（测试计量技术及仪器专业论文）数码显微系统软件总体模块及其实现.pdf

y6 8 9 2 0 5 浙江大学硕士论文 摘要 数码显微系统是将光学显微技术、数据采集技术以及计算机处理和控制技术结合 在一起发展形成的，是对传统光学显微镜功能的一次延伸，能显著的改善显微图象的 分辨率和对比度，在生物、医学、工业质量检测等领域都有着广泛的应用。 论文共分六章。第一章是绪论;第二章是对系统的总体介绍:第三章介绍了软件 系统总体模块结构，并分别对各个模块做了介绍;第四章介绍了图像处理过程中用到 的一些算法， 这些算法中有些是国内外软件中没有公开的算法，有些是本软件为用户 特定需求开发出来的特有算法。 第五章是对开发的图像处理软件系统功能的详细介绍; 第六章是总结和展望。 本论文首先回顾了当前国内 外数码显微系统发展的 现状，得出结论:国内 对数码 显微系统的 研究， 特别是对其中图象处理和分析软件的开发上， 始终不能保持与世界 同步。鉴于这种现状和市场的需求， 确定了 我们下一步 努力的方向。 接下来我们从总 体上介绍了数码显微系统的组成，将数码显微镜的设计分成光学成像、数据采集以 及 图象处理和分析三个既相互独立又紧密联系的模块。 而我们的重点是图象处理和分析 模块。 在此模块中， 针对显微图 象的特点，除了 编制完成了图 像处理中的一些常见的 图像处理算法， 根据用户的需求，我们还实现了一些针对特殊功能的算法， 包括细胞 计数算法和特征体标注算法等。 通过集成的图 象浏览和数据库，可以 方便的实现对图 象的管理。 本软件因其具有的功能强大、运行稳定、性价比高等特点，己 投入市场运作并取 得了良 好的效果。 关键词:数码显微 图像处理和分析 细胞计数 图像标注 浙江大学硕士论文 1 1引言 第1 章绪论 在早期，显微镜是从放大镜逐渐演化过来的。世界上最早有记录的显微镜由一套 镜筒组成，该镜筒有一个汇聚的物镜和一个发散的目镜，由z a c h a f i a sj a n s s e n 和h a n s j a i l s s e n 完成的，如下图1 1 所示： 图1 1 世界上最早的显微镜 虽然显微镜发明至今已有4 0 0 年左右的时间，可与有着极高分辨率的电子显微镜 相比，光学显微镜的发展曾一度陷入停滞状态。但由于电子显微镜在观察时要求样本 必须置于高度真空的环境中，不能满足对活性细胞的要求，所以在生物学等研究领域， 光学显微镜仍是电子显微镜无法取代的重要观测于段。阻碍光学显微镜发展的因素是 分辨率和对比度，现代生物研究对分辨率的要求已达到亚微米级，同时由于细胞的物 质是半透明的，所以还需改善所成像的对比度。二十世纪八十年代以来，随着激光技 术、计算机技术和光电技术等新兴技术 2 】，【3 】，【4 】，【5 3 的涌现和在显微镜方面的应用，将这 几种技术结合在一起产生的新一代数码显微镜系统为显微镜的发展开辟了新的领域， 注入了新的活力。 浙江大学硕士论文 现在的显微系统不仅是由单一的显微镜组成，而是将显微技术、图像采集技术以 及计算机控制和处理技术集成在一起，实现了样本从成像、采集、处理到存储全过程 的管理和控制。如图1 2 所示。将数字概念引入显微技术延伸了传统光学显微镜的功 能。显微镜与电脑的结合，正如给显微镜安装了一个头脑，注入了灵魂，使它具有了 智能，学会了思考，并能与人进行交流。这一切的关键所在是它提供了数字化的图像， 有了数字图像，你就可以应用各种图像处理和分析软件获得你所需要的各种效果及实 验数据【6 l 。目前，新型的数码显微系统已经成为生物学、医学研究和半导体、微电子 器件等元件的生产检测的主要工具。 图1 ，2 现代数码显徽镜 数码显微系统能将采集到的图像直接以数字的方式存储，不像传统的胶片还要经 过冲洗、扫描等程序，降低了成本，方便了使用。同时，通过因特网，可将数字化组 织样本方便、迅捷的传递到世界的各个角落。 1 2 现有数字显微设备川 目前市场上数字显微设备较多，功能各异，主要可以分为以下三类：1 、模拟摄像 浙江大学硕士论文 头+ 视频捕捉卡；2 、民用数字相机；3 、专业显微数码相机。现分别对它们做简要介 绍： 1 2 1模拟镜头+ 视频捕捉卡 这种镜头目前市场上种类最多，价格相对最便宜，由于它们往往以数字镜头自居， 也最容易将它们与专业级的数码显微镜头相混淆。严格来说，这种镜头不能说是完全 意义上的数字镜头，因为其图像摄取采用的是模拟信号，计算机接收的数字信号是由 图像捕捉卡经a d d 转换得来的。此类摄像头的最大缺点是分辨率不高，一般最高只能 达到6 4 0 4 8 0 ，且色彩还原能力不强，适合于可视电话、远程教学等多媒体应用，不 宜在专业图像分析领域应用。 1 2 2民用数字相机 民用数码相机与传统相机的最大区别在于它彻底告别了卤化银胶片，也无须暗房 冲洗；它以数字存储器代替感光材料，用打印机代替暗房冲洗。但由于这种数字相机 存储卡片及电池容量有限，且向计算机传输数据的速度较慢，因此难以进行连续、大 量的拍摄。