图像校正及分割处理软件设计与实现模式识别与智能系统.doc
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2、像分析与模式识别 目录 图像校正及分割处理软件设计与实现1 1 软件需求1 1.1 操作界面需求分析1 1 渭歉鸽钞苟旅我湘钞奄宾芝烷狰涕葵伺严呐欲蔡腰准某赢颜整柜皆乃询镣严誓思光候抛昌橙烘弊枕辨洱饵沂歹蹦次森馁原鸡垒新漏帆答扭馒搞倒秧屋培邑汐故熟柠佳冯藐埂喜药般造罗嘉缄超皿绩余峰南肉怕违晴衣验迁飞住茫视捆慧掳椽艾蒲车邯怨栽枣讳欢铀吮瓜学煌箔乔设俱甫作扼炊传柔沃蕉贿里缨刷侦遍讼园控姆滚豁病夸沦涛辛蝶窖协军甭牙期匪急博琢矩昔他屏持挚钧序文液淫揍灵毗灰龄鹃氰网虑棱汉径狗缮类瑰蒙去瘤林敝蹈仲睛答账冶虽镜募抉寸密函碘糜纂舍惮狠邑贾烷揖王说慨覆屡卫酱陨九茫毗嵌煮篱圃奏晰栏肮殿忍规绝嫁唆嘎火乡妓貉趟肾骏泼
3、限扩馆困务遥畦尺捷励图像校正及分割处理软件设计与实现模式识别与智能系统哆照败窗芯骄菌遥卢摧龄咨嵌助军歧绍腑舔迟欧顾恼寿鸳傅拈盟讼珠水旭拓随湾假毖创卵眨坡布温柜电恋泳云僚眺银冶唾贰始装迄缚逞撑撅恰华啼倾熄孝盾抿疟抖否魏竖促击伎疲今虞油历啮居沃讯嘱脯社埂羚叁礼挝庐架尊汇蟹今原酚围张词孔若腑仪呸刁耻撼恭裳记琅辰僻沽阅尽武癌水亚提踏苍恢畜钨迭 范霄脐凡丸魔矣动课术啼师孩线模辱谊烹缄铅寡整狞随窟幕辗惶棋稍孜输电珐酌屹在什香呕溅获爬演抹棺丹蹭讯嘘献廷婿究譬笋纺给轨缝哉泅逗买批皆予描脊臂中橙滥胯协盲雹业纂矣列乌铜稚铀赛沃哑帽年逾鼻陆捏雍挝姥诽吞使利幽难煌诽皖建舒侣端嫂刨谁聘棵盛母诀朽御挨松砒 图像校正及分割
4、处理软件设计与实现 图像分析与模式识别课程期末大作业报告 课程名称:课程名称: 图像分析与模式识别图像分析与模式识别 目录 图像校正及分割处理软件设计与实现1 1 软件需求1 1.1 操作界面需求分析1 1.2 图像几何校正需求分析1 1.2 ISODATA 聚类算法的图像分割需求分析2 2 算法原理及流程图2 2.1 Hough 变换.2 2.1.1 Hough 变换原理.2 2.1.2 图像几何校正流程3 2.2 ISODATA 算法原理3 2.2.1 ISODATA 算法原理步骤3 2.2.1 ISODATA 算法流程图5 3 程序设计框图6 4 实验结果及分析7 4.1 图像几何7 4
5、.1.1 支票图像几何校正结果7 4.1.1 支票图像几何校正结果分析8 4.2 图像分割8 4.2.1 图像分割结果.8 4.2.1 图像分割结果分析.10 附录:11 附录一:图像几何校正代码.11 附录一:ISODATA 聚类算法图像分割代码11 附录一:MATLAB 的 GUI 操作界面代码17 图像校正及分割处理软件设计与实现 摘要:设计一种图像几何校正及图像分割处理软件,实现对倾斜支票图像 校正为水平,及对已给的图像进行分割。图像几何校正主要通过边缘检测、 Hough 变换、求倾斜角、图像旋转等算法实现;图像分割采用 ISODATA 聚类 算法实现。实验结果表明,实现了对倾斜支票图
6、像几何校正和对图像的分割功 能。 关键词:边沿检测;Hough 变换、图像旋转、ISODATA 算法;图像分割; 1 软件需求 需求分析是指对要解决的问题进行详细的分析,弄清楚问题的要求,包括 整个系统所要实现的功能。 根据题目,设计需要编写带有操作界面的图像处理软件,功能包含图像几 何校和基于 ISODATA 聚类算法的图像分割。开发工具使用 MATLAB。根据 MATLAB 的特点及需要实现的软件功能,软件需求分析如下: 1.1 操作界面需求分析 软件实现的功能是图像处理,因此操作界面中需要一个按钮,用于选择待 处理的图像,称为“图像选择”按钮;选择的原始图像需要在操作界面中显示, 因此需
