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1、基于Linux下的C语言的数字图像处理摘要：嵌入式图像处理系统的完成将为图像处理开辟新的实现途径，并且为嵌入式系统的应用打开一片新的领域。基于嵌入式平台的图像处理系统是未来图像处理系统的发展趋势，研究如何将嵌入式平台和图像处理结合起来，对于进一步拓展图像处理应用领域具有非常深远的意义。本文分别介绍本系统软硬件整体设计及嵌入式图像处理系统开发环境的建立。数字图象处理是一门关于如何用计算机对图象进行处理的学科，本课程主要讲解基本原理和方法，针对计算机系的学生，强调编程实践和建立图象处理应用系统的方法。本文设计了一个基于Linux下的C语言的数字图像处理系统， 以BMP文件的读写为切入点，相继介绍了
2、图像处理领域的大部分算法：图像几何变换、正交变换、图像增强、边缘检测，并详细论述了各个算法的实现过程，对主要算法的实际应用效果进行了分析。实验结果表明系统能够满足图像处理的基本要求，而且还可以针对不同的处理目的，灵活地对图像处理算法进行改进，从而选择出最优处理算法，达到期望的处理效果。为了方便用户观察处理结果，更好的理解算法，本文设计了一个友好的图形用户界面，此界面操作简单，使用方便，为数字图像处理处理算法的研究人员提供了一个很好的图像处理平台。关键词：数字图像处理，嵌入式Linux，C语言，bmp一、 前言数字图像处理系统是执行处理图像、分析理解图像信息任务的计算机系统。尽管图像处理技术应用
3、广泛，图像处理系统种类很多，但他们的基本组成是相近的。嵌入式数字图像处理系统主要包括：图像输入设备、执行处理分析与控制的微处理器、输出设备、存储系统中的图像数据库、图像处理程序库。嵌入式系统图像处理技术研究现状：目前国内外嵌入式图像处理系统正在成为微型计算机开发的热门研究课题。结合嵌入式系统的高端图像处理性能，手机、数码、mp4等产品的嵌入式处理器已在上述市场中占有比较大的份额，而且嵌入式系统已成功应用于医疗设备、机器人控制中的图像领域，现代战争中利用图像进行的精确制导、无人飞机的电视导航等。美国“索杰纳”火星车作为技术高密集的移动机器人，采用的是美国WindRiver公司的Vxworks嵌入
4、式操作系统。火星车上负责采集、处理传输图像的控制器采用16位以上的处理器，各种MCU如ARM、MIPS、68K系列的处理器在控制器中占据核心地位。近年来，结合嵌入式系统、DSP和实时图像处理等领域的最新发展，嵌入式实时图像处理系统采用基于DSP+FPGA+ARM的硬件系统架构设计，将高速的DSP与在通讯、网络和实时控制方面具有独特优势的StrongARM处理器以及接口逻辑丰富、并行运算能力强大的FPGA结合起来，为嵌入式实时环境下一些复杂算法的实现开辟了新的途径。但该系统在软件实现中的一些关键问题，特别是DSP代码的开发与优化等内容还不成熟和完善。在软件方面，大多数嵌入式操作系统一般采用微内核
5、结构，内核只提供基本的功能，例如任务调度、任务之间的通信与同步、内存管理、时钟管理等，其它的应用组件，比如网络功能、GUI系统等均工作在用户态，以系统进程或系统调用的方式工作。因而整个系统都是可裁减的，用户可以根据特定应用要求选用相应的组件。嵌入式操作系统主要有Vxworks、QNX、PalmOS、Windows CE、Linux等。二、 实验平台2.1、Linux实验平台所处的操作系统为Linux操作系统，为了安装方便，本实验过程采用虚拟景的方式来安装Linux系统，安装完成的截面如图（2-1所示）：2-1.Linux操作系统登录界面2.2、实验其他软件平台由于Linux操作系统是安装在虚拟
6、机下，而程序的编写实在Windows界面下进行的，因此要使用一种Linux和Windows操作系统的交互工具，在本实验中使用Secure File Transfer Client软件如图（2-2所示）：2-2.SSH软件三、 实验图像原理3.1平移如图3-1所示，初始坐标为(x0,y0)的点经过平移(tx,ty)(以向右，向下为正方向)后，坐标变为(x1,y1)。这两点之间的关系是x1= x0 + tx ，y1= y0 + ty 。3-1.平移以矩阵的形式表示为：但对我们来说，更关心的是它的逆变换：3.2旋转旋转后图象变大了，首先给出变换矩阵。在我们熟悉的坐标系中，将一个点顺时针旋转a角后的坐
7、标变换公式，如图3-2所示，r为该点到原点的距离，在旋转过程中，r保持不变；b为r与x轴之间的夹角。3-2.旋转示意图旋转前：x0=rcosb；y0=rsinb旋转a角度后：x1=rcos(b-a)=rcosbcosa+rsinbsina=x0cosa+y0sina；y1=rsin(b-a)=rsinbcosa-rcosbsina=-x0sina+y0cosa；上面的公式中，坐标系xoy是以图象的中心为原点，向右为x轴正方向，向上为y轴正方向。它和以图象左上角点为原点o，向右为x轴正方向，向下为y轴正方向的坐标系xoy之间的转换关系如何呢？如图3-3所示。3-3.两种坐标系间的转换关系设图象的