其民用化设计使其难以和显微镜配合使用，如外置的自动焦集和光传感器 由于感测不到显微镜的图像而失去作用，使摄像时图像的聚焦和曝光非常不易掌握， 而且这种民用数码相机在与显微镜配合使用时须加配价格昂贵的配件，也使得其相对 于专业数码相机的价格优势难以体现。 日本内田洋行公司【8 1 2 0 0 1 年5 月1 日上市一款内置数码相机的显微镜。该显微镜 主要面向日本的学校，它可以方便的把显微镜观察到的内容显示道计算机或电视的画 面之上。这种称为u c h i d a 数码显微镜的装置不仅仅具有显微镜的功能，它同时可以 完成图像数据的读取并可以作为显微镜电视装置使用。内置的数码相机可以省却相机 安装和调试的麻烦步骤，与计算机的u s b 方式连接使得接续工作一步完成。此外，它 还附属有数据读取、测定、编辑和加工的各类软件。它还具备网络功能，便于数据的 共享。该产品系列包括2 款数码生物显微镜和7 款数码双镜头显微镜，价格从相对低 廉8 万8 千日元开始设定，非常适宜于学校使用。内田洋行锁定的对象包括小、中学 校和高级中学。u c h i d a 数码相机需要在w i n d o w s 9 8 、w i n d o w s 2 0 0 0 以上环境运行， 支持p e n t i u m l l 3 0 0 m h z 以上的c p u 。 堑塑；叁鲎堡主堕壅 1 2 3专业显微数码相机 目前市场上的专业显微数码相机种类不多，可选范围比较小，但因其专为专业领 域设计与显微镜搭配使用简单，清晰度高，使用方便，界面友好，且多与流行的图 像处理软件相兼容，因而是数码显微成像系统的首选。表l 给出部分产品的技术性能 参数对比 p i x e r ap r o f e s s i o n a lp i x e r a l 2 0 e sd m c o l y m p u s d p i1 c c d1 3 ”l 3 “3 1 4 ” l ，8 ” 分辨率 1 2 6 0 x 9 6 01 2 6 0 x 9 6 01 6 0 0 x 1 2 0 01 2 8 0 x 1 0 2 4 色彩 2 4 位r g b2 4 位r g b2 4 位r g b2 4 位r g b 图像文件格式b m p t i f f ，j p e g ，b m p ，t i f f i p e g ，d i b m pb m p d i b 曝光全自动半自动手动全自动半自动手动全自动全自动 外接插口p c i 或p c m c i ap c i 或p c m c i as c s i - 2r $ 2 3 2 c 数据传输速度快快较快较慢 镜头体积 小 较小较大大 实物拍摄可以不可以不可以不可以 预览彩色彩色黑自l c d 动态拍摄 u p t o l o f p su p t o l o f p su p t 0 4 f p s 应用领域显微拍摄或对物体趟适台微光条件下显微拍摄显微拍摄 医用显微拍摄 行实拍 参考价格2 9 ，0 0 0 元7 0 ，0 0 0 元6 0 ，0 0 0 元 4 5 ，0 0 0 元 表1 1 几种显微数码相机的比较 由上面的表1 1 可以看出，以上四种显微镜中，只有o l y m p u sd p l 0 1 9 1 是无需连接 计算机就可以进行拍摄，但由于它与计算机之间数据传输速度慢，难以配合专业图像 分析软件，因此不适宣在质量检验领域内使用。其余的三种显微数码相机各有所长； d m c 分辨率最高，但因其预览时采用黑白图像，不利于显微图像的调节与观察； p i x e r a l 2 0 e s 光敏感度最高，如需进行微光条件下的图像拍摄，则p i x e r a 是首选：p i x e r a p r o f e s s i o n a l 是唯一能对实物进行拍摄的显微数码相机，既可以拍摄受检元件本身，又 浙江大学硕十论文 可以拍摄元件在进行物理分析时的显微图像，是几种显微数码相机中性能价格比最高 的一种。 1 。3 1 3 1 图像处理系统 图像处理系统背景介绍 数字图像处理技术是计算机图形深入应用和高层应用的一个极其广泛 把来自照像机、摄像机、或者传真扫描装置、医用c t 机、x 光机等的图 学变换后得到数字图像信息，再由计算机进行编码、沪波、增强、复原、 等处理， 技术在通 子化、目 模拟图像 与传输技 高速公路 分。而且， 切相关。 最后产生可视图像。这种技术称为图像处理( i m a g ep r o c e s s i n g ) 的领域，它 像，经过数 压缩、存储 。图像处理 信科学、生产与管理、多媒体技术、高清晰度电视、医用图像处理、商品电 标跟踪等领域得到了广泛的应用。在通信事业上，传统的图像信息传输是以 信号形式出现的。为了提高信息传输的质量和速度，近来数字图像信号处理 术正在迅猛发展，并逐步取代传统的模拟信号处理与传输技术。目前，“信息 ”成了发达国家的热门课题，其中数字图像处理技术则成为它的极其重要的部 数字图像处理技术还与当前乃至2 1 世纪的一些关键电子技术及电子产品密 数字图像处理技术的研究和应用领域十分广泛。