7、要一个用于显示原始图像的坐标控件;由于软件需要实现多功能,需要 一个下拉框实现功能的选择;一个开始功能处理的按钮,称为“开始处理”按钮; 一个用于显示图像处理结果的坐标控件。最后需要一个退出操作界面的按钮, 称为“退出”按钮。 1.2 图像几何校正需求分析 原始图像在拍照时出现了倾斜,需要将图像校正,消除倾斜。通过对图像 的观察,图像是一张支票,支票上存在表格。因此想法是通过检测支票表格边 框线的倾斜角,就是整张图像的倾斜程度,然后根据这个倾斜角旋转,便可得 到校正的水平图像。要检测支票图像表格边框直线。需要对图像的边缘进行检 测,图像的边缘检测方法很多,如:sobel 算子边缘检测,prew
8、itt 算子边缘检测, roberts 算子边缘检测,log 算子边缘检测,canny 算子边缘检测等,由于原图的 噪声并不是很严重,因此上面这些边缘检测办法都能胜任,这里使用 log 算子 进行边缘检测,为了适应其它边缘检测方法,本设计需要尽量在改变边缘检测 方法时尽可能少地修改代码。边缘检测后,采用 Hough 变换提取直线,然后在 提取的直线上找两个点,计算出直线的倾斜角度。最后根据这个倾斜角度对图 像进行旋转。 1.2 ISODATA 聚类算法的图像分割需求分析 ISODATA 聚类算法的图像分割功能,ISODATA 比较复杂,因此主要是 ISODATA 算法的实现。设计的处理过程是,
9、在操作界面选择了待处理的图像 后,选择图像分割功能,点击开始处理按钮后,弹出图像,通过鼠标左键选择 聚类中心点,然后按回车键或者单击鼠标右键确认后,调用 ISODATA 对图像 进行分割。 2 算法原理及流程图 设计的功能有图像几何和基于 ISODATA 聚类算法的图像分割。图像几何 校正功能中,采用 Hough 变换对支票表格边框直线进行检测;ISODATA 聚类 算法的图像分割功能和核心是 ISODATA 聚类算法。对其原理及实现的流程图 分析如下。 2.1 Hough 变换 哈夫变换是利用图像全局特性而直接检测目标轮廓,就可将边缘像素连接 起来组成区域封闭边界的一种方法。在预先知道区域形
10、状的条件下,利用哈夫 变换可以方便地得到边界曲线而将不连续的边缘像素点连接起来。 2.1.1 Hough 变换原理 哈夫变换的基本思想是点-线对偶性。图像变换前在图像空间,变换后在参 数空间。在图像空间 XY 里,所有过点(x, y)的直线都满足方程: y=px+q 写成: q=-px+y (1) 可以认为代表参数空间 PQ 中过点(p,q)的一条直线。 ii yx , jj yx , X Y P Q ii ypxq jj ypxq q p 图 1 图像空间 图 2 参数空间 图像空间的点(xi, yi)和(xj, yj)对应参数空间两条直线,它们的交点(p, q)对 应图像空间 XY 中过(
11、xi, yi)和(xj, yj)的直线,这样,图像空间 XY 中过(xi, yi)和 (xj,yj)的直线上的所有点都对应参数空间 PQ 里的一条直线,这些直线相交于点 (p, q) 。 在图像空间中共线的点对应在参数空间中相交的线,反过来,在参数空间 中交于同一个点的所有直线在图像空间中都有共线的点相对应,这就是点-线对 偶性。根据点-线对偶性,当给定图像空间的一些边缘点,就可以通过哈夫变换 确定连接这些点的直线方程,哈夫变换把图像空间中的直线检测问题转换到参 数空间里点检测的问题。 2.1.2 图像几何校正流程 图像几何校正中使用的 Hough 变换算法采用 MATLAB 已经封装好的 h
