信息處理系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)-圖像幾何變換GUI設(shè)計(jì)

1、學(xué) 號(hào)11780122天津城建大學(xué) 信息處理系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)圖像幾何變換軟件的GUI設(shè)計(jì)起止日期： 2014 年 12 月 29 日 至 2015 年 1 月 23 日學(xué)生姓名XXX班級(jí)成績(jī)指導(dǎo)教師(簽字) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院2015年 1月 23日天津城建大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2014 2015學(xué)年第一學(xué)期 計(jì)算機(jī)與信息工程 學(xué)院 電子信息科學(xué)與技術(shù) 專業(yè) 11電信科1班 班級(jí)課程設(shè)計(jì)名稱： 信息處理系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目： 圖像幾何變換軟件的GUI設(shè)計(jì) 完成期限：自 2014 年 12 月 29 日至 2015 年 1 月 23 日共 4 周設(shè)計(jì)依據(jù)、要求及主要內(nèi)容（可另加附頁(yè)）：利

2、用Matlab軟件進(jìn)行GUI設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)圖像幾何變換軟件的設(shè)計(jì)集成不同參數(shù)的不同圖像幾何變換方法（至少4種以上平移/旋轉(zhuǎn)/縮放/鏡像/錯(cuò)切），實(shí)現(xiàn)不同幾何變換效果的對(duì)比指導(dǎo)教師（簽字）： 系主任（簽字）： 批準(zhǔn)日期： 2014 年12月 18 日目錄 TOC o 1-3 u 第1章 圖像幾何變換設(shè)計(jì)原理 PAGEREF _Toc409125350 h 1引言 PAGEREF _Toc409125351 h 11.2 程序設(shè)計(jì)框圖 PAGEREF _Toc409125352 h 1原理介紹 PAGEREF _Toc409125353 h 21.3.1 平移原理 PAGEREF _Toc409125

3、354 h 21.3.2 縮放原理 PAGEREF _Toc409125355 h 21.3.3 旋轉(zhuǎn)原理 PAGEREF _Toc409125356 h 21.3.4 鏡像原理 PAGEREF _Toc409125357 h 31.3.5 錯(cuò)切原理 PAGEREF _Toc409125358 h 4第2章 圖像幾何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) PAGEREF _Toc409125359 h 52.1 MATLAB GUI設(shè)計(jì)界面介紹 PAGEREF _Toc409125360 h 52.1.1 MATLAB GUI介紹 PAGEREF _Toc409125361 h 5本次研究中所使用的GUI設(shè)計(jì)界面本 PAG

4、EREF _Toc409125362 h 52.2 圖像幾何變換核心程序簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc409125363 h 6圖像平移 PAGEREF _Toc409125364 h 6圖像縮放 PAGEREF _Toc409125365 h 6圖像旋轉(zhuǎn) PAGEREF _Toc409125366 h 7圖像鏡像 PAGEREF _Toc409125367 h 7圖像錯(cuò)切 PAGEREF _Toc409125368 h 72.3 界面之間的轉(zhuǎn)換 PAGEREF _Toc409125369 h 8第3章 設(shè)計(jì)的結(jié)果與分析 PAGEREF _Toc409125370 h 9圖像平移效果及分析 P

5、AGEREF _Toc409125371 h 9圖像縮放效果及分析 PAGEREF _Toc409125372 h 9圖像旋轉(zhuǎn)效果及分析 PAGEREF _Toc409125373 h 10圖像鏡像效果及分析 PAGEREF _Toc409125374 h 10圖像錯(cuò)切效果及分析 PAGEREF _Toc409125375 h 11第4章 總結(jié) PAGEREF _Toc409125376 h 12參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc409125377 h 13附錄 PAGEREF _Toc409125378 h 14第1章 圖像幾何變換設(shè)計(jì)原理在現(xiàn)實(shí)生活中，幾何變換對(duì)于圖像編輯來(lái)說(shuō)具有很大的作用

