大学本科计算机专业数字图像插值算法应用与研究毕业论文.docx

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大学本科计算机专业数字图像插值算法应用与研究毕业论文

毕业设计

数字图像插值算法的应用与研究

XXX

电气信息学院

年月日

毕业论文

数字图像插值算法的应用与研究

学生：

XXX

指导教师：

XXX

专业：

计算机科学与技术

所在单位：

XXX

答辩日期：

年月日

摘要

图像插值在图像处理领域发挥着重要作用，它被广泛的应用于各种领域中。

传统插值算法模型简单，计算量小。

它们之间的区别在于映射点周围像素序列的取法不同。

线性算法对于图像的光滑区域已能达到较好的视觉效果，但是它们不能很好的处理图像的边缘细节部分，从而导致放大图像的边缘细节模糊。

由于边缘质量好坏影响图像的主观评价，于是学者提出了很多基于边缘保持的插值算法，本论文对目前流行的该类算法进行了分析总结，发现许多算法虽然得到了较好的插值精度，但却需要复杂的运算量做支撑，实时性不好。

本文论述了常用的数字图像插值算法进行了深入分析，指出临近插值算法、双线性内插值算法和双立方插值算法原理，并在此基础上对各个算法用java进行实现，通过算法对得出的结果数据进行分析，得出各类算法的评价。

数字图像缩放技术主要基于插值算法。

本文在介绍插值算法时首先介绍了最近邻插值、双线性内插值和双立方差值三种传统插值算法，并从数学形态上分析其插值核函数引起的计算量和处理效果的不同。

在此基础上研究了当今比较流行的几种缩放算法，指出它们均是在传统算法上的改进算法。

然后对三种传统算法编写JAVA程序进行了数据实验，并进行对比。

最后，对文中所述插值算法做了总结。

关键词：

数字图像；插值算法；研究；评价；

Abstract

Imageinterpolationplaysanimportantroleinimageprocessingarea,anditiswidelyusedinvariousfields.Traditionalinterpolationalgorithmsaresimpleandeasilyrealized.Thedifferencebetweentraditionalalgorithmsisthewayofgettingthepixelsaround.Thoughtraditionalalgorithmsachievegoodvisualeffectinflatares,buttheycan’tprocesstheedges,texturesandsoon,whichleadstheedgedetailstobefuzzyintheenlargementimage.

Becauseofthesubjectiveevaluationofimagequalityismainlyaffectedbytheedge,somescholarsproposemanyedge-directedinterpolationalgorithms.Thispaperanalysiskindsofmethodspopularnowadays,andfindsoutthatmanyinterpolationalgorithmswhichobtainbiggerpromotioninprecision,actuallyneedmorecomplexcomputation.

Thispaperdiscussesthecommonlyuseddigitalimageinterpolationalgorithmhascarriedonthethoroughanalysis,pointedoutneartheinterpolationalgorithm,thebilinearinterpolationalgorithmandBicubicinterpolationalgorithmprinciple,andonthisbasistoeachalgorithmusingjavatoachieve,throughthealgorithmtotheresultofdataanalysis,cometotheevaluationofvariousalgorithms.

Digitalimagescalingtechnologyismainlybasedoninterpolationalgorithm.Theinterpolationalgorithmisintroducedinthispaperfirstintroducedtherecentneighborinterpolationandbilinearinterpolationandbicubicinterpolationthreetraditionalinterpolationalgorithm,andfromthemathematicalmorphologyanalysisoftheinterpolationkernelfunctioncausedbycomputationandthetreatmenteffectofthedifferent.Onthebasisofthisstudy,severalscalingalgorithmsarestudied,andtheimprovedalgorithmsarepointedout.ThenthethreetraditionalalgorithmstowriteJAVAprogramdataexperiments,andcompared.Finally,theinterpolationalgorithmissummarizedinthispaper.

Keywords:

digitalimage;interpolationalgorithm;research;evaluation;

目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1开发背景及目的1

课题背景1

主要实现功能2

课题研究的现状3

1.2本文主要内容和章节安排4

第2章数字图像处理的介绍5

2.1数字图像缩放技术概述5

2.2数字图像缩放的算法概述5

2.3对图像插值算法的评价6

第3章数字插值综合概述8

3.1数学插值介绍8

3.1.1生产实践上的插值问题8

3.1.2数学上常见的插值类型9

3.2图像处理技术10

3.3基本图像类型11

第4章常用数字图像插值算法分析13

4.1邻近插值法13

4.2双线性内插值法15

4.3双立方卷积插值法17

4.4图像质量主观评价20

4.5图像质量客观评价25

第5章总结与展望27

5.1总结27

5.2数字图像插值技术展望27

设计体会28

致谢29

参考文献30

第1章绪论

1.1开发背景及目的

课题背景

据研究表明，人们获取的全部信息中，有80%以上来源于视觉。

与语音或文字信息相比，图像包含的信息量更直观、更大、更确切，具有更高的使用效率和更广泛的适用性。

图像处理学技术已经成为研究视觉感知的有效工具。

随着计算机技术、现代通讯技术、网络技术和信息处理技术的高速发展，在人类社会进入信息时代的今天，人们对图像信息的需求也越来越迫切。

目前的图像数字化输入设备：

扫描仪，数字相机等都是通过采样图像上的微小区域，产生对应的像素点信息，从而形成一个点阵化的图像数据，即对于固定的图像输入条件和固定的图像信息而言，可以获取的数据量是相对固定的。

