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一、選題背景

圖像，指的是客觀物體在人腦中的自然反映，它是信息傳遞的重要媒介，以紙張，照片，計(jì)算機(jī)屏幕等介質(zhì)呈現(xiàn)出來(lái)?，F(xiàn)實(shí)中，人類(lèi)大部分的信息都是通過(guò)人眼觀察的方式取得。五種感官方式中視覺(jué)是主要的獲取方式。然而，由于光照，噪聲，介質(zhì)形狀等多方面因素的影響，在圖像的生成和傳輸過(guò)程中，圖像會(huì)發(fā)生質(zhì)量降低的情況，如對(duì)比度偏低，圖像明暗不均，幾何形變等。因此，需要進(jìn)行圖像處理，以取得符合人們應(yīng)用需求的圖像。數(shù)字圖像處理，指的是以數(shù)學(xué)運(yùn)算為方式，對(duì)圖像作出的各種加工過(guò)程，目的是得到對(duì)用戶適用的效果⑴。這些過(guò)程包括降噪、配準(zhǔn)、增強(qiáng)、壓縮等，它們與現(xiàn)實(shí)中的生產(chǎn)過(guò)程是緊密結(jié)合的。數(shù)字圖像處理，起始于1950年代，至1960年代時(shí)從計(jì)算機(jī)學(xué)中分離出來(lái)，形成獨(dú)立發(fā)展的學(xué)問(wèn)。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的擴(kuò)充，現(xiàn)在圖像處理的技術(shù)基礎(chǔ)己經(jīng)很穩(wěn)固，在許多社會(huì)領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。

如氣象部門(mén)通過(guò)對(duì)遙感圖像的處理，得到更加有效的天氣云圖，提高了預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性；林業(yè)部門(mén)通過(guò)對(duì)航拍圖像的分析，評(píng)估森林發(fā)生火災(zāi)險(xiǎn)情的可能性；航天部門(mén)需要對(duì)飛行器傳回的圖像進(jìn)行處理才能得到更多更清晰的細(xì)節(jié)；醫(yī)療部門(mén)的CT診斷技術(shù)采用圖像重建技術(shù)，獲得人體各部位的重建圖像，而對(duì)X射線圖像的處理能突出病變區(qū)域的顯示效果，讓醫(yī)生得以準(zhǔn)確地判斷病變區(qū)域；在安檢領(lǐng)域，對(duì)阿爾法射線照射圖像的處理，使得包裹內(nèi)物品的形狀和層次更加清晰，利于判斷物品類(lèi)型?，F(xiàn)在，數(shù)字圖像處理技術(shù)和流行的技術(shù)相結(jié)合（如生物技術(shù)、人工智能、智能終端等），以后將有更好的發(fā)展。數(shù)字圖像處理按照方式和目標(biāo)的不同大致分為以下幾類(lèi)：一是提高圖像的視覺(jué)效果，如增加對(duì)比度，色彩變換，幾何變換等，本文主要討論的圖像增強(qiáng)就屬于這一方面；二是獲取圖像的特征信息，以滿足匹配的需要，如獲取邊緣信息，顏色特征，紋理特征等；三是圖像的壓縮編碼方面，這是為了減小圖像的大小同時(shí)一定程度上保證圖像質(zhì)量，使得傳送更為容易。從具體方法來(lái)看，數(shù)字圖像處理常用方法有圖像變換，圖像分割，圖像配準(zhǔn)，圖像增強(qiáng)，圖像特征提取等。圖像增強(qiáng)，指的是在一定的處理背景下（如整體偏暗，對(duì)比度不足等），提升圖像上用戶感興趣的部分，同時(shí)抑制甚至去除不感興趣的部分，提升圖像區(qū)域之間的差異，以突出某些部分的特征的過(guò)程。它的目的是提高圖像中有用信息的顯示效果，使圖像更利于機(jī)器識(shí)別和視覺(jué)觀察，達(dá)到特定的分析目標(biāo)。