6、，例如對(duì)采集的的照片位置，大小不滿意時(shí)，都可以借助圖像的幾何變換來(lái)實(shí)現(xiàn)改變圖像的空間位置的操作1。幾何變換又稱空間變換，是將原圖像的位置坐標(biāo)映射到新坐標(biāo)上，但并不改變其圖像的像素值，僅僅只是對(duì)圖像的像素重排，其中由于坐標(biāo)變換后，某些位置上出現(xiàn)了空洞點(diǎn)，需要通過(guò)插值處理，使得圖像完整2。本次設(shè)計(jì)使用MATLAB GUI為載體進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，程序中所采用的插值均為最近鄰插值，所涉及到的圖像幾何變換有平移、縮放、旋轉(zhuǎn)、鏡像和錯(cuò)切。1.2 程序設(shè)計(jì)框圖開(kāi)始主界面設(shè)計(jì)平移縮放旋轉(zhuǎn)鏡像錯(cuò)切實(shí)現(xiàn)相應(yīng)地各種操作結(jié)束圖1 程序設(shè)計(jì)框圖1.3.1 平移原理將圖像中所有的點(diǎn)都按照指定的平移量水平、垂直移動(dòng)。設(shè)(x0,

7、 y0)是原圖像上的一點(diǎn)，圖像水平平移量為tx，垂直平移量為ty，則平移后點(diǎn)(x0, y0)的坐標(biāo)變?yōu)?x1, y1)。(x0, y0)與(x1, y1)之間的關(guān)系為：以矩陣的形式表示為：它的逆變換：平移后的圖像中每個(gè)像素的顏色是由原圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)顏色確定3。1.3.2 縮放原理假設(shè)x軸放大因子為c， y軸放大因子為d，縮放的變換矩陣為4：1.3.3 旋轉(zhuǎn)原理通常是以圖像的中心為圓心旋轉(zhuǎn)，按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)前：旋轉(zhuǎn)a角度后：以矩陣的形式表示為： rrab(x0, y0)(x1, y1)yxO圖2 旋轉(zhuǎn)示意圖式中，坐標(biāo)系是以圖像的中心為原點(diǎn)，向右為x軸正方向，向上為y軸正方向。它和以圖像左上

8、角為原點(diǎn)，向右為x軸正方向，向下為y軸正方向的坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示5。 (x, y)yxOxyO圖3 兩種坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換關(guān)系圖設(shè)圖像的寬度為w，高度為h，容易得到：逆變換為：有了以上公式，可以把變換分成三步：第一步，將坐標(biāo)系變成；第二步，將該點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)a角度；第三步，將坐標(biāo)系變回。這樣，我們就得到了變換矩陣，它是上面三個(gè)矩陣的級(jí)聯(lián)。那么對(duì)于新圖像中的每一點(diǎn)，就可以根據(jù)對(duì)應(yīng)原圖中的點(diǎn)，得到它的灰度。如果超出原圖范圍，則填成白色。要注意的是，由于有浮點(diǎn)運(yùn)算，計(jì)算出來(lái)點(diǎn)的坐標(biāo)可能不是整數(shù)，采用取整處理或插值來(lái)處理6。1.3.4 鏡像原理圖像的鏡像變換是以圖象垂直中軸線或水平中軸線交換圖像

9、的變換，分為垂直鏡像變換和水平鏡像變換，兩者的矩陣形式分別為7： 1.3.5 錯(cuò)切原理變換前和變換后y坐標(biāo)不變，而x坐標(biāo)根據(jù)y坐標(biāo)值作線性變換，變換前后點(diǎn)的坐標(biāo)之間的關(guān)系為：式中為變換系數(shù)。若，沿X正方向錯(cuò)切；若，則沿著X負(fù)方向錯(cuò)切。所以，錯(cuò)切矩陣為：在X、Y平面上不考慮Z軸方向8。第2章 圖像幾何設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)2.1 MATLAB GUI設(shè)計(jì)界面介紹2.1.1 MATLAB GUI介紹在Matlab中，圖形用戶界面(graphical user interface，GUI)是Matlab中一個(gè)專用于GUI程序設(shè)計(jì)的向?qū)гO(shè)計(jì)器，而GUI是由各種圖形對(duì)象，如圖形窗口、圖軸、菜單、按鈕、文本框等構(gòu)建的用

