)單。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

2.1 C#簡(jiǎn)介

C#語言相對(duì)于其他高級(jí)語言，如C、C++等，C#學(xué)習(xí)和使用起來更加簡(jiǎn)單，有如下特點(diǎn)：

1） 語法簡(jiǎn)單易學(xué)——相對(duì)高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言C、C++來講，C#的語法相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，C#中沒有C中晦澀難懂的指針，也沒有C++中龐大繁雜的類的多重繼承及封裝、多態(tài)性等，而且統(tǒng)一使用標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)算符、操作符等，所以入門比較容易。

2） 面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)——C#跟C++類似，也是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的所有關(guān)鍵特性，這些又是面向過程的程序設(shè)計(jì)語言所不支持的，比如類的封裝、繼承等特性。

3） 安全性——C#的代碼的工作環(huán)境是托管的，這就比其他程序設(shè)計(jì)語言要安全一些。

2.2 C#與圖像處理簡(jiǎn)介

在C#語言中，對(duì)圖像的處理是利用GDI+來完成的，這要比GDI性能各方面優(yōu)秀一些，進(jìn)一步講GDI+其實(shí)是在GDI的基礎(chǔ)上做出了比較明顯的進(jìn)步，尤其是句柄和上下文等概念不會(huì)出現(xiàn)在GDI+中，這樣一來，就可以使程序員沒必要再去關(guān)注具體的設(shè)備信息等等很多細(xì)節(jié)性的問題，只需要簡(jiǎn)單地調(diào)用相應(yīng)的庫函數(shù)即可完成需要的操作，從而可以更加簡(jiǎn)單快捷地編寫程序，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。

2.3 C#語言中三種對(duì)像素操作的方法

2.3.1 直接操作法

所謂的直接法也就是說直接調(diào)用GDI+中的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作，調(diào)用GetPixel（）函數(shù)我們可以得到當(dāng)前像素點(diǎn)的信息，然后又調(diào)用函數(shù)SetPixel（）可以重置當(dāng)前像素點(diǎn)的信息等。

2.3.2 內(nèi)存法

內(nèi)存法處理圖像的基本流程大致如下：

1）在圖像處理開始之前，先將操作對(duì)象放到內(nèi)存中，這是利用函數(shù)LockBits來完成的。

2）再調(diào)用庫函數(shù)把系統(tǒng)內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)等信息拷貝到一個(gè)數(shù)組中去。

3）對(duì)數(shù)組中的像素點(diǎn)進(jìn)行操作。

4）調(diào)用庫函數(shù)做與（2）相反的操作，即把數(shù)組中的像素信息拷貝到內(nèi)存去。

5）調(diào)用UnlockBits（）函數(shù)釋放上述過程中被鎖存的圖像數(shù)據(jù)。

內(nèi)存發(fā)的程序的運(yùn)行速度可以提高很多，得益于內(nèi)存法的全部操作都在內(nèi)存中進(jìn)行。

2.3.3 指針法

指針法與上面的內(nèi)存法很相似，它的圖像處理的過程如下：

1）在處理開始之前，先調(diào)用LockBits（）函數(shù)將圖像放到內(nèi)存中去。

2）接下來圖像處理，在指針法中對(duì)圖像的像素點(diǎn)的處理是利用指針完成的。

3）上述處理之后，是調(diào)用函數(shù)UnlockBits（）釋放被鎖存的處理過的圖像的數(shù)據(jù)，圖像處理結(jié)束。

在C#中，利用指針對(duì)像素進(jìn)行操作的流程，如圖1所示：

3 系統(tǒng)功能的詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 圖像的灰度化簡(jiǎn)介

度化處理很關(guān)鍵也很重要，在圖像處理，尤其是模式識(shí)別中尤其重要。對(duì)于常見的一般的24位的彩色圖像來說，它都是用3個(gè)字節(jié)來表示每個(gè)像素的顏色，也就是R、G、B。彩色圖像的三個(gè)分量紅、綠、藍(lán)的數(shù)值不同；否則就表現(xiàn)為灰度圖像。轉(zhuǎn)換公式如圖 2。

3.2 灰度直方圖簡(jiǎn)介

[H（rk）=nk （k=0，1，2，…，2b-1）]圖像的灰度直方圖的原理：反映一幅圖中的各個(gè)灰度級(jí)與它們出現(xiàn)的概率之間關(guān)系的圖形就是灰度直方圖。通常我們把灰度級(jí)當(dāng)作橫坐標(biāo)，把頻率看作縱坐標(biāo)，我們就得到了它的分布函數(shù)：

3.3 圖像的二值化簡(jiǎn)介

圖像的二值化原理：類似于灰度化處理，都是讓原來圖像的色彩種類減少，但是二值化要比灰度化要求更高，顧名思義，二值化會(huì)讓圖像的色彩減少到只有黑色和白色。所以，只需1位二進(jìn)制數(shù)就可以表示這種圖像的像素的顏色，進(jìn)而需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量也大大減少，最終可以使得圖像處理的算法得到精簡(jiǎn)，處理的速度也就自然而然地得到了提高。