所谓数字图像处理，就是指用数 字计算机和其他有关数字技术，对图像施加某种运算和处理，从而达到某种预想的目 的。例如，使退色模糊了的照片重新变清晰：从医学显微图片中提取有意义的细胞特征 等等。 数字图像处理的研究内容概括起来可以包括如下六个方面： 图像的数字化即研究如何把一幅连续的光学图像表示成一组数字，既不失真又 便于计算机分析处理。 图像的增强增强图像中的有用的信息 一步分析与处理。增强后的图像未必与原图 图像恢复把退化，模糊了的图像复原 图像编码在满足一定的保真度要求下 ，削弱干扰和噪声，以便于观察识别和进 像一致。 。复原图像要尽可能与原图像一致。 ，简化图像的表示，从而大大压缩表示图 10 浙江大学硕士论文 可以拍摄元件在进行物理分析时的显微图像，是几种显微数码相机中性能价格比 最高 的一种。 1 . 3图像处理系统 1 .3 . 1图 像处理系统背景介绍 数字图像处理技术是计算机图形深入应用和高层应用的一个极其广泛的领域，它 把来自 照像机、摄像机、或者传真扫描装置、医用c 丁机、x光机等的图像，经过数 学变换后得到数字图像信息，再由 计算机进行编码、沪波、增强、复原、 压缩、 存储 等处理， 最后产生可视图像。 这种技术 称为图 像处理 ( i m a g e p r o c e s s in g )。图像处理 技术在通信科学、生产与管理、多媒体技术、高清晰度电 视、医用图像处理、商品电 子化、目 标跟踪等领域得到了 广泛的应用。在通信事业上， 传统的图像信息传输是以 模拟图像信号形式出现的。为了提高信息传输的质量和速度，近来数字图像信号处理 与传输技术正在迅猛发展， 并逐步取代传统的模拟信号处理与传输技术。目 前， “ 信息 高速公路” 成了发达国家的热门 课题， 其中数字图像处理技术则成为它的极其重要的部 分。 而且， 数字图像处理技术还与当前乃至2 1 世纪的一些关键电子技术及电子产品密 切相关。 数字图像处理技术的研究和应用领域十分广泛。所谓数字图像处理，就是指用数 字计算机和其他有关数字技术，对图像施加某种运算和处理，从而达到某种预想的目 的。 例如， 使退色模糊了的照片重新变清晰; 从医学显微图片中提取有意义的细胞特征 等等。 数字图像处理的研究内容概括起来可以包括如下六个方面: 图像的数字化一即研究如何把一幅连续的光学图像表示成一组数字，既不失 真又 便于计算机分析处理。 图像的增强一增强图像中的有用的 信息，削弱干扰和噪声，以 便于观察识别和进 一步分析与处理。增强后的图像未必与原图像一致。 图像恢复一把退化，模糊了的图像复原。复原图像要尽可能与原图像一致。 图像编码一在满足一定的保真度要求下，简化图像的表示，从而大大压缩表示图 浙江大学硕士论文 像的数据，以便于存储和传输。 图像重建一由图像投影数据重建图像。 图像分析一对图像中的不同对象进行分割，分类，识别和描述，解释。 数码显微系统将显微技术、数据采集技术、计算机控制和处理技术结合在一起， 实现了 样本从成像、采集、传输、处理到存储的管理和控制。其核心仍然为图像处理 和分析软件，在这一节，我们将对目 前比较专用以 及有名的软件进行简要的分析，以 期构建我们自己的数码图像处理和分析软件系统。 1 .3 .2目 前常用的几种图像处理系统 1 . p h o t o s h o p p 0 l 市场上现在已经出现了许多图像处理软件，其中最著名的要属 a d o b e的产品 p h o t o s h o p ， 作为一 种通用的图像处理软 件， 它的 功能 覆盖面广， 包括了 常见的 各种图 像增强和变换操作，但是，它不能完成对显微图像的定量分析，因此不适用于专门的 显微图像领域。 2 . im a g e p r o i1 m e d ia c y b e m e t ic : 公 司 是 最早 开 展 图 像 技 术 分 析 软 件 的 研 究， 其 制 定 的 图 像 分 析 标准己 成为行业事实上的 标准， i m a g e p r o p lu s 是现在公认的功能最强大的显微图像分 析专用软件，它不仅包括了常见图像处理软件的功能，而且还具有以下的特点，满足 了显微图像处理领域的特殊要求:全面支持多种文件格式和设备，能轻易的从多种设 备上获取图像，如:录像机、c c d摄像机、扫描仪、 p h o t o c d 、科学仪器和图像数据 库等;能处理简单的几何测量和复杂的几何结构关系，紧紧围绕图像读取设备，运用 绝对空间校准，以 确保最准确的测量数据;运用先进的过滤和分割技术帮助区分重迭 的物体、完成细微边界划分，识别相近物体组，并能用不同色彩对识别出的物体组作 标记和分类，以便辨别和确认; 提供先进的分析手段，通过频谱图、谱线轮廓、 伪彩 色、三维面形等方法将数据生动的再现。 但是这套软件对国内用户来说还存在着使用上，价格上等障碍。 