10、戶界面，是人機(jī)交互的有效工具和方法。通過(guò)GUIDE可以很方便地設(shè)計(jì)出各種符合要求的圖形用戶界面。用戶通過(guò)一定的方法(如鼠標(biāo)或鍵盤)選擇、激活這些圖形對(duì)象，使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生某種動(dòng)作或變化，比如實(shí)現(xiàn)計(jì)算、繪圖等。GUI設(shè)計(jì)既能以基本的Matlab程序設(shè)計(jì)為主，也能以鼠標(biāo)為主，利用GUIDE工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可綜合以上兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。GUIDE主要是一個(gè)界面設(shè)計(jì)工具集。Matlab將所有GUl支持的用戶控件都集成在這個(gè)環(huán)境中并提供界面外觀、屬性和行為相應(yīng)方式的設(shè)置方法。GUIDE將用戶保存設(shè)計(jì)好的圖形用戶界面保存在一個(gè)FIG資源文件中，同時(shí)自動(dòng)生成包含圖形用戶界面初始化和組件界面布局控制代碼的M文件，這

11、個(gè)M文件為實(shí)現(xiàn)回調(diào)函數(shù)的編寫(xiě)提供了一個(gè)參考框架。FIG文件是一個(gè)二進(jìn)制文件，包含系列化的圖形窗口對(duì)象。所有對(duì)象的屬性都是用戶創(chuàng)建圖形窗口時(shí)保存的屬性。該文件最主要的功能是對(duì)象句柄的保存。M文件包含GUI設(shè)計(jì)、控制函數(shù)及控件的回調(diào)函數(shù)，主要用來(lái)控制GUI展開(kāi)時(shí)的各種特征。該文件基本上可以分為GUI初始化和回調(diào)函數(shù)2個(gè)部分，控件的回調(diào)函數(shù)可根據(jù)用戶與GUI的具體交互行為分別調(diào)用9。下面我們以圖4為例，說(shuō)明界面設(shè)計(jì)的功能10。圖4 GUI設(shè)計(jì)界面實(shí)例通過(guò)上圖，我們看到本次設(shè)計(jì)基本上采用靜態(tài)文本框、按鈕、坐標(biāo)軸和復(fù)選按鈕。其功能介紹如下：靜態(tài)文本框：輸入文字，將標(biāo)注的信息顯示出來(lái)。按鈕與復(fù)選按鈕：通過(guò)

12、點(diǎn)擊，完成一次命令，可以使載入圖像，也可以是返回主界面或者完成命令。坐標(biāo)軸：也是可視化窗口，將原圖和所變換的圖像通過(guò)兩個(gè)坐標(biāo)軸顯示出來(lái)，以供比較。2.2 圖像幾何變換核心程序簡(jiǎn)介核心程序：se=translate(strel(1),40 -40);b=imdilate(dai,se);功能：使用translate函數(shù)將圖像進(jìn)行搬移，其中第一個(gè)函數(shù)參數(shù)表示只對(duì)圖像進(jìn)行搬移而不改變圖像本身，第二個(gè)參數(shù)則是平移的坐標(biāo)，然后再通過(guò)imdilate函數(shù)將圖像展現(xiàn)出來(lái)。核心程序（方法一）： g=imresize(dai,1); / 此函數(shù)為放大一倍，若將1改為0.5，則表示縮小一倍axes(handles

