数据的采集与图像的增强.docx
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数据的采集与图像的增强
中北大学
课程设计说明书
学生姓名：
学号：
学院：
专业：
题目：
信息处理综合实践:
数据的采集与图像的增强
指导教师：
金永徐美芳职称:
副教授讲师
2015年6月22日
中北大学
课程设计任务书
14/15学年第二学期
学院：
专业：
学生姓名：
学号：
课程设计题目：
信息处理综合实践:
数据的采集与图像的增强
起迄日期：
2015年6月22日～2015年7月10日
课程设计地点：
信息商务学院专业实验室
指导教师：
金永徐美芳
系主任：
王浩全
下达任务书日期:
2013年6月22日
课程设计任务书
1．设计目的：
（1）掌握USB总线或PCI总线的基本结构，了解基于USB总线或PCI总线A/D卡的通用结构；
（2）掌握数据采集卡采集数据的过程和原理；
（3）了解MATLAB的信号处理技术；
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
（1）查阅相关资料，撰写关于基于USB总线或PCI总线A/D卡的报告；
（2）采用摄像机采集本组各个同学的头像；
（3）采用MATLAB读取采集的图像，分别在空域和频域内对图像进行平滑和锐化处理，得到增强图像；
（4）分析空域和频域增强算法之间的关系，保存增强后的图像。
（5）提高内容：
编写数学形态学的图像增强算法。
3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：
（1）要求设计组的每个成员都要了解设计的要求和思路；
（2）MATLAB数据处理部分要求有正确的运行结果及结果分析；
（3）总线部分和A/D采集卡部分要求每位同学有自己的理解；
（4）每位同学针对上述内容撰写设计说明书（每人1份）。
课程设计任务书
4．主要参考文献：
●要求按国标GB7714—87《文后参考文献著录规则》书写，例：
1章毓晋.图像处理.北京清华大学出版社,2012
2阮秋琦.数字图像处理学.北京:
电子工业出版社,2001
3杨帆等.数字图像处理与分析[M].北京北京航空航天大学出版社，2007[3]
4马平.数字图像处理和压缩[M].北京电子工业出版社，2007[4]
5闫敬文.数字图像处理[M].北京国防工业出版社，2007
（5篇以上）
5．设计成果形式及要求：
课程设计说明书
程序运行结果
6．工作计划及进度：
2013年
6月7日~6月15日：
查资料，了解基于USB总线或PCI总线A/D卡的通用结构以及A/D采集卡的应用；
6月15日~6月25日：
MATLAB实现图像的处理；
6月26日~6月27日：
撰写课程设计说明书；
6月28日：
答辩
系主任审查意见：
签字：
年月日
设计说明书应包括以下主要内容：
（1）封面
（2）设计任务书
（3）目录
（4）关于基于USB总线或PCI总线A/D卡的报告（包含本文对AD采集卡应用的掌握情况）（详细）
（5）数据处理部分的过程、程序、主要结果及分析；（详细）
（6）设计评述,设计者对本设计的评述及结论；
（7）参考文献
目 录
一、设计任务............................................................................5
（一）设计目的.......................................................................................5
（二）设计内容和要求.........................................................................5
（三）设计工作任务及工作量的要求.................................................5
二、基于PCI总线A/D卡的报告.........................................................5
（一）PCI总线的基本结构.....................................................................5
（二）基于PCI的A/D卡的工作原理...................................................7