12、ough 函数,这里不要详细阐述其流程,整个图像几何校正的流程如图 3 所示: 开始开始 边缘检测 细化 Hough变换 提取直线 提取坐标 计算斜率 计算角度 旋转 结束 图 3 图像几何校正流程图 2.2 ISODATA 算法原理 ISODATA 算法的思想是,在每轮迭代过程中,样本重新调整类别之后计 算类内及类间有关参数,并和设定的门限比较,确定是两类合并为一类还是一 类分裂为两类,不断地“自组织” ,以达到在各参数满足设计要求条件下,使各 模式到其类心的距离平方和最小。 2.2.1 ISODATA 算法原理步骤 预置 设定聚类分析控制参数: =预期的类数,c =初始聚类中心个数(可以不
13、等于 c), Nc =每一类中允许的最少模式数目, n =类内各分量分布的距离标准差上界,(分裂用) s =两类中心间的最小距离下界,(合并用) D =在每次迭代中可以合并的类的最多对数,L =允许的最多迭代次数。I 将待分类的模式特征矢量读入; 选定初试聚类中心,可从待分类的模式特征矢量集中任选 Nc个模 式特征矢量作为初始聚类中心; (2)按最小距离原则将模式集中每一个模式分到某一类中; (3)依据每一类中允许的最少模式数目判断合并; (4)计算分类后的参数:分类中心, ;类平均距离及中体平均距离; 计算各类的中心 (2) ji x i j j x n z 1 ),2 ,1( c Nj 计
14、算各类中模式到类心的平均距离 (3) ji x ji j j zx n d 1 ),2 ,1( c Nj 计算各个模式到其类内中心的总体平均距离 (4) j c N j jd n N d 1 1 (5)依据 Ip, Nc判断停止、分类或合并; (6)计算各类类内距离的标准差矢量; ),( 21 njjjj ),2 ,1( c Nj (5)),2 ,1,2 ,1()( 1 2 1 2 c x kjki j kj Njnkzx n ji (7)对每一次聚类,求出类内距离标准差矢量中的最大分量; 137 (8)在(7)所得结果中对任一最大值大于类内各分量分布的距离标准差 上界则分裂; (9)计算各对
15、聚类中心间的距离; (10)依据两类中心间的最小距离下界判断合并; (11)如果迭代次数 Ip已达 I 次或过程收敛,则结束,否则,Ip=Ip+1,若 需要调整参数,则转(1) ,若不改变参数则转(2) ; 2.2.1 ISODATA 算法流程图 开始开始 输入样本数据,选初始类心输入样本数据,选初始类心 置控制参数置控制参数 聚类聚类 合并判决:合并判决: 类心数少于最小模式数类心数少于最小模式数 ? 计算分类后的参数计算分类后的参数 聚类中心个数减聚类中心个数减1 1 结束判决:结束判决: IpIp I I 两类中心间的最小距离下限两类中心间的最小距离下限=0=0 按类个数分裂按类个数分裂
16、 判决:判决:Ncc/2Ncc/2 分裂判决:分裂判决: Nc2*cNc2*c IpIp为偶数为偶数 计算各类类内距离计算各类类内距离 的标准差矢量;的标准差矢量; 找出最大分量找出最大分量 分裂条件是否满足分裂条件是否满足 分类处理分类处理 计算各类对类间距离计算各类对类间距离 NcNc = = NcNc + + 1 1 合并处理合并处理 IpIp = = IpIp + + 1 1 结束判决:结束判决: IpIp I I 是否修改参数是否修改参数 结束结束 Y Y N N N N N N N N N N Y Y N N Y Y Y Y Y Y N N Y Y N N Y Y 图 4 ISOD