圖像增強(qiáng)是整個(gè)處理過(guò)程中非常關(guān)鍵的'一環(huán)，在這個(gè)步驟序列中起著承上啟下的作用。很多情況下，設(shè)備采集到的圖像不能直接滿足特定的分析需求，需要采用一些圖像增強(qiáng)方法對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，處理后的圖像再交給業(yè)務(wù)處理部分。例如，醫(yī)療中X射線照射生成的圖像可能因?yàn)閷?duì)比度不足而難以識(shí)別，可以先進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，再用其他算法標(biāo)注可能的病灶區(qū)域，可以提高診斷準(zhǔn)確性。圖像增強(qiáng)的主要目的在于兩點(diǎn)：一是提升視覺(jué)效果，使圖像更清晰，人眼觀察時(shí)更容易獲取需要關(guān)注的區(qū)域；二是使圖像的呈現(xiàn)形式更容易被機(jī)器處理，通過(guò)機(jī)器解析出人們想要的信息。例如，軍事偵查衛(wèi)星得到的遙感圖像可能經(jīng)過(guò)了偽裝處理，其中的重要建筑，車(chē)輛等混為一體，不易分清，進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理可以突出諸如機(jī)場(chǎng)、橋梁、車(chē)輛等元素，再對(duì)不同時(shí)段的遙感圖像對(duì)比處理，能夠更正確完整地觀察對(duì)方部署的變動(dòng)情況。圖像增強(qiáng)在技術(shù)的選取上并不是一勞永逸的，不同的方法有不同的使用情況。

二、研究目的和意義

本文將闡述圖像增強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和一些典型的算法，并提出自己的改進(jìn)后的方法。本文所做研宄的項(xiàng)目來(lái)源為十一五國(guó)家科技支撐平臺(tái)重點(diǎn)項(xiàng)目課題：便攜智能閱讀器和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61371142）：基于逆向工程的扭曲文檔圖像校正技術(shù)研宄。前一個(gè)項(xiàng)目的產(chǎn)品智能閱讀器是本課題的研宄平臺(tái)，該產(chǎn)品是一款基于文字識(shí)別的有聲電子閱讀產(chǎn)品，主要通過(guò)拍照方式獲取印刷文字信息，經(jīng)OCR識(shí)別后轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音后輸出。是為盲人及弱視等人群閱讀普通書(shū)籍所準(zhǔn)備的視聽(tīng)轉(zhuǎn)換工具。借助該產(chǎn)品，盲人可閱讀紙質(zhì)書(shū)籍雜志、菜單、說(shuō)明書(shū)等。

圖像增強(qiáng)是閱讀器處理過(guò)程中的重要步驟，包括了灰度增強(qiáng)和位置增強(qiáng)，目的是提高圖像的人眼視覺(jué)效果和機(jī)器處理精確度。后一個(gè)項(xiàng)目是前一個(gè)的延伸，這個(gè)項(xiàng)目通過(guò)基于模型的、基于連通域的或基于3D的等各種方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)扭曲文本的校正工作，以達(dá)到位置增強(qiáng)的目的。本課題從基于模型的思路出發(fā)，提出了一種新的拋物線數(shù)學(xué)模型，對(duì)文本線進(jìn)行遍歷，得到一系列文字的位置點(diǎn)，用位置點(diǎn)的坐標(biāo)結(jié)合模型擬合出文本線，根據(jù)文本線與水平線之間的差距進(jìn)行精確恢復(fù)，以得到水平分布的文本行。

三、本文研究涉及的主要理論

圖像處理經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在在技術(shù)基礎(chǔ)上己經(jīng)比較完備。圖像增強(qiáng)作為其中的重要部分，也在技術(shù)的更新?lián)Q代中不斷地推陳出新，產(chǎn)生新的方法。圖像增強(qiáng)方法于二十世紀(jì)六十年代為起步時(shí)期，它在美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室獲得第一次實(shí)用化。實(shí)驗(yàn)室人員對(duì)航天飛行器傳回的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列的增強(qiáng)處理，如灰度變換，幾何變換等，獲得了質(zhì)量?jī)?yōu)良的月球表面圖像，圖像增強(qiáng)技術(shù)展示出了強(qiáng)大的應(yīng)用潛力＂]。此后，該技術(shù)又多次用于火星，土星等探測(cè)圖像的優(yōu)化工作，贏得了巨大的技術(shù)成功。七八十年代，圖像增強(qiáng)技術(shù)與其它領(lǐng)域結(jié)合，步入了快速發(fā)展時(shí)期。例如，這一時(shí)期，圖像增強(qiáng)技術(shù)用于指紋識(shí)別領(lǐng)域，通過(guò)提升指紋的生成效果和提取質(zhì)量，使指紋識(shí)別的準(zhǔn)確率得以保障，指紋識(shí)別因此成為實(shí)用化的技術(shù)。圖像增強(qiáng)也應(yīng)用于了醫(yī)療領(lǐng)域，一方面用在顯微鏡光學(xué)成像，對(duì)生成的影像進(jìn)行了大幅度的視覺(jué)優(yōu)化處理，可以對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，細(xì)菌形狀，染色體形狀等進(jìn)行更細(xì)致的分析；另一方面，是用在X射線所產(chǎn)生圖像的處理上，同樣對(duì)影像效果有了大幅度的提升1990年代以后，圖像增強(qiáng)步入普及民用化時(shí)期。由于硬件技術(shù)的發(fā)展，電腦的處理速度快速增長(zhǎng)，制造成本卻大致遵循著摩爾定律不斷下降。