（三）A/D转换过程.................................................................................8
（四）A/D卡信号采集在Matlab上实现编程.......................................11
三、图像的采集与处理分析................................................................12
（一）图像的采集...................................................................................12
（二）利用matlab实现图像的增强.......................................................13
（三）程序运行结果及分析.....................................................................15
四、 提高内容.......................................................................................18
五、 设计评述及设计体会....................................................................19
六、 参考文献........................................................................................20
一设计任务
（一）设计目的
（1）掌握USB总线或PCI总线的基本结构，了解基于USB总线或PCI总线A/D卡的通用结构；
（2）掌握数据采集卡采集数据的过程和原理；
（3）了解MATLAB的信号处理技术；
（二）设计内容及要求
（1）查阅相关资料，撰写关于基于USB总线或PCI总线A/D卡的报告；
（2）采用摄像机采集本组各个同学的头像；
（3）采用MATLAB读取采集的图像，分别在空域和频域内对图像进行平滑和锐化处理，得到增强图像；
（4）分析空域和频域增强算法之间的关系，保存增强后的图像。
（5）提高内容：
编写数学形态学的图像增强算法。
（三）设计工作任务及工作量的要求
（1）要求设计组的每个成员都要了解设计的要求和思路；
（2）MATLAB数据处理部分要求有正确的运行结果及结果分析；
（3）总线部分和A/D采集卡部分要求每位同学有自己的理解；
（4）每位同学针对上述内容撰写设计说明书（每人1份）。
二 基于PCI总线A/D卡的报告
（一）PCI总线的基本结构
1.PCI总线
PCI总线由HOST主桥或者PCI桥管理，用来连接各类设备，如声卡、网卡和IDE接口卡等。
在一个处理器系统中，可以通过PCI桥扩展PCI总线，并形成具有血缘关系的多级PCI总线，从而形成PCI总线树型结构。
在处理器系统中有几个HOST主桥，就有几颗这样的PCI总线树，而每一颗PCI总线树都与一个PCI总线域对应。
2.PCI设备
在PCI总线中有三类设备，PCI主设备、PCI从设备和桥设备。
其中PCI从设备只能被动地接收来自HOST主桥，或者其他PCI设备的读写请求；而PCI主设备可以通过总线仲裁获得PCI总线的使用权，主动地向其他PCI设备或者主存储器发起存储器读写请求。
而桥设备的主要作用是管理下游的PCI总线，并转发上下游总线之间的总线事务。
一个PCI设备可以即是主设备也是从设备，但是在同一个时刻，这个PCI设备或者为主设备或者为从设备。
PCI总线规范将PCI主从设备统称为PCIAgent设备。
在处理器系统中常见的PCI网卡、显卡、声卡等设备都属于PCIAgent设备。
在PCI总线中，HOST主桥是一个特殊的PCI设备，该设备可以获取PCI总线的控制权访问PCI设备，也可以被PCI设备访问。
但是HOST主桥并不是PCI设备。
PCI规范也没有规定如何设计HOST主桥。
在PCI总线中，还有一类特殊的设备，即桥设备。
桥设备包括PCI桥、PCI-to-（E）ISA桥和PCI-to-Cardbus桥。
PCI桥的存在使PCI总线极具扩展性，处理器系统可以使用PCI桥进一步扩展PCI总线。