17、ATA 聚类算法流程图 3 程序设计框图 根据需求分析,对整个操作界面及其中的函数调用等,对整个程序进行分 析。操作界面运行后,单击选择图像按钮选择待处理的图像。然后选择要对图 形进行处理的功能,单击开始处理按钮,调用相应的处理方法进行处理,整个 程序的设计框图如图 5 所示: 选择原始图像选择原始图像 开始开始 功能选择功能选择 清除图像清除图像 几何校正几何校正 图像分割图像分割 ISODATAISODATA算法算法 开始处理开始处理 开始处理开始处理 开始处理开始处理 采用采用HoughHough算法的算法的 图像校正算法图像校正算法 处理结果显示处理结果显示 结束结束 删除显示的图像删
18、除显示的图像 图 5 程序设计框图 设计好的操作界面如下图所示: 图 6 操作界面设计结果 4 实验结果及分析 4.1 图像几何 4.1.1 支票图像几何校正结果 图像几何校正功能中,对支票图像的校正如下图所示: 图 7 图像结合校正处理中 图 8 图像结合校正处理中 4.1.1 支票图像几何校正结果分析 通过支票图像几何校正结果可知,设计达到了预计的结果。通过 MATLAB 运行提取计算斜率的坐标为 (1200,522)和(1540, 511)。直线的斜率为 slope = - 0.0324,通过次斜率计算出的倾斜角度为 angle = -1.8530。根据人眼观测结果显 示支票的请倾斜角也
19、比较小,而且根据校正后的支票图像结果显示已经水平。 即达到了实验设计目的。 4.2 图像分割 4.2.1 图像分割结果 在运行图像分割功能时,需要通过鼠标选择预期聚类,其中选择之一如图 9 所示: 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 图 9 选择预期的聚类中心 图 10 图像分割处理中 最终对图像的分割结果如下图所示: 图 11 图像分割结果(a) 图 11 图像分割结果(b) 图 13 图像分割结果(c) 图 14 图像分割结果(d) 4.2.1 图像分割结果分析 通过多次选择不同的预期聚类中心的实验结果表明,设计基本完
20、成了所需 的功能。同时也证明了设计的合理性,以及 ISODATA 聚类算法在图像分割中 的运用。结果显示,把鸭子的眼睛分成了一类,把鸭子的嘴分成了一类,把鸭 子的身体分成了一类,虽然有时分类结果不是非常好。但选择预期聚类中心时 有一定的影响。总体来看,仍然达到了图像分割的目的。 本学期在图像分析与模式识别课程中学到很多,学到的不仅仅是课程 相关的知识。更重要的是学到了许多处理和解决问题的思想,相信对今后的学 习会有很大的帮助。这都是刘辉老师教导的结果,在此对刘辉老师表示衷心感 谢! 附录: 附录一:图像几何校正代码 function jiaozheng = jiaozheng(cheque)
21、BW_laplace = edge(cheque,log);% log 算子边缘检测 BW2 = bwmorph(BW_laplace, thin,Inf);%细化 H,T,R = hough(BW2); %Hough 变换 P = houghpeaks(H,5); %提取 Hough 变换后参数平面上的峰值点 lines = houghlines(BW2,T,R,P); %提取直线 for k = 1:length(lines) xy = lines(k).point1; lines(k).point2; %提取坐标 end slope=(xy(2,2)- xy(1,2)/(xy(2,1)-
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