13、.axes2);set(handles.axes2, Units, pixels);x,y=size(g);set(gca,position,350 237 y x)功能：imresize函數(shù)作為圖像縮放的主要函數(shù)，函數(shù)第一個(gè)參數(shù)為圖像文件名，第二個(gè)參數(shù)為縮放倍數(shù)。縮放完成后設(shè)置坐標(biāo)軸2。若不設(shè)置坐標(biāo)軸，那么圖像的大小將自動(dòng)適應(yīng)于新坐標(biāo)，本程序?yàn)榱吮容^明顯的看出圖像的縮放，則設(shè)置了坐標(biāo)，用size函數(shù)測(cè)量了圖像的寬和高，然后使得坐標(biāo)的寬和高與圖像相適應(yīng)，而其他兩個(gè)位置變量則固定不變。這樣顯示出來(lái)的圖像就有了可比較的特點(diǎn)。核心程序（方法二）：prompt=(縮放度數(shù));p=inputdlg(pr

14、ompt,input,1,defans);p1=str2num(p1);f=imresize(dai,p1,nearest);set(handles.axes2, Units, pixels);x,y=size(f);set(gca,position,350 277 y x)功能： Inputdlg函數(shù)是用對(duì)話框的格式輸入縮放的參數(shù)，prompt是對(duì)話框的文字提示，提示出要輸入的參數(shù)是什么，input指的是輸入?yún)?shù)，1是指對(duì)話框的行數(shù)，defans是默認(rèn)的初始值。同時(shí)用字符轉(zhuǎn)換成數(shù)字來(lái)改變縮放參數(shù)，因?yàn)檩斎氲闹皇且粋€(gè)字符型的參數(shù)要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字才能應(yīng)用，其余同方法一，坐標(biāo)也要相應(yīng)的適應(yīng)新的圖像

15、。核心程序（方法一）：dai=imrotate(dai,45);/第二個(gè)參數(shù)則是旋轉(zhuǎn)的度數(shù)功能：旋轉(zhuǎn)的函數(shù)通過(guò)imrotate函數(shù)就能完成，第一個(gè)變量為圖像名稱，第二個(gè)變量則是旋轉(zhuǎn)的度數(shù)。核心程序（方法二）：prompt=(旋轉(zhuǎn)角度);defans=0;p=inputdlg(prompt,input,1,defans);p1=str2num(p1);f=imrotate(dai,p1,nearest);功能： Inputdlg函數(shù)是用對(duì)話框的格式輸入縮放的參數(shù)，prompt是對(duì)話框的文字提示，提示出要輸入的參數(shù)是什么，input指的是輸入?yún)?shù)，1是指對(duì)話框的行數(shù)，defans是默認(rèn)的初始值。同

16、時(shí)用字符轉(zhuǎn)換成數(shù)字來(lái)改變縮放參數(shù)，因?yàn)檩斎氲闹皇且粋€(gè)字符型的參數(shù)要將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字才能應(yīng)用，其余同方法一。此方法默認(rèn)是最近鄰方法，同時(shí)也可用雙線性和雙立方插值的方式對(duì)次圖像進(jìn)行處理。 核心程序： k=fliplr(dai);k=flipud(dai);功能： 上述函數(shù)分別為水平鏡像和垂直鏡像，水平鏡像是以y軸為對(duì)稱軸，而垂直鏡像則以x為對(duì)稱軸。在函數(shù)中直接寫(xiě)入圖像名稱即可。核心程序： s=maketform(affine,1 0.5 0;0 1 0;0 0 1);j=imtransform(dai,s);功能： 通過(guò)使用maketform函數(shù)構(gòu)造矩陣，affine表示為仿射變換，后面的參數(shù)表示的