PCI桥的出现使得采用PCI总线进行大规模系统互连成为可能。
但是在目前已经实现的大规模处理器系统中，并没有使用PCI总线进行处理器系统与处理器系统之间的大规模互连。
因为PCI总线是一个以HOST主桥为根的树型结构，使用主从架构，因而不易实现多处理器系统间的对等互连。
PCI桥可以连接两条PCI总线，上游PCI总线和下游PCI总线，这两个PCI总线属于同一个PCI总线域，使用PCI桥扩展的所有PCI总线都同属于一个PCI总线域。
其中对PCI设备配置空间的访问可以从上游总线转发到下游总线，而数据传送可以双方向进行。
3.HOST处理器
PCI总线规定在同一时刻内，在一颗PCI总线树上有且只有一个HOST处理器。
这个HOST处理器可以通过HOST主桥，发起PCI总线的配置请求总线事务，并对PCI总线上的设备和桥片进行配置。
在PCI总线中，HOST处理器是一个较为模糊的概念。
在SMP（symmetricmultiprocessing）处理器系统中，所有CPU都可以通过HOST主桥访问其下的PCI总线树，这些CPU都可以作为HOST处理器。
但是值得注意的是，HOST主桥才是PCI总线树的实际管理者，而不是HOST处理器。
在HOST主桥中，设置了许多寄存器，HOST处理器通过操作这些寄存器管理这些PCI设备。
4.PCI总线的负载
PCI总线的所能挂接的负载与总线频率相关，其中总线频率越高，所能挂接的负载越少。
下文以PCI总线和PCI-X总线为例说明总线频率、峰值带宽和负载能力之间的关系，如表4.4.1所示。
总线类型
总线频率
峰值带宽
负载能力
PCI
33MHz
133MB/s
4-5个插槽
66MHz
266MB/s
1-2个插槽
PCI-X
66MHz
266MB/s
4个插槽
133MHz
533MB/s
2个插槽
266MHz
1066MB/s
1个插槽
533MHz
2131MB/s
1个插槽
表1PCI总线频率、带宽与负载之间的关系
如表所示，PCI总线频率越高，所能挂接的负载越少，但是整条总线所能提供的带宽越大。
在PCI总线中，一个插槽相当于两个负载，接插件和插卡各算为一个负载，在表4.4.1中，33MHz的PCI总线可以挂接4-5个插槽，相当于直接挂接8-10个负载。
（二）基于PCI的A/D卡的工作原理
1.连接器介绍
信号连接器有通道信号，PCI总线接口，外触发，多卡扩展同步接口等4种，以下分别介绍。
通道信号接口：
位于采集卡的尾部，信号用同轴电缆接入。
一张采集卡最多只有4个通道，也可能少于4个通道，视用户的需求而定。
PCI总线接口：
采集卡与上位PC机的数据和控制信号通信接口。
其采用32位PCI总线。
外触发接口：
用于接外触发信号用。
多卡扩展同步接口：
用于多卡扩展。
其传输的信号包括主卡的同步时钟源、触发以及状态信号。
一般用16针带缆连接。
2.工作原理图
图1PCI数据采集工作原理图
（三）A/D转换过程
图2A/D转换过程图
如图2所示，当启动采集后，A/D转换后的数据经锁存，然后保存于每通道独立的卡上存储器中。
卡上存储器相当于环形缓冲，如果A/D转换的数据样点数超过了卡上存储器的最大容量，新数据会覆盖旧数据。
这个过程是周而复始的，只有当触发条件满足后，门阵列开始计数，计数达到指定值（该值由采集长度决定）后，采集结束，卡上存储器保存了满足用户需要的采集数据。
上位机通过PCI接口门阵列经由门阵列控制核心取得卡上存储器样点数据。
上过程每通道是独立进行的。
每通道卡上存储器最多可存储8M样点，且此参数可由DIP开关设置。
（四）A/D卡信号采集在Matlab上实现编程
1.正弦波信号
（1）正弦波信号的编程如下：
load（'E:
\liangshuang1.txt'）;
x=liangshuang1（:
1）;
y=liangshuang1（:
2）;
plot（x,y）;
figure
（2）编程结果与采集的信号进行比较
图9.1.1为Matlab编程后出现的结果图形，图9.1.2为使用A/D卡采集的信号，通过比较可知：
两幅图形的振幅和周期比较相近，基本上没有偏差。
图3Matlab正弦波结果图
图4A/D卡信号采集正弦波
2.矩形波信号
（1）矩形波信号的编程如下：
load（'E:
\liangshuang2.txt'）;
x=liangshuang2（:
1）;
y=liangshuang2（:
2）;
plot（x,y）;figure
（2）编程结果与采集的信号进行比较