但在很多情况下，经常不可避免地涉及到将图像插值放大显示。

而图像的插值即意味着记录图像数据量的增加，也就是图像数据再生的一个过程。

那么，这个图像数据再生过程如何实现，以及实现的视觉效果和运算复杂度如何，就是图像插值算法研究工作需要考虑和关注的问题。

图像插值算法作为数字图像处理中的一项重要技术，被广泛的应用于军事雷达图像、卫星遥感图像、天文观测图像、地质勘探数据图像、生物医学切片、纤维图像及网络传输图像等特殊图像及日常人物景物图像的处理。

由此可见，图像插值技术的应用范围越来越广。

具体归纳起来应用主要体现在以下几个方面：

（1）网络视频传输：

为了更加有效的利用有限的带宽，可以只传输低分辨率的视频流，然后在接收端使用图像插值算法获得高分辨率的视频流。

（2）不同显示设备的分辨率需求：

如大屏幕显示图像、制作巨幅广告招贴画或宣传海报等。

（3）图像修复：

一些已经被损坏的图像，如身份证上的照片存在污损，可使用插值技术对图像进行重建和恢复。

（4）图像识别：

在大多数视频监控中，由于摄像头通常离目标物体非常远，因此监控视频中的目标物体通常比较小，难以对目标物体进行有效的识别和判断，此时可采用插值技术提高目标物体的分辨率来有效的识别它们。

（5）医疗辅助诊断：

数字医学领域中，往往希望根据断层图像重建物体的三维形状，建立虚拟的器官和组织，以便进行医学分析和诊断。

一般而言，层与层之间的差距较大导致断层图像的层间分辨率较低。

于是要通过算法根据已有的层片计算出新的层片。

并且在分析和诊断时，时常需要将医学图像进行旋转或放大。

这些都是依靠插值方法和某些系统一起实现计算机辅助诊断的。

（6）彩色图像恢复：

单传感器的数字彩色相机，特别是基于CMOS图像传感器的相机，通常在传感器表面覆盖了一层彩色滤波阵列，得到的滤波后图像中每个像素只有红绿蓝这三个分量中的一个分量。

此时必须使用插值方法恢复丢失的色彩信息。

（7）提高图像的存储和传输效率的图像数据压缩和重建技术，如：

图像压缩

和视频压缩技术中的帧内插值和帧间插值及计算机虚拟现实技术中的视图插值。

由以上所述可知，图像插值已经成为计算机图形学和图像处理的重要组成部分。

从数据的角度来说，图像插值是图像数据由少变多的一个过程；从视觉的角度来说，图像插值则是使原始图像在缩放后细节更为突出，整体视觉效果更逼真于现实事物的一种方法。

所以，对图像插值技术进行研究具有重要的意义。

主要实现功能

在数字图像处理中，插值是一种最基本、最常见的集合运算，所谓“插值”，是指图像放大过程中，图形产生像素值的增加和原先像素显示的差值，在图像的放大过程中，像素也相应的增加，增加的过程就是插值的过程，算法会自动的选择信息、选择图像尺寸变化，这样图像效果也会变得模糊一些。

其中插值的精确度直接影响最终的图像处理结果，因此研究和评价数字图像插值算法在学术上和应用上都很重要。

在图像处理软件对图像进行缩放时，常用三种插值算法：

临近插值法、双线性内插值法和双立方插值法，它们之间的区别在于映射点周围像素序列的取法不同，其中双立方插值法较前两种算法的插值放大效果最好，但是算法比较复杂，比较耗时，这一结论也得到了普遍的公认。

图像评价插值效果的优劣方式如下：

首先是用肉眼观察放大图像的效果，是否在边缘产生了锯齿，然后就是观察边缘过渡带是否清晰，层次感细节变化是否模糊。

本文对这三种算法进行了研究，并通过算法对这三种插值算法结果产生的数据进行分析，得出三种算法的评价结果。

课题研究的现状

就目前来看，插值方法主要分为线性插值法和非线性插值法。

线性插值法理论表现为信号的离散采样值与插值基函数之间的二维卷积。

即利用邻近像素点灰度值的加权平