17、是位置矩陣，再由imtransformn函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞轉(zhuǎn)換，達(dá)到錯(cuò)切的效果。2.3 界面之間的轉(zhuǎn)換1、界面之間的轉(zhuǎn)換靠回調(diào)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)：h=gcf; /返回當(dāng)前句柄值main; /主函數(shù)名close(h);2、文件輸入：filename,pathname=. uigetfile(*.bmp;*.jpg;*.gif,選擇圖片); /創(chuàng)建文件對(duì)話框str=pathname,filename;3、退出軟件：Close all；第3章 設(shè)計(jì)的結(jié)果與分析 圖5 平移左下位置效果圖結(jié)果分析： 平移的效果就是以圖像中心為原點(diǎn)坐標(biāo)，輸入兩個(gè)參數(shù)，分別為x，y。由二維平面的坐標(biāo)值改變圖像的原始位置。本實(shí)驗(yàn)采用的

18、是定向的編寫(xiě)程序，通過(guò)指令來(lái)完成平移后的圖像顯示。也可以采用靈活的方式，使用對(duì)話框來(lái)輸入需要的參數(shù)，圖片的坐標(biāo)是固定的，所以產(chǎn)生的效果就是移出去的部分不顯示，空缺的位置為黑色，體現(xiàn)出需要的效果，同時(shí)還應(yīng)該注意要使用灰度圖像，若非灰度圖像，則程序不能別識(shí)，應(yīng)該使用a=rgb2gary（文件名）類似的函數(shù)來(lái)轉(zhuǎn)換彩色圖像為灰度圖像，這樣才能更好地對(duì)圖像進(jìn)行平移變換。 圖6 圖像縮小效果圖結(jié)果分析： 縮放變換的效果是使圖片的大小發(fā)生改變，本實(shí)驗(yàn)采用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，一種是固定參數(shù)的方法，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)便操作，直接對(duì)命令按鈕點(diǎn)擊既能出現(xiàn)效果，另一種是通過(guò)對(duì)話框的形式輸入?yún)?shù)，這種方法的好處是靈活性比較高。圖像

19、的縮放一種是按比例進(jìn)行的，一種是非比例縮放的，本次實(shí)驗(yàn)使用的是比例縮放。在放大縮小的過(guò)程中，圖像的像素也會(huì)隨之放大縮小。這就使得圖像的像素位置會(huì)發(fā)生改變，有可能會(huì)涉及到非整數(shù)點(diǎn)，那么就會(huì)遇到一個(gè)問(wèn)題，圖像會(huì)出現(xiàn)空洞，這些空洞需要被填補(bǔ)以完善圖像的整體，其中使用的方法有插值處理。插值處理又分為最近鄰插值，雙線性插值和雙立方插值。本次實(shí)驗(yàn)?zāi)J(rèn)使用最近鄰插值，但其實(shí)最近鄰插值的效果會(huì)隨著圖像的放大而出現(xiàn)塊狀效應(yīng)，也就是俗稱的馬賽克。而是用雙線性和雙立方插值的方法就會(huì)使得這種效應(yīng)減弱，但是后兩種方法的過(guò)程在計(jì)算方面會(huì)很繁瑣。在不影響圖像質(zhì)量的前提下，采用最近鄰的方法處理圖像可以得到所需的效果。 圖7

20、圖像旋轉(zhuǎn)45效果圖結(jié)果分析： 旋轉(zhuǎn)角度的不同使得圖像有不同的效果，但是在類似45的角度中，圖像的坐標(biāo)會(huì)發(fā)生改變，為了適應(yīng)這種改變，可以通過(guò)坐標(biāo)隨著變換的改變而改變。本實(shí)驗(yàn)也采用兩種方法實(shí)現(xiàn)。用內(nèi)置函數(shù)就可以完成效果。 圖8 圖像水平鏡像效果圖結(jié)果分析： 鏡像分為水平鏡像和垂直鏡像，鏡像的判斷是根據(jù)以什么作為對(duì)稱軸，以x為對(duì)稱的則是垂直鏡像，以y軸為對(duì)稱的則水平鏡像。鏡像的函數(shù)也可用內(nèi)置函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 圖9 圖像垂直錯(cuò)切效果圖結(jié)果分析： 圖像錯(cuò)切，是一種仿射變換。類似于投影。我們知道直接投影就是垂直地去看圖像的影子，而錯(cuò)切則是在水平和豎直方向分別以一定的角度來(lái)看投影，這樣就出現(xiàn)圖像斜著的感覺(jué)。圖像