3 . m o t i c s i m a g e 2 0 0 0 1 1 2 3 m o t i c s i m a g e 2 0 0 0是由 麦科特公司 开发的 普及型专门 用于 数码显微镜的图 像处 理软件， 这里我们直接拷贝 他们自己对他们软件的简要介绍如下 浙江大学硕士论文 m o t ic i m a g e s 2 0 0 0图 像 处 理软 件 功能 介 绍 文件格式 b mp , j p g , m i g( 声音)，s f c等多种格式 捕捉功能静态捕捉，动态捕捉，定时自 动捕捉 测量功能 提供校准功能，长度、面积、不规则形状测量等测量功能 修正功能颜色，亮度和对比 度调核功能 声频功能录音和播放 组合功能将两张图片进行a n d 和o r 等逻辑组合 文木编辑在图片文件上进行文字编辑，添加备忘 其他功能转向、浮雕、反转片及其它备忘功能 从上表可以看出， 他们的功能十分有限，在下载他们的d e m o 软件进行分析与使 用以后， 我们发现mo t i c i ma g e s 2 0 0 0 还仅限于一般的u s b接口 数码相机与显微 镜的一般接口 阶段，如何将显微镜与图像特性结合在一起的特性还没有涉及，其分辨 率还仅限于与显微镜倍率进行限定的阶段。 1 .4本硕士论文主要研究内 容 随着世界走向数字化，世界各地对数码显微系统的需求越来越大，但国内开发的 实用性系统还比 较缺乏，而国外的设备价格较为昂贵， 针对这种情况我们开发出自己 的数码显微系统，该系统综合以上几种显微数码设备的特点，具有分辨率高、采集质 量好、 传输速度快、支持格式多等优点，加上与之配套的软件提供的强大的图像处理 和分析功能，在工业质量检测、定量分析、生物医学等领域有着广泛的应用。 我们研制的数码显微镜系统采用了 模块化的设计思想，各个模块之间既相互独立 又有着紧密的联系。使用模块化设计的 好处在于对于每一个模块的单独更新和改进都 不会影响到整个系统的兼容性及其使用，同时也为我们在整个数码显微镜系统中不断 利用最先进的技术提供了可能。限于篇幅与时间，我们这里简要给出本硕士论文的主 要研究内容如下: 第二章主要介绍了我们研制的数码显微镜系统的基本模块; 第三章主要着重讨论数码显微镜图像处理系统软件部分各个模块的具体实现。 浙江大学硕士论文 第四章则着重研究数码显微镜图像处理系统的一些在国内外软件中尚没有公开的 算法及其实现。 第五章主要介绍了 数码显微图 像处理软 件s c o p e p h o t 。 的主要功能， 为避免与前 面 的冲突以及涉及到一些商业原因，仅介绍了在整个系统中所实现的功能。 第六章对我们的研究工作进行了总结，给出了展望。 浙江大学硕士论文 第2 章系统的总体介绍 数 码显微系统i 3 1i 4 的 组成主要 包括 二个部分: 光学显 微成像模块、 数据采集 模块 及计算机图像处理和控制软件模块， 系统的总体结构如图 2 . 1 所示。光学模块实现了 显微成像的功能:数据采集模块通过数字视频设备，即电子目 镜， 将光学模块所成的 像以数字信号形式记录下来， 并通过u s b接口 传输到控制计算机上; 软件模块是整个 系统的核心，通过软件模块的作用，可实现图像的捕获、处理与测量，以及对显微镜 的实时控制，能最大限度的提高图像的质量。下面分别对三部分做详细介绍。 光学显微镜 显微镜电子目 镜 计算机图像处理 系统 光学成像模块 数据采集模块 计算机图像处理 和控制模块 图2 . 1系统总体结构 2 . 1光学成像模块 在光学成像模块中最常见的是使用传统的光学显微镜如图2 .2 所示，但传统的光 学显微镜目 前往往采用照相机，往往通过三通过实现成像，随着c c d技术与c m o s 技术的发展，将传统的显微镜与c c d或c m o s 结合起来显得越来越迫切。 设计匹配光学系统时， 采用经过物镜成的像作为物 ( 视场为 1 8 m m. 2 0 m m以及 2 2 m m )，c c d或c mo s 作为像面 ( 一般为 1 / 3 英寸或 1 / 2 英寸)，这是一个中等视 场与孔径的光学系统，作为摄录接口，必须校正轴上点像差、细光束像差与场曲，使 整个视场得到同样清晰的像。我们经过分析以后，认为采用 “ 场镜+双胶合” 开工即 浙江大学硕士论文 第2 章系统的总体介绍 数码显微系统的组成主要包括二个部分：光学显微成像模块、数据采集模块 及计算机图像处理和控制软件模块，系统的总体结构如图2 1 所示。光学模块实现了 显微成像的功能：数据采集模块通过数字视频设备，即电子目镜，将光学模块所成的 像以数字信号形式记录下来，并通过u s b 接e l 传输到控制计算机上；软件模块是整个 系统的核心，通过软件模块的作用，可实现图像的捕获、处理与测量，以及对显微镜 的实时控制，能最大限度的提高图像的质量。下面分别对三部分做详细介绍。 2 1 光学成像模块 光学成像模块 数据采集模块 计算机图像处理 和控制模块 图2 1 系统总体结构 在光学成像模块中最常见的是使用传统的光学显微镜如图2 2 所示，但传统的光 学显微镜目前往往采用照相机，往往通过三通过实现成像，随着c c d 技术与c m o s 技术的发展，将传统的显微镜与c c d 或c m o s 结合起来显得越来越迫切。 