圖像增強(qiáng)技術(shù)普遍應(yīng)用于生產(chǎn)的各個(gè)方面，針對(duì)于各行各業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的增強(qiáng)方法大大增加了。二十一世紀(jì)以后，圖像增強(qiáng)研宄的發(fā)展又有新的特點(diǎn)，其中包括大數(shù)據(jù)量，實(shí)時(shí)性，與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，用戶定制需求，與人工智能結(jié)合，與智能終端結(jié)合等。圖像增強(qiáng)的方法按照是否經(jīng)過(guò)變換可分為：空域增強(qiáng)和變換域增強(qiáng)。空域增強(qiáng)是以圖像各點(diǎn)的像素值為一般處理對(duì)象，通過(guò)對(duì)像素值的單獨(dú)的或鄰域的公式運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)提升顯示效果的目的，例如灰度變換就是按照公式對(duì)像素值進(jìn)行一一替換，直方圖均衡則按照均衡分布的準(zhǔn)則重新安排像素值；變換域增強(qiáng)則不是操作像素值本身，而是令其轉(zhuǎn)換到某一變換域后，根據(jù)其在變換域中的分布特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的操作，如傅立葉變換是轉(zhuǎn)換到頻率域上，小波變換是轉(zhuǎn)換到小波域上。轉(zhuǎn)換后的處理方式有同態(tài)濾波，帶阻濾波等還有其他一些較獨(dú)立的方法。如數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，它是一種用來(lái)解析幾何形狀的方法，被應(yīng)用于圖像處理中。它包括一些特定的結(jié)構(gòu)元素，通過(guò)這些結(jié)構(gòu)元素對(duì)圖像進(jìn)行操作，可以提取圖像中的對(duì)應(yīng)形狀。這樣將形狀和背景分離開(kāi)，分別加以強(qiáng)調(diào)和抑制處理，可以達(dá)到圖像的增強(qiáng)效果。

另外，圖像增強(qiáng)與其他領(lǐng)域的方法相結(jié)合，出現(xiàn)了很多新的處理方法，如與模擬神經(jīng)信號(hào)傳遞的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合的新方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到一種非線性增強(qiáng)方式，對(duì)圖像進(jìn)行直接增強(qiáng)前面提到過(guò)，本文提出的方法是以智能閱讀器的產(chǎn)品為基礎(chǔ)的，產(chǎn)品組成如圖。這款產(chǎn)品包括了一個(gè)圖像采集器和一款配套的軟件，采集器通過(guò)USB線連接到電腦上，采集到的圖像經(jīng)過(guò)軟件的識(shí)別，生成電子文檔，再轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)播放出來(lái)，這樣實(shí)現(xiàn)文本圖像的可讀化。該機(jī)的便攜版是將軟件燒錄到閱讀器內(nèi)的單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的處理過(guò)程，便攜式閱讀器通過(guò)電供電，省去了與電腦連接的過(guò)程。這款軟件的處理過(guò)程大致包括這幾個(gè)步驟：一是圖像采集；二是圖像預(yù)處理；三是文字識(shí)別；四是語(yǔ)音合成。圖像增強(qiáng)是預(yù)處理步驟屮的一個(gè)組成部分，一般來(lái)說(shuō)，排在前面的步驟會(huì)影響后續(xù)處理的結(jié)果，這樣圖像增強(qiáng)對(duì)后面的二值化、版面分析都會(huì)有顯著影響，所以探究效果更好的增強(qiáng)算法是很有必要的。這種增強(qiáng)的效果既可以體現(xiàn)在圖像亮度的針對(duì)性提升或削弱，也可以是體現(xiàn)在圖像各點(diǎn)位置的調(diào)整和校正上，目的都是利于后續(xù)的分析步驟。