图9.2.1为Matlab编程后出现的结果图形，图9.2.2为使用A/D卡采集的信号，通过比较可知：
两幅图形的振幅和周期比较相近，基本上没有偏差。
图5Matlab矩形波结果图
图6A/D卡信号采集矩形波
3.三角波信号
（1）三角波信号的编程如下：
load（'E:
\liangshuang3.txt'）;
x=liangshuang3（:
1）;
y=liangshuang3（:
2）;
plot（x,y）;
figure
（2）编程结果与采集的信号进行比较
图9.3.1为Matlab编程后出现的结果图形，图9.3.2为使用A/D卡采集的信号，通过比较可知：
两幅图形的振幅和周期比较相近，基本上没有偏差。
图7Matlab三角波结果图
图8A/D卡信号采集三角波
三图像的采集与处理分析
（一）图像的采集
图9原图像1图10原图像2
图11原图像3图12原图像4
（二）利用matlab实现图像的增强
1.在空域中进行图像增强
空域增强方法可表示为：
g（x,y）=EH[f（x,y）],其中f（x,y）分别为增强前后的图像，EH代表增强操作。
a.空域中值滤波平滑
中值滤波是对一个滑动窗口内的诸像素灰度值排序，用中值代替窗口中心像素的原来灰度值，因此它是一种非线性的图像平滑法。
Matlab程序代码：
M=imread（'E:
\12050641X06.jpg'）;
subplot（2,2,1）
imshow（M）
title（'原图像'）
P1=imnoise（M,'gaussian',0.02）;
subplot（2,2,2）
imshow（P1）
title（'噪声图'）;
g1=medfilt2（P1（:
:
1））;
g2=medfilt2（P1（:
:
2））;
g3=medfilt2（P1（:
:
3））;
G=cat（3,g1,g2,g3）;
subplot（2,2,3）
imshow（G）
title（'平滑图'）;
b.空域一阶微分robert交叉梯度锐化
Roberts梯度算子对阶跃状边缘，在边缘点处一阶导数有极值，因此可计算每个像素处的梯度来检测边缘点。
对于图像g（x,y），在（x,y）处的梯度定义为果grad（x,y）。
梯度是一矢量，大小代表边缘的强度，方向与边缘走向垂直。
Matlab程序代码：
f=imread（'E:
\12050641X02.jpg'）;
subplot（2,2,1）,imshow（f）;
f=double（f）;
w1=[-10;01];
w2=[0-1;10];
g1=imfilter（f,w1,'corr','replicate'）;
g2=imfilter（f,w2,'corr','replicate'）;
g=abs（g1）+abs（g2）;
subplot（2,2,2）,imshow（g）;
subplot（2,2,3）,imshow（g1）;
subplot（2,2,4）,imshow（g2）;
2.在频域中进行图像增强
频域增强的主要步骤：
（1）技术所需增强的傅里叶变换；
（2）将其与一个（根据所需要设计的）转移函数相乘；
（3）再将结果进行傅里叶反变换以得到增强的图。
a.频域低通滤波平滑，图像在传递过程中，由于噪声主要集中在高频部分，为去除噪声改善图像质量，滤波器采用低通滤波器H（u，v）来抑制高频成分，通过低频成分，然后再进行逆傅立叶变换获得滤波图像，就可达到平滑图像的目的。
由卷积定理，低通滤波数学表达式：
G（u，v）=F（u，v）H（u，v）式中F（u，v）为含有噪声的原图像的傅立叶变换域；H（u，v）为传递函数，G（u，v）为经低通滤波后输出图像的傅里叶变换。
Matlab程序代码：
[f1,f2]=freqspace（25,'meshgrid'）;
Hd=zeros（25,25）;
d=sqrt（f1.^2+f2.^2）<0.5;
Hd（d）=1;
h=fsamp2（Hd）;
figure,freqz2（h,[64,64]）;
I=imread（'E:
\12050641X.jpg'）;
I1=imnoise（I,'gaussian'）;
I2=imnoise（I,'salt&pepper',0.02）;
I3=imnoise（I,'speckle'）;
figure
（2）;
subplot（221）,imshow（I）;
subplot（222）,imshow（I1）;
subplot（223）,imshow（I2）;
subplot（224）,imshow（I3）;
