數字圖像邊緣檢測算法的研究與實現(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 這種文件格式就是每一個像素用 8bit 表示，顯示出來的圖像是黑白效果，最黑的像素的灰度（也叫作亮度）值為“ 0”，最白的像素的灰度值為“ 255”，整個圖像各個像素的 灰度值隨機的分布在“ 0”到“ 255”的區間中，越黑的像素，其灰度值越接近于“ 0”，越白（即越亮）的像素，其灰度值越接近于“ 255”；與此對應的是在該文件類型中的顏色表項的各個 RGB 分量值是相等的，并且顏色表項的數目是 256 個。真彩色圖像要復雜一些，表示圖像時，常用的圖像彩色模式有RGB 模式、 CMYK 模式和 HIS 模式，一般情況下我們只使用 RGB 模式， R 對應紅色， G 對應綠色， B 對應藍色，它們統稱為三基色，這三中色彩的不同搭配，就可以搭配成各種現實中的色彩，此時彩色圖像的每一個像素都需要 3 個樣本組成的一組數據表示 ，其中每個樣本用于表示該像素的一個基本顏色。 BMP 文件由文件頭、位圖信息頭、顏色信息和圖形數據四部分組成。 如表 31所示： 表 31 BMP文件的組成 位圖文件頭 BITMAPFILEHEADER 位圖信息頭 BITMAPINFOHEADER 調色板 Palette 實際位圖數據 ImageData 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 10 文件頭主要包含文件的大小、文件類型、圖像數據偏離文件頭的長度等信息；位圖信息頭包含圖象的尺寸信息、圖像用幾 個比特數值來表示一個像素、圖像是否壓縮、圖像所用的顏色數等信息。顏色信息包含圖像所用到的顏色表，顯示圖像時需用到這個顏色表來生成調色板，但如果圖像為真彩色，即圖像的每個像素用 24 個比特來表示，文件中就沒有這一塊信息，也就不需要操作調色板。文件中的數據塊表示圖像的相應的像素值，需要注意的是：圖像的像素值在文件中的存放順序為從左到右，從下到上，也就是說，在 BMP 文件中首先存放的是圖像的最后一行像素，最后才存儲圖像的第一行像素，但對與同一行的像素，則是按照先左邊后右邊的的順序存儲的；另外一個需要關注的細節是：文件 存儲圖像的每一行像素值時，如果存儲該行像素值所占的字節數為 4 的倍數，則正常存儲，否則，需要在后端補 0，湊足 4 的倍數。一般 256 色位圖 BMP 文件頭（除數據外）總共有 1078 個字節。 下面詳細說明上述三個結構在 中都有定義 [6]。 1． 位圖文件頭 (BITMAPFILEHEADER)： VC++對位圖文件頭的定義： Typedef struct tagBITMAPFILEHEADER { WORD bfType。// 指定文件類型，必須是 0X424D,即字符串“ BM” WORD bfSize。// 指定文件大小 WORD bfReserved1。// 保留字，不予考慮 WORD bfREserved2。// 保留字，不予考慮 DWORD bfOffBits。// 從文件頭到實際的位圖數據的偏移字節數 }BITMAPFILEHEADER, FAR*LP BITMAPFILEHEADER, *PBITMAPFILEHEADER。 2． 位圖信息頭 (BITMAPFILEHEADER)： VC++對位圖文件頭的定義： Typedef struct tagBITMAPINFOHEADER { DWORD biSize。// 指定結構長度 LONG biWidth。// 圖像寬度 LONG biHeight。// 圖像高度 WORD biplanes。// 必須是１ WORD bitCount。 //指定表示顏色時要用到的位數。常用值有 1（黑白 //二色圖）、 4（ 16 色圖）、 8（ 256 色圖）、 24（真彩色圖）。 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 11 DWORD biCompression。// 指出位圖是否壓縮 DWORD biSizeImage。// 實際位圖數據所占用的字節數 LONG biXPelsPerMeter。// 水平分辨率 LONG biYPelsPerMeter。// 垂直分辨率 DWORD biClrUsed。