设计匹配光学系统时，采用经过物镜成的像作为物( 视场为1 8 m m ，2 0 m m 以及 2 2 m m ) ，c c d 或c m o s 作为像面( 一般为l 3 英寸或i 2 英寸) ，这是一个中等视 场与i l 径的光学系统，作为摄录接口，必须校正轴上点像差、细光束像差与场曲，使 整个视场得到同样清晰的像。我们经过分析以后，认为采用“场镜+ 双胶合”开工即 一 浙江大学硕士论文 可达到目标。 图2 2 光学显微镜基本结构图 lll 图2 3 设计的电子目镜光学机械系统结构图 为进一步实现一镜多用，我们还采用考虑了与2 0 r a m ，2 2 r a m 视场的匹配，稍加 浙江大学硕士论文 改进以后引入第三片，同时经过多配置系统，实现同一镜头的不同视场的适用。所 以最终镜头加场镜为四片结构形式。图 给出了我们设计的整个系统加工图纸。 图2 4 给出了设计并加工的电子目镜实物图。图2 ，5 则给出了电子目镜与显微镜结 构在一起的效果图。使用效果表明，该电子目镜成像效果非常好。 图2 4 给出了设计并, 自d i j ：的电子日镜实物图 图25 电子目镜+ 普通显微镜效果图 浙江大学硕士论文 2 . 2图像数据采集模块 从显微镜发明至今，图 像采集技术就一直伴随着显微技术的发展。最初的方式是 通过人眼观察然后手绘制到图纸上，随着照相技术的出现并应用到显微图像记录中， 诞生了显微照相术。显微照相术中记录的媒介先是采用胶片，胶片记录的图像虽可获 得不错的质量， 但拍摄下来的图像，无法立刻看到效果，需要经过冲洗、扫描等步骤 后才能在电 脑上进行编辑、分析、 存储等，而且一旦某个环节胶卷出现问题，很难再 在相同条件下拍摄到相同的照片。传统的显微照相术对操作者的要求也较高，需要操 作者对整个拍摄的过程出 现的问题进行分析和解决，这在一定程度上带来了使用上的 不便。同时， 对拍摄胶片的保存也是一大问题，即便使用非常好的底片和相纸，随着 时间的消逝也会出现褪色、发黄，造成数据的流失。为解决这种问题，我们采用电子 目 镜 【 5 的 解 决 方 案。 电子目 镜是一种针对显微镜成像专门研制而成的光学与电子器件的产物。长久以 来，当人们使用显微镜或者天文望远镜时，每次只能由一位观察者来观察， 而电 子目 镜的出现，它使被观察目 标成像在图像传感器上，并转换成视频信号或视频数据流， 在电 视机或计算机中 进行显示，多位观察者可同时观看。使观察、教学和科研等更为 直观生动、 便利。电子目 镜提供了拍摄、 存储功能。 它可以把被观察图像存入计算机， 进行分析、测量和统计，提高传统光学仪器的使用内 涵。再配合刻录机、投影仪、笔 记本电 脑等现代设备，使大量、繁琐的工作变得有趣、轻松、高效。有了它，显微世 界不再渺小，瞬间的变化将成为永恒。我们的学习科研工作会更加快捷、便利。 电子目 镜采用的图像传感器芯片是采用c mo s 技术。 目 前广泛使用的图像传感器 主要是两种: c c d和c m o s . c c d图像传感器具有技术成熟，图像噪声小等优点。 但 它制作工艺复杂， 与标准工艺不兼容， 且需要高电压供电， 芯片功耗大。 而c mo s 图 像传感器采用了c m o s 工艺， 可以将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片 上。因而具有集成度高，功耗低，价格便宜的优点，具有很好的发展前景。随着噪声 消除技术的改进，目 前 c mo s图像传搏器的应用前景将讲一步改善。 浙江大学硕士论文 2 . 3图像处理和分析模块 通过我们在软件模块中实现的图像处理和分析功能可以 极大的改善图像的质量， 提高图像的分辨率和对比度，并能完成对显微图像的定量分析。下面对图像处理和分 析软件中所涉及的算法进行一个总体的介绍。 1 )图 像编码压缩。 图像编码压缩技术可减少描述显微图 像的数据量( 即比 特数) ， 以 便节省图像传输、处理时间和减少所占 用的存储器容量。 z ) 图 像增强的目 的是采用一系列技术去改善显微图 像的视觉效果， 或将图像转换 成更适合人或计算机分析处理的形式:图 像增强只考虑突出图像中所感兴趣的部分， 如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显:强化低频分量可减少图 像中噪声影响。图像增强的方法基本上可以分为空间域及频率域处理两大类。空间域 处理是在原图 像上直接进行数据处理，有局部运算 ( 如空间卷积) 和点运算。频率域 处理是先将图像做f o u r i e r 变换，在频率域上进行数据处理后，再做f o u r i e r 反变换， 得到增强后的图像。除了经典的图像增强方法以外， 我们还在系统中增加了数学形态 学的相关算法，数学形态学图像处理，利用一个称为结构元素的 “ 探针”收集图 像的 信息。当 探针在图像中不断移动时， 便可考察图像各个部分之间的相互关系，从而了 解图像的结构特征。 