8、宽为w，高为h，容易得到：其逆变换为：3.3镜像镜象(Mirror)分水平镜象和垂直镜象两种。图像的水平镜象是将图像左半部分和右半部分以图像垂直中轴线为中心镜像进行对换。图像的垂直镜象是将图像上半部分和下半部分以图像水平中轴线为中心镜像进行对换。镜象的变换矩阵很简单。设原图宽为w，高为h，镜像变换后，图的宽和高不变。水平镜象的变化矩阵为：3.4转置转置(Transpose)是指将x，y坐标对换要注意的是，转置和旋转90度是有区别的。无论怎样旋转，注意，转置后图像的宽和高对换了。同样由矩阵乘法运算可得，x0=y1,y0=x1。置的变换矩阵：3.5缩放假设放大因子为ratio，(为了避免新图过大或
9、过小，在程序中限制0.25ratio4)。图像高度变为: Hnew=Hold*ratio图像宽度变为: Wnew=Wold*ratio则:x1 = x0*ratio，y1 = y0*ratio缩放(Zoom)的变换矩阵为：3.6平滑在灰度连续变化的图象中，如果出现了与相邻象素的灰度相差很大的点，比如说一片暗区中突然出现了一个亮点，人眼能很容易觉察到。就象看老电影时，由于胶片太旧，屏幕上经常会出现一些亮斑。这种情况被认为是一种噪声。灰度突变在频域中代表了一种高频分量，低通滤波器的作用就是滤掉高频分量，从而达到减少图象噪声的目的。 中值滤波，是指把以某点(x,y)为中心的小窗口内的所有象素的灰度按
10、从大到小的顺序排列，将中间值作为(x,y)处的灰度值(若窗口中有偶数个象素，则取两个中间值的平均)。 原图 处理后的图 3.7锐化锐化(Sharpening)和平滑恰恰相反，它是通过增强高频分量来减少图象中的模糊，因此又称为高通滤波(high pass filter)。锐化处理在增强图象边缘的同时增加了图象的噪声。常用的锐化模板是拉普拉斯(Laplacian)模板拉普拉斯(Laplacian)模板3.8腐蚀把结构元素B平移a后得到Ba，若Ba包含于X，我们记下这个a点，所有满足上述条件的a点组成的集合称做X被B腐蚀(Erosion)的结果。用公式表示为：如图所示, X是被处理的对象，B是结构元
11、素。不难知道，对于任意一个在阴影部分的点a，Ba (就是B平移a得到的部分)包含于X，所以X被B腐蚀的结果就是那个阴影部分。 3.9膨胀膨胀(dilation)可以看做是腐蚀的对偶运算，其定义是：把结构元素B平移a后得到Ba，若Ba击中X，我们记下这个a点。所有满足上述条件的a点组成的集合称做X被B膨胀的结果。用公式表示为：D(X)=a | BaX=X B，如图所示。图中X是被处理的对象，B是结构元素，不难知道，对于任意一个在阴影部分的点a，Ba击中X，所以X被B膨胀的结果就是那个阴影部分。阴影部分包括X的所有范围，就象X膨胀了一圈似的，这就是为什么叫膨胀的原因。同样，如果B不是对称的，X被B
12、膨胀的结果和X被 Bv膨胀的结果不同。让我们来看看实际上是怎样进行膨胀运算的。在图中，左边是被处理的图象X(二值图象，我们针对的是黑点)，中间是结构元素B。膨胀的方法是，拿B的中心点和X上的点及X周围的点一个一个地对，如果B上有一个点落在X的范围内，则该点就为黑；右边是膨胀后的结果。可以看出，它包括X的所有范围，就象X膨胀了一圈似的。 图 膨胀的示意图图 膨胀运算四、 实验操作4.1操作过程1打开虚拟机上的Linux操作系统并且登录，打开SSH软件链接Linux和Windows操作系统，现在Linux下执行（如图4-1）：4-1.IP查询在SSH软件上点击链接出现如图窗口，按图上的窗口进行正确
13、填写（如图4-2）后点击确定，并输入root的密码：4-2.配置密码窗口2.在Linux下创建文件夹，并把编辑好的程序和BMP图片通过SSH软件放在文件夹中，直接从Windows下移动到SSH界面中即可，移动后的结果（如图4-3所示）：4-3.移动后的情况3.在Linux下切换到程序所在目录并编辑程序，编辑结果（如图4-4所示）：4-4.编译结果4.2实验现象原图：平移（Translation）后 镜像（mirror）后旋转（Rotation）后 转置（transpose）后缩放（Zoom）后： 平滑（MedianFilter）后 锐化（TemplateOperation）后：原图：腐蚀膨胀五、 参考文献1 吕凤军.数字图像处理编程入门.清华大学出版社，1999.112 何斌.马天予.王运坚.朱红莲.Visual C+数字图像处理（第二版）.人民邮电出版社.2002.123 陈兵旗.孙明.Visual C+实用图像处理专业教程.清华大学出版社.2004.34章毓晋，图象工程 上册 图象处理和分析，清华大学出版社, 1999 5K. R. Castleman, (朱志刚、林学闫、石定机等译), 数字图象处理，电子工业出版社& Prentice Hall, 1998.