// 指定本圖像實際用到的顏色數，若該值為 0 則為 2 的bitCount 次方 DWORD biClrImportant。// 指定本圖像最重要的顏色數，若該值為 0，則認為所有顏色都是重要的。 }BITMAPINFOHEADER。 3． 調色板（ Palette） VC++對調色板的定義： Typdef struct tagRGBQUAD { BYTE rgbBlue。 BYTE rgbGreen。 BYTE rgbRed。 BYTE rgbReserved。 }RGBQUAD。 其中 rgbReServed 為保留值。 CDIB 類 前面只是為圖像文件提供基本的知識和工具，還沒具體涉及到圖像操作的具體內容，這里先構造一個圖像操作的類， 即 CDIB 類，它是進行圖像處理的“工具箱”。 根據圖像處理的需要， 表 32 列出了 CDIB 類的一些主要成員函數。 表 32 CDIB類的部分成員函數 函數或結構名 功能描 述 PaintDIB() 繪制 DIB 對象 SaveDIB() 將 DIB 保存到 指定文件中 ReadDIBFile() 從 指定文件中讀取 DIB 對象 DIBBitCount() 該函數返回 DIB 圖像的位深度 FindDIBBits() 返回 DIB圖像象素起始位置 DIBWidth() 返回 DIB 寬度 DIBHeight() 返回 DIB 高度 SetPalette() 設置調色板 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 12 幾種重要的操作函數 1． 返回 DIB 對象像素的起始位置（ FindDIBBits()） 該函數原型聲明如下： LPBYTE FindDIBBits(LPBYTE lpbi)。 該函數只有一個入口參 數 lpbi，為一個指向 DIB 對象的指針，通過計算而返回一個指向 DIB 圖像像素起始位置的指針。計算過程也非常簡單，只涉及到指針的移動： ?? Return (lpbi+*(LPDWORD) lpbi+PaletteSize(lpbi)) 2． 負責獲取 DIB 位圖的寬度（ DIBWidth()） 該函數的原型為： DWORD DIBWidth(LPYTE lpDIB) 入口參數 lpbi 給出了一個指向 DIB 對象的指針，在計算完成后返回雙字長度的 DIB 位圖寬度。對于不同格式的 DIB，其圖像寬度的計算方式也有所不同，具體 為針對 Windows 格式 DIB 和針對其他格式 DIB 的兩種不同的計算方式。具體計算過程如下： //返回 DIB 圖像的寬度 if(IS_WIN 30_DIB(lpDIB)) { //對于 Windows DIB，返回 lpbmibiWidth return lpbmibiWidth。 } else { //對于其他格式的 DIB，返回 lpbmcbcWidth return (DWORD) lpbmcbcWidth。 } 3． 獲取 DIB 位圖的高度（ DIBHeight()） 函數原型為： DWORD DIBHeight(LPBYTE lpDIB)； 函數入口參數 lpDIB 為一指向 DIB 對象的指針，計算完成后返回雙字型的DIB 位圖高度，具體實現思路和 DIBWidth()基本類似，也是需要根據不同的 DIB格式做不同的計算。具體實現過程如下： 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 13 //返回 DIB 圖像的高度 if(IS_WIN 30_DIB(lpDIB)) { //對于 Windows DIB，返回 lpbmibiHeight return lpbmibiHeight。 } else { //對于其他格式的 DIB，返回 lpbmcbcHeight return (DWORD) lpbmcbcHeight。 } 4． 獲取 DIB 位圖的位深度（ DIBBitCount()） 函數原型為： WORD DIBBitCount(LPBYTER lpbi)。 入口參數 lpbi 為指向 DIB 對象的指針，函數最終返回 DIB 位圖的位深度。函數實現時根據是否是 Windows 格式的 DIB，而決定是從BITMAPINFOHEADER 結構的數據成員 biBitCount 中獲取，還是從BITMAPCOREHEADER 結構的數據成員 bcBitCount 中獲取。