3 )图 像恢复。 图像恢复的目 标是恢复退化图 像的本来面目 。 引起图像退化的原因 很多， 在研究图像恢复算法时必须从这些原因出发， 对引起图像退化的原因 进行分析， 建立相应的复原函数，再采用某种滤波方法，恢复或重建原来的图像。 4 ) 图 像分割。 图像分割是将显微图 像中有意义的 特征部分提取出 来， 其有意义的 特征有图像中的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。 5 ) 图 像描 述。 图 像描述是图 像识别 和理 解的 必要前提。 作为 最简单的 二值图 像可 采用其几何特性描述物体的特性，一般图像的描述方法采用二维形状描述，它有边界 描述和区域描述两类方法。对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特征描述。随着图像 处理研究的深入发展，已经开始进行三维物体描述的研究，提出了体积描述、表面描 述、广义圆柱体描述等方法。 6 ) 图 像分类 ( 识别) 。图 像分类 ( 识别) 属于模式识别的范畴， 其主要内 容是图 浙江大学硕士论文 像经过某些预处理 ( 增强、复原、压缩)后，进行图像分割和特征提取，从而进行判 决分类。图像分类常采用经典的模式识别方法，有统计模式分类和句法 ( 结构) 模式 分类，近年来新发展起来的 模糊模式识别和人工神经网络模式分类在图像识别中也越 来越受到重视。 浙江大学硕士论文 第3 章图像处理软件系统 本章主要讨论我们编写的软件处理系统的结构。软件系统的功能将在第5 章给出 介绍。整个软件系统包括整体框架，图像打开保存模块，图像处理界面模块，图像处 理算法模块，特殊功能界面模块，插件功能实现模块，具体插件实现模块。 3 _ 1整体构成 这套软件系统， 采用m i c r o s o r 公司的v c 编译器开发，选用c c + + 语言编写。 软件设计遵循抽象准则，结构化准则，模块化准则，信息隐蔽和局部化准则。编写程 序遵循以下风格： 1 ) 符合结构化，模块化原则，强调程序易读性。 2 ) 数据的说明应标准化，以便查阅，调试和维护。 3 ) 注意程序的效率，包括时间效率和空间效率。 程序文档说明在制作时遵循以下风格： 1 ) 必要的说明，在程序的适当地方加上简明扼要的注释和必要的说明语句。 2 ) 充分利用分隔符( 如逗号，空格，空白行和其他链接符) ，以便明显隔开不同的 语句成分。 3 ) 正确采用缩进规则，以便明确程序的层次关系。 4 ) 使用恰当的标识符。例如，充分利用程序设计语言的本身的特点，选用合适的 变量类型；为了使程序易读，尽量采用容易记忆且反应问题特征的变量名字等。 5 ) 明确各程序之间的调用关系。例如，在程序的调用首部， 对该程序调用的各 种函数或过程应作必要的说明。 6 ) 使用的语句应简单而直接，不要为了所谓的提高效率而使语句排列拥挤或者程 序过于复杂。 7 ) 对所有输入数据要进行检验，检查其合法性，设计良好的输出报表等。 整个软件系统遵循软件模块化设计原则，除了程序框架以外，其他功能都是以动 浙江大学硕七论艾 态库的形式给出。这样有几个好处：1 ) 当其中一部分代码需要改动时只需要将相应的 动态库薰新编译即可。只要函数接口没有变，就不用将整个工程重新编译。2 ) 形成的 e x e 文件小。3 ) 程序的不同部分或者是不同程序之间可以共享代码。 整个软件系统包括整体框架，图像打开保存模块，图像处理界面模块，图像处理 算法模块，特殊功能界面模块，插件功能实现模块，具体插件实现模块。图像打开， 保存模块是指i m a g e l i b 库。它的主要功能是识别及处理各种不同格式的图像文件，并 将处理结果以统一的数据结构放在内存里面，或者是反过来，把统一的d i b 格式存成 各种格式的文件。图像处理界面模块，即i m a g e d l g 库，和图像处理算法模块i m a g e p r c 库一起实现对图像进行图像处理的功能。特殊功能界面模块是指为了实现一些特殊界 面功能特地写的一些库，比如i m a g e s w i t c h 库，i m a g e m o s a i c 库等。插件功能实现模块， 即i m a g e p l u g i n 库，实现了插件功能，允许用户按照我们提供的方法编写插件。具体 插件实现模块包括我们根据用户需要编写的几个功能插件，即计数功能的i m a g e c o u n t 库，标注功能的i m a g e d i m e n 库等。系统构成可以用图3 1 来表示。 整体系统界面如图3 2 所示。 图31 软件系统结构图 浙江大学硕士论文 3 2软件框架 图3 2 软件框架界面 应用程序框架我们使用了v c 的a p p w i z a r d 牛成的m f c ”应用程序框架，它为 我们生成了具有几乎包含所有基本功能的代码。 m f c 是一个很大的、扩展了的c + + 类层次结构，它能使开发w i n d o w s 应用程序 变得更加容易。