21、錯(cuò)切的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)一個(gè)錯(cuò)切矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)的，改變一定的參數(shù)，就會(huì)使得錯(cuò)切的角度有很大的變化。第4章 總結(jié)通過(guò)這次綜合課設(shè)，我學(xué)到了數(shù)字圖像處理的幾何變換方面的知識(shí)。通過(guò)自己制作MATLAB 圖像幾何變換軟件，熟悉了設(shè)計(jì)界面，同時(shí)也了解到圖像幾何變換的原理。在制作軟件中，通過(guò)查找資料，再到學(xué)習(xí)其中的重點(diǎn)知識(shí)，最后學(xué)以致用，將別人的知識(shí)加以改進(jìn)作為自己的知識(shí)輸出，在這個(gè)過(guò)程中我體會(huì)到了學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。同時(shí)也借這次機(jī)會(huì)鍛煉了自己編程的能力，為了畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。課設(shè)中，我還遇到了一些問(wèn)題，剛開(kāi)始做縮放的時(shí)候總是把坐標(biāo)軸的更改弄錯(cuò)，經(jīng)過(guò)查書(shū)和網(wǎng)上搜索，最終將結(jié)果做出來(lái)了，我覺(jué)得至少這一點(diǎn)是我以前沒(méi)有

22、做好的一部分，還有就是在做平移的時(shí)候總是想不出用什么函數(shù)來(lái)表示，通過(guò)認(rèn)真反復(fù)看書(shū)和思考，我最后也攻克難題，實(shí)現(xiàn)了所有的功能。通過(guò)這次可是也使我對(duì)數(shù)字圖像處理這門課程有了更深的了解，我從中悟到只有踏實(shí)的去一步步地做才能解決矛盾，困難，但是只是一味的想象困難是沒(méi)有任何幫助的。在這次綜合設(shè)計(jì)中我受益匪淺。參考文獻(xiàn)4 5 朱振武. HYPERLINK :/www /kcms/detail/detail.aspx?filename=AQSX200903040&dbcode=CJFQ&dbname=CJFD2009&v= t _blank 例談幾何變換的應(yīng)用J. 安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2009

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25、李迎春,曾巒,丁向麗. HYPERLINK :/www /kcms/detail/detail.aspx?filename=XYZH200001010&dbcode=CJFQ&dbname=cjfd2000&v= t _blank 圖像的幾何運(yùn)算方法J. 指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào). 2000(01) 附錄1、平移程序：filename,pathname=. uigetfile(*.bmp;*jpg;*.gif,圖像選擇);str=pathname,filename;global image;global dai;image=imread(str);dai=image;axes(handles.axes

26、1);imshow(image);axes(handles.axes2);imshow(image);set(handles.radiobutton1,value,1);set(handles.radiobutton2,value,0);set(handles.radiobutton3,value,0);set(handles.radiobutton4,value,0);set(handles.radiobutton5,value,0);global dai;se=translate(strel(1),40 -40);b=imdilate(dai,se);axes(handles.axes2)

27、;imshow(b);h=gcf;main;close(h);以下程序返回與打開(kāi)文件程序相同，只加入主要程序（選項(xiàng)程序與主程序相似）：2、縮放程序：set(handles.radiobutton1,value,1);set(handles.radiobutton2,value,0);set(handles.radiobutton3,value,0);global dai;g=imresize(dai,1);axes(handles.axes2);set(handles.axes2, Units, pixels);x,y=size(g);set(gca,position,350 237 y x)imshow(g);方法二：global dai;axes(handles.axes2);imshow(dai);I=getimage;prompt=(縮放度數(shù));defans=0;