四、本文研究的主要內(nèi)容

灰度變換，直方圖均衡，中值濾波等方法是圖像增強(qiáng)中的典型方法，本文將在概念介紹后首先講解這些方法。基于小波變換的增強(qiáng)是本文著重探討的地方，包括了理論和具體方法。另外一部分就是作為視覺(jué)增強(qiáng)的幾何扭曲校正方法。本文以BMP格式圖片為基本圖片處理格式，對(duì)多種方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種方法處理對(duì)比度不理想的圖像時(shí)，有良好的增強(qiáng)結(jié)果。全文共分五章，具體安排如下：

第一章緒論，介紹了圖像增強(qiáng)研究的出發(fā)點(diǎn)和本文的內(nèi)容安排。

第二章闡述圖像增強(qiáng)現(xiàn)在的發(fā)展?fàn)顩r，先是概要地闡述若干經(jīng)典的方法，如灰度變換，直方圖均衡等，然后介紹了現(xiàn)在己有的小波閾值化處理方法，在介紹這些方法的時(shí)候會(huì)注重?cái)?shù)學(xué)原理和實(shí)現(xiàn)方法的闡述。

第三章介紹了圖像增強(qiáng)的程序，包括程序?qū)崿F(xiàn)的功能和邏輯流程，然后介紹了程序的主要文件和功能函數(shù)，最后對(duì)部分核心代碼進(jìn)行了分析。

第四章闡述方法的過(guò)程。先是本文提出的基于自適應(yīng)閾值的小波增強(qiáng)方法，對(duì)閾值的選取進(jìn)行了細(xì)致的數(shù)學(xué)分析，然后介紹方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。另外，位置增強(qiáng)的方法，具體指針對(duì)文本文檔的幾何扭曲狀況，提出一種快速的校正方法，使得圖像平直排布，提升了視覺(jué)效果。

第五章是實(shí)驗(yàn)工作，對(duì)新提出的圖像增強(qiáng)方法進(jìn)行了仿真，得到了直觀的圖像對(duì)比和客觀的數(shù)據(jù)表格，并根據(jù)一些評(píng)判參量對(duì)方法進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

第六章總結(jié)，概括講述本文所作出的研宄工作，分析現(xiàn)有工作的成果和不足之處，為下一步的研究工作做鋪塾。

五、寫(xiě)作提綱

摘要3-4

Abstract4

第一章緒論7-10

1.1選題背景7-8

1.2本文的內(nèi)容安排8-10

第二章研究現(xiàn)狀10-21

2.1增強(qiáng)理論簡(jiǎn)介11-17

2.1.1灰度變換12-15

2.1.2直方圖均衡15-17

2.2小波變換增強(qiáng)的研究17-21

2.2.1閾值化的方法17-19

2.2.2與直方圖均衡結(jié)合19-21

第三章程序的基本架構(gòu)21-27

3.1程序簡(jiǎn)介21-24

3.1.1程序框架21-23

3.1.2程序流程23-24

3.2主要文件和功能函數(shù)24-25

3.3部分核心代碼25-27

第四章增強(qiáng)方法的具體實(shí)現(xiàn)27-41

4.1小波變換簡(jiǎn)介27-32

4.1.1連續(xù)小波變換27-28

4.1.2離散小波變換28-29

4.1.3多分辨分析與Mallat算法29-32

4.2基于自適應(yīng)閾值的增強(qiáng)32-35

4.2.1用于增強(qiáng)的閾值32-34

4.2.2用于降噪的閾值34-35

4.2.3方法流程35

4.3位置增強(qiáng)的扭曲校正方法35-41

4.3.1原理簡(jiǎn)析35-36

4.3.2拋物線模型36-38

4.3.3類(lèi)拋物線模型38-39

4.3.4方法實(shí)現(xiàn)39-41

第五章實(shí)驗(yàn)結(jié)果41-48

5.1基于自適應(yīng)閾值的增強(qiáng)41-46

5.2扭曲校正方法46-48

第六章總結(jié)48-49

6.1課題工作總結(jié)48

6.2展望48-49

參考文獻(xiàn)49-52

申請(qǐng)學(xué)位期間的研宄成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文52-53

致謝53

六、目前已經(jīng)閱讀的主要文獻(xiàn)

略