m f c 是在整个w i n d o w s 家族中都是兼容的，也就是说，无论是 w i n d o w s 3 。x 、w i n d o w s 9 5 还是w i n d o w sn t ，所使用的m f c 是兼容的。每当新的 w i n d o w s 版本出现时，m f c 也会得到修改以便使旧的编译器和代码能在新的系统中工 作。m f c 也会得到扩展，添加新的特性、变得更加容易建立应用程序。 与传统上使用c 语言直接访问w i n d o w s a p i 相反，使用m f c 和c + + 的优点是 m f c 已经包含和压缩了所有标准的“样板文件”代码，这些代码是所有用c 编写的 w i n d o w s 程序所必需的。因此用m f c 编写的程序要比用c 语言编写的程序小得多。 另外，m f c 所编写的程序的性能也毫无损失。必要时你也可以直接调用标准c 函 塑坚奎兰堡主堡壅一一一 数，因为m f c 不修改也不隐藏w i n d o w s 程序的基本结构。m f c 的最大优点是它做 了所有最难做的事。m f c 中包含了上成千上万行正确、优化和功能强大的w i n d o w s 代码。其中很多成员函数完成了程序员自己可能很难完成的工作。从这点上讲，m f c 极大地加快了程序的开发速度。 m f c 是很庞大的。例如，版本4 0 中包含了大约2 0 0 个不同的类。但是，在程序 中不需要使用所有的函数，可能只需要使用其中的十多个m f c 中的不同类就可以建 立一个非常漂亮的程序。 通过使用m f c 应用程序框架，我们建立了个稳定可靠，功能丰富的基本程序 框架。 3 3 图像打开保存模块i m a g e l i b 库 总的代码量超过1 0 万行。它是一个图像格式的编解码库，功能是打开，保存各种 常见格式的文件。整个模块以c c + + 实现，除了c 运行时库( cr u n t i m el i b r a r y ) 外 不依赖于其它的库，也没有使用平台特有的机制或特性，所以是高度可移植的。目前 以w i n 3 2 作为目标平台，如果有需要可以很方便地移植到u n i x l i n u x 平台，m a c 平台。 i m a g e l i b 作为基础的编解码图像库，还被用在很多其它的软件中。 i m a g e l i b 整个库输出的函数都是可重入( r e e n t r a n t ) 的，就是说多线程可以同时编解 码多个图像。 所谓打开，就是这样一个过程：读入文件的内容，解码成w i n 3 2g d i 直接支持的 标准d i b ( d e v i c e - i n d e p e n d e n tb i t m a p ) 格式。 所谓保存，和打开相反，就是把标准的d i b 格式按用户指定的格式编码，写入文 件。 i m a g e l i b 支持的格式有 b m p w i n d o w sb i t m a p w i n d o w s 或o s 2 2 4 8 2 4 1 3 2b p p r l e 或无压缩 l 腰gj p e gj f i f2 4b i t sr g b ，8 b i t sg r a y s c a l e p n gp o r t a b l en e t w o r kg r a p h i c s g r a y s c a l e r g b f a l a t t e - 浙江大学硕士论文 数，因为 mf c不修改也不隐藏wi n d o w s 程序的基本结构。mf c的最大优点是它做 了所有最难做的事。mf c中包含了上成千上万行正确、优化和功能强大的 win d o w s 代码。其中很多成员函数完成了 程序员自己可能很难完成的工作。从这点上讲， mf c 极大地加快了程序的开发速度。 m f c是很庞大的。 例如， 版本4 .0 中包含了大约2 0 0 个不同的类。 但是， 在程序 中不需要使用所有的函数，可能只需要使用其中的十多个 m f c中的不同类就可以建 立一个非常漂亮的程序。 通过使用 m f c应用程序框架，我们建立了一个稳定可靠，功能丰富的基本程序 框架。 3 . 3图像打开l 保存模块. m a g e l i b 库 总的代码量超过 1 0 万行。它是一个图像格式的编解码库，功能是打开踩存各种 常见 格式的 文 件。 整个模块以c / c + + 实 现， 除了c 运 行时 库 ( c r u n t i m e l ib r a ry ) 外 不依赖于其它的库，也没有使用平台 特有的机制或特性， 所以是高度可移植的。目 前 以wi n 3 2 作为目 标平台， 如果有需要可以 很方便地移植到u n i x / l i n u x 平台， m a c 平台。 i m a g e l ib 作为基础的 编 解码图 像库， 还被用 在很多 其它的软 件中。 