J=imfilter（I,h,'replicate'）;
J1=imfilter（I1,h,'replicate'）;
J2=imfilter（I2,h,'replicate'）;
J3=imfilter（I3,h,'replicate'）;
figure（3）;
subplot（221）,imshow（J）;
subplot（222）,imshow（J1）;
subplot（223）,imshow（J2）;
subplot（224）,imshow（J3）;
b.频域Sobel锐化，Sobel算子是图像处理中的算子之一。
主要用作边缘检测。
在技术上，它是一离散性差分算子，用来运算图像亮度函数的梯度之近似值。
在图像的任何一点使用此算子，将会产生对应的梯度矢量或是其法矢量。
核心公式：
该算子包含两组3x3的矩阵，分别为横向及纵向，将之与图像作平面卷积，即可分别得出横向及纵向的亮度差分近似值。
如果以A代表原始图像，Gx及Gy分别代表经横向及纵向边缘检测的图像，其公式如下:
Sobel算子图像的每一个像素的横向及纵向梯度近似值可用以下的公式结合，来计算梯度的大小。
然后可用以下公式计算梯度方向。
在以上例子中，如果以上的角度Θ等于零，即代表图像该处拥有纵向边缘，左方较右方暗。
Matlab程序代码:
a=imread（'E:
\12050641X12.jpg'）;
I=rgb2gray（a）;
h=fspecial（'sobel'）;
BW1=edge（I,'sobel'）;
BW2=imfilter（I,h）;
figure,imshow（I）;
figure
（2）,imshow（BW1）;
figure（3）,imshow（BW2）;
（三）程序运行结果及分析
1.在空域中进行图像增强
a.空域中值滤波平滑
采集下的图片运行结果
图13空域中值滤波平滑结果
中值滤波器对脉冲干扰及椒盐噪声的抑制效果好，且比邻域、超限像素平均法更有效。
在抑制随机噪声的同时能有效保护边缘少受模糊。
但它对点、线等细节较多的图像却不太合适。
对中值滤波法来说，正确选择窗口尺寸的大小是很重要的环节。
一般很难事先确定最佳的窗口尺寸，需通过从小窗口到大窗口的中值滤波试验，再从中选取最佳的。
b.空域一阶微分robert交叉梯度锐化
图14空域一阶微分robert交叉梯度锐化结果
Roberts梯度算子仅用最近邻像素的灰度计算，对噪声敏感，无法抑制噪声的影响。
2.在频域中进行图像增强
a.频域低通滤波平滑
图15频域低通滤波平滑结果
（1）
图16频域低通滤波平滑结果
（2）
图17频域低通滤波平滑结果（3）
频域低通滤波具有更好的选择性，对噪声在一定范围内也可以起到抑制作用，同时也对图像的边缘细节和高频信息分量有更好的保持作用。
使得图像在轮廓上显得更清晰。
b.频域Sobel锐化
图18频域Sobel锐化结果
（1）
图19频域Sobel锐化结果
（2）图20频域Sobel锐化结果（3）
四提高内容
编写数学形态学的图像增强算法：
数学形态学是建立在集合论的基础上，用于研究几何形态和结构的一种数学方法。
近几年，形态学已发展成为一种新型的图像处理方法和理论。
形态学的基本思想是使用具有一定形态的结构元素度量和提取图像中的对应形状，从而达到图像进行分析和识别的目的。
由于形态学算子实质上是表达物体或形状的集合与结构元素之间的相互作用，结构元素的形态就决定了这种运算所提取的信号的形态信息，因此数学形态学对信号的处理具有直观上的简单性和数学上的严谨性，在描述信号形态特征上具有独特的优势。
同时，形态学中的形态滤波器可借助于先验的几何特征信息，利用形态学算子有效地滤除噪声，又保留图像中的原有信息。
因此在图像平滑滤波、分割、识别、形状描述等方面得到了广泛的应用。
它最显著的特点是直接处理图像表面的几何形状，具有快速、健壮和精确的特性。
数学形态学是一种非线性滤波方法，Minkowski形态和差（膨胀与腐蚀）是数学形态学的基础。
1.灰度图像交替顺序形态滤波
1.1顺序形态变换
定义1设数字图像
定义2如定义1假设。
那么，数字图像f关于结构元素B的顺序形态变换记为f（p）B，定义为f（x）在B上的（k-1）p+1阶顺序量，即：
f（p）B=ord{d：
f︱B）（9）
其中d=（k-1）p+1；p=0，1／k-1，…，1，当p=0，1时，上式分别为形态腐蚀和膨胀。
1.2复合顺序形态变换
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