具體過程如下： //讀取像素的位數 if(IS_WIN 30_DIB(lpbi)) { //讀取 biBitCount 值 nBitCount=((LPBITMAPINFOHEADER) lpbi) biBitCount。 } else { //讀取 biBitCount 值 nBitCount=((LPBITMAPCOREHEADER) lpbi) bcBitCount。 } 5． 負責 DIB 對象文件的保存（ SaveDIB()） BOOL SaveDIB(HDIB hDib,Cfileamp。file)。 入口參數 hDib 和 file 分別為保存的 DIB 和保存的文件對象。函數執行成功將返回 True，否則返回 False 或者拋出 CfileException 異常 DIB 文件的保存主要分為對文件頭的保存和對像素點陣的保存，前者可通過結構 BITMAPFILEHEADER東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 14 和 BITMAPINFOHEADER 加以描述，將其數據成員填充完畢后寫入到文件。在進行文件寫入時，需要通過 TRYCATCH 語句來捕獲其中可能發生的異常。 6． 從制定文件讀取 DIB 對象到內存（ ReadDIBFile()） 函數原型為： HDIB ReadDIBFile(Cfileamp。file)。 入口參數 file 指定了待讀取的文件，如果函數執行成功將返回一個 DIB 的句柄否則返回 NULL。函數在執行時，首先從文件中讀取 DIB 文件頭，并判斷是否是合法的 DIB 對象，如果文件格式正確則為其分配相應的內存，并完成對圖像點陣的讀取。 關鍵代碼如下： ?? //嘗試讀取 DIB 文件頭 if(((LPBYTE) amp。bmfHeader, sizeof(bmfHeader))!=sizeof(bmfHeader)) { //大小不對，返回 NULL return NULL。 } ?? //讀像素 if(file,ReadHuge(lpDIB,dwBitsSizesizeof(BITMAPFILEHEADER))!=dwBitsSizesizeof(BITMAPFILEHEADER)) { //大小不對，解除鎖定 ：： GlobalUnlock((HGLOBAL) hDIB)。 //釋放內存 ：： GlobalFree((HGLOBAL) hDIB)。 //返回 NULL return NULL。 } 當然圖像操作還有很多，這里只是舉出了幾種必備的操作，也是此次畢 業設計必需的幾種操作 。 東北石油大學 本科生畢業設計（論文） 15 第 4 章 數字圖像邊緣檢測算法的研究與實現 圖像邊緣檢測的基本步驟 一種定位二維或三維圖像（特別是醫學圖像）中的對象的邊緣的系統。通過輸入端（３１０）接收表示該圖像的各元素值的數據元素集。該數據集被存儲在存儲裝置（３２０）中。處理器（３４０）確定該圖像中的對象的邊緣。該處理器計算所述數據元素的至少一階和／或二階導數，并且計算該圖像的等照度線曲率，所述曲率由 κ 標識。該處理器還確定校正因數 α ，該校正因數 α 對于由對象的曲率和／或所述數據的模糊造成的邊緣錯位進行校正。該校 正因數 α 取決于所述等照度線曲率 κ 。然后，該處理器確定取決于所計算出的導數和所述等照度線曲率的算子的過零點。該系統的輸出端（３３０）提供對于該圖像中的邊緣位置的指示 。基本步驟： 1. 濾波。邊緣檢測主要基于導數計算，但受噪聲影響。但濾波器在降低噪聲的同時也導致邊緣強度的損失。 2. 增強。增強算法將領域中灰度有顯著變化的點突出顯示。一般通過計算梯度幅值完成。 3. 檢測。但在有些圖像中梯度幅值較大的并不是邊緣點。 4. 定位。精確確定邊緣的位置。 圖像邊緣檢測基本算子與實現 邊緣檢 測的基本算法有很多，有梯度算子、方向算子、拉普拉斯算子和砍尼算子等等。幾種常用的邊緣檢測方法有屬于梯度算子的 Roberts 算子、 Sobel 算子、 Prewitt 算子、 GaussLaplace 算子等。 算子 Robert s 算子采用對角線方向相鄰兩像素之差近似梯度幅值檢測邊緣 , 是一種局部差分算子。檢測水平和垂直邊緣的效果好于斜向邊緣 , 定位精度高 , 但