i m a g e l i b 整个库输出 的函 数都是可重入 ( r e e n tr a n t ) 的， 就是说多 线程可以 同 时编 解 码多个图像。 所谓 打开， 就是这样一个过程: 读入文件的内容， 解码成wi n 3 2 g d i 直接支持的 标准d i b ( d e v i c e - i n d e p e n d e n t b i t m a p ) 格式。 所谓保存， 和打开相反， 就是把标准的d i b格式按用户指定的格式编码， 写入文 件。 i m a g e l i b 支 持的 格式 有: bmp wi n d o w s b i t m a pw i n d o w s 或o s 2 , 2 / 4 / 8 / 2 4 / 3 2 b p p , pi l e或无压缩 j p gj p eg j f i f 2 4 b it s r g b , 8 b i t s g r a y s c a l e p ng p o r t a b l e n e t w o r k g r a p h i c sg r a y s c a l e / r g b / p a l a t t e , 浙江大学硕士论文 t a g i m a g e f i l e f o r m a t 1 / 2 / 4 / 8 / 1 6 b it s p e r s a m p l e 1 / 2 / 4 / 8 / 1 2 / 1 6 b i t s p e r s a m p l e , 1 / 3 / 4 s a m p l e s p e r p i x e l , 颜色: r g b , b i l e v e l , g r a y s c a l e , p a l a t t e - c o l o r , y c b c t , c i e厂a b 压缩算法: l z w ( d e f a u l t ) , j p e g , d e fl a t e , a d o b e d e fl a t e , p a c k b i t s , p i x a r l o g , n o n e c o打 r l e , c c i tt r l e i w, c c i tt g r o u p 3 , c c i t t g r o u p 4 , t h u n d e r s c a n , n e x t , o l d - s ty l e j p e g , i s o j b i g , s g i l o g , s g i l o g 2 4 支持多页文件的读写 c o m p u s e r v e g i f p cx t a r g a p h o t o s h o p p s d ve r s i o n 8 9 a , 1 / 4 / 8 b p p l z w( d e f a u l t ) . r l e 和无压缩 支持多页图像。支持动画 r l e 压缩，1 / 4 / 8 / 2 4 / 3 2 b p p , r g b / g r a y s c a l e 8 / 2 4 b p p b i t m a p / g r a y s c a le / i n d e x e d / r g b / c y mk / l a b / d u o t o n e 模式，1 / 8 / 1 6 b i t s p e r s a m p l e , r l e或无乐缩 不支持保存文件 j o i n t b i - l e v e l i m a g e e x p e rt s g r o u p wi n d o w s i c o n 值图像的国际i t .缩标准 解码成多贞图像，不支持写多页图像 e n h a n c e d me t a fl ewi n d o ws nt / 9 x wi n d o ws me t a f i l ewi n d o ws 3 . x wi r e l e s s b i t m a p宽度高度 ;m d , u i n t i d ) ; _ p d d l l_ p o r t_ b o o l c d e c l p d _ d i f f u s e ( v o i d * * p p ( l i b , h wn d h w n d , u i n t i d ) ; _ p d d l l_ p o r t_ b o o l c d e c l p d - ,g r a n u l a t e ( v o i d * * p p d i b , h wn d h w n d . u i n t i d ) ; _ p d d l l -po rt - b o o l c d e c l p d _ r a n g e ( v o i d * * p p d i b , h wn d h w n d , u i n t i d 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