3.4 圖像的濾波簡(jiǎn)介

圖像的濾波原理：顧名思義就是把空間域模板用于圖像處理的這種方法。具體可以分為兩種，分別是：線性平滑濾波和非線性平滑濾波，也叫鄰域平均法和中值濾波法。線性平滑濾波的原理很簡(jiǎn)單，找到當(dāng)前圖像的像素點(diǎn)鄰域內(nèi)的幾個(gè)像素點(diǎn)，然后求取平均值，也就是數(shù)學(xué)中的算術(shù)平均數(shù)，即顏色的算術(shù)平均值，然后用這個(gè)值去代替原來像素點(diǎn)的顏色值。

3.5 圖像的銳化簡(jiǎn)介

圖像的銳化原理：我們?cè)趫D像處理中，有時(shí)候需要對(duì)圖像進(jìn)行銳化處理，也就是讓圖像的邊緣更加突出鮮明。其實(shí)，我們都知道銳化和濾波是兩種完全互逆的處理方法。常用的銳化算法有梯度算子、Prewitt算子和一階的Sobel算子等等。

3.6 圖像的邊緣檢測(cè)簡(jiǎn)介

圖像的邊緣檢測(cè)原理：我們都知道圖像的邊緣對(duì)于一個(gè)圖像的重要性，也是一個(gè)圖像的最基本的特征，因?yàn)檫吘壨ǔ０撕芏嘀匾畔?，有時(shí)候這些信息又不是連續(xù)的，而且還是不斷變化的，所以圖像的邊緣檢測(cè)對(duì)于圖像的分析來說起著不可忽視的作用。在這里列舉幾個(gè)邊緣檢測(cè)算子：Sobel算子、梯度算子、Prewitt算子、一階的Roberts算子等等。

[R（x，y）=|f（x，y）-f（x+1，y+1）|+|f（x+1，y）-f（x，y+1）|]Roberts算子是采用對(duì)角線方向相鄰像素之差得到，它的近似計(jì)算方法如下：

具體是由2個(gè)2×2的卷積算子共同來完成：

[Δxf（x，y）： 100-1 Δyf（x，y）： 01-10]

3.7 圖像輪廓的鏈碼提取簡(jiǎn)介

圖像輪廓的鏈碼提取原理：在圖像處理中最常用的一種表示方法就是鏈碼，甚至在模式識(shí)別中也有很大用處，這是因?yàn)殒湸a可以大大減少了表示邊界所需的數(shù)據(jù)量，得益于鏈碼用一個(gè)方向數(shù)來代替兩個(gè)坐標(biāo)值。此外鏈碼還有旋轉(zhuǎn)不變性，更加增強(qiáng)了鏈碼應(yīng)用的靈活性。

3.8 圖像的細(xì)化簡(jiǎn)介

圖像的細(xì)化原理：細(xì)化也就是說讓寬的線條變成細(xì)的線條，可以簡(jiǎn)單這樣理解一下，多用于對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，其實(shí)也就是提取出源圖像的大致框架，進(jìn)一步講就是將原圖像中寬度大于1個(gè)象素的線條都挑選出來，然后一步一步細(xì)化操作，最終成為只有一個(gè)象素寬的線條，形成分析起來比較容易的圖像。

基于烈火模擬是細(xì)化的一種方法用的也比較多，此外還有基于最大圓盤方法也是不錯(cuò)的細(xì)化方法。它的基本思想就是從線條邊緣開始向里層層去除像素，直到線條寬度只剩下一個(gè)象素才停止。

3.9 圖像的腐蝕簡(jiǎn)介

[XΘS={x|（S）x?X}]圖像的腐蝕原理：形態(tài)學(xué)處理的基礎(chǔ)是膨脹和腐蝕，大多說的形態(tài)學(xué)算法都是以這兩種運(yùn)算為基礎(chǔ)的。

把X設(shè)為圖像集合，把S設(shè)為結(jié)構(gòu)元素，則S把X腐蝕記為：

3.10 圖像的膨脹簡(jiǎn)介

圖像的膨脹原理：形態(tài)學(xué)處理的基礎(chǔ)是膨脹和腐蝕，大多說的形態(tài)學(xué)算法都是以這兩種運(yùn)算為基礎(chǔ)的。

把X設(shè)為圖像集合，把S設(shè)為結(jié)構(gòu)元素，則S把X膨脹記為：

[X⊕S= x|[（S）x?X]≠Φ ]

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過上述系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，然后詳細(xì)的編碼，最終開發(fā)了本系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的所有功能，截取部分功能驗(yàn)證圖片：

5 結(jié)束語

本文基于C#語言，開發(fā)了一個(gè)小型的相對(duì)簡(jiǎn)單的圖像處理系統(tǒng)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了圖形圖像的打開、保存等基本操作，還有簡(jiǎn)單的圖像處理功能（包括灰度化、銳化、鏈碼提取、濾波、邊緣檢測(cè)、腐蝕、二值化、膨脹等）。此次系統(tǒng)開發(fā)過程中深有體會(huì)，學(xué)習(xí)是無止境的，要活到老學(xué)到老，要不斷豐富自己的專業(yè)知識(shí)，遇到不懂不會(huì)的一定要勤學(xué)好問，還要善于動(dòng)手查找資料，最后感謝所有在生活和學(xué)習(xí)中幫助過我的人。

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