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圖像效果算法設計(一)
隨著電影特效處理，廣告平面設計等行業的興起，圖像處理軟件成為眾行業一個不可或缺的角色。為了進一步了解該行業軟件的特性，實現思想和方法，故制作了這個以圖像算法設計為主的軟件。
本軟件參考了adobe公司的photoshop的部分圖像處理功能，在編寫效果代碼時主要運用了矩陣運算，還有求平均值,求差值等方法。這個軟件是針對pf24bit的位圖，利用其每個像素點都包含3個字節的原理，對其3個字節進行數學運算來實現圖像算法。另外適當添加了一些看圖輔助功能，并結合delphi的BussinessSkinForm控件大大美化了界面。
本文主要介紹了在delphi中，利用各種不同的算法來實現建立在位圖上的不同效果，其中主要介紹的有曝光、浮雕、馬賽克、模糊、銳化、添加雜色、噴濺、霓虹、90度旋轉、水平翻轉、垂直翻轉。另外還做了當步撤銷和圖像的縮放，還有簡單的jpg，bmp的格式轉換。
[關鍵詞]：圖像處理，算法設計，BussinessSkinForm
Picture effect algorithm design
-static state effect
Abstract
Along with movie special effect processing and advertisement plane design profession starting, picture processing software becomes a numerous professions indispensable role. In order to further understands the characteristic , the realization thought and the method to this kind of profession software,whifhfdhfdgdfch is by the picture algorithm design primarily.
This software has referred to the partial pictures processing function of adobe Corporation's software which name is photoshop. When compilation effect code, mainly has utilized the mathod of matrix operation，Computation Mean value and different value. This software is aims at pf24bit the position chart, uses its each pixel all to contain 3 bytes the principles, carries on mathematics to its 3 bytes to operate realizes the picture algorithm.Moreover suitably increased some map-read assistance functions, and unified delphi BussinessSkinForm Controls to greatly beautify the surface.
This article mainly introduced in delphi, uses each different algorithm to realize the establishment to reign on the chart different effect, mainly introduces has the exposure, the relief, the mosaic, is fuzzy varicolored, the peaking, the increase, splatters, the neon, 90 revolves, the level turn over, the vertical turn over. Moreover also did has worked as step of cancellation and picture 縮放, but also had simple jpg, the bmp format conversion.
[Key word]: Picture processing, algorithm design, BussinessSkinForm
目 錄
第1章 引言………………………………………………………………………4
1.1 課題背景……………………………………………………………………4
1.2 研究課題的任務、目的和意義……………………………………………4
1.3 系統的主要功能與特色……………………………………………………5
第2章 系統需求分析………………………………………………………….…7
2.1 本課題研究現狀分析………………………………………………………7
2.2 要解決的技術難點及解決方法……………………………………………7
2.3 系統設計的主要內容、目標………………………………………………8
2.4 系統開發的環境和工具……………………………………………………9
第3章 系統詳細設計與主要算法………………………………………………10
3.1 系統的體系結構和功能設計……………………………………………...10
3.2 系統各個模塊的設計思路及實現方法…………………………………...12
3.2.1 主窗體程序模塊……………………………………………………. 12
3.2.2 圖像處理模塊………………………………………………………..15
3.2.3 效果參數程序模塊…………………………………………………..19
3.2.4 幫助模塊……………………………………………………………..20
第4章 系統的界面與測試………………………………………….……………22
4.1 系統界面………………………………………………………………… 22
4.2 環境測試………………………………………………………………… 23
結束語………………………………………………………25
致謝…………………………………………………………25
參考文獻……………………………………………………26
引言
§1.1課題背景
市場上的圖像處理軟件大都功能強大，需要好一陣子適應，普通的用戶根本用不到那么多的功能。所以，可以開發一種簡單小巧，可進行基本圖像處理，主要針對數碼照片進行處理及瀏覽的軟件。
圖像處理用到的算法多種多樣，單是邊緣檢測包括梯度算子，方向算子，二階算子。然后每種算子又可再細分，如梯度算子還包括Roberts, Sobel, Prewit三種。另外模糊，銳化等也都有相應的多種算法，這點在大型的圖像處理軟件中尤為多見。采用不同的算法對最終實現的效果有很大的影響，一般情況下，采用越是復雜的矩陣越是能達到理想的效果。可是矩陣的階數越多越難實現，尤其還要變化成程序的格式，很容易出錯。所以我打算主要從3階的矩陣入手，研究一些簡單易懂的算法。
在算法中，主要通過調整圖像RGB之間的關系。或者是相鄰點之間R或G或B的關系。由此就要了解三基色原理，還有在計算機中，0～255這個范圍表示的顏色值。例如，當RGB都等于255的時候，顏色為黑色，都等于0的時候顏色為白色，由此也可以很方便的通過增減參數來調整圖像的亮度，再根據三基色原理便可以通過單獨增減R或G或B的值來調整圖像的整體顏色，也可成為通道。
Delphi作為軟件開發的一種工具，具有開發速度快，程序容易掌握，編譯快，功能容易實現等特點。它所具有的強大控件組也是其他開發軟件所沒有的。它的強大功能，不但可以很容易地找到程序地出錯點，還可以在短期內開發完成一個軟件項目。它完成一個功能相對其他開發軟件只需要少量的代碼，且運行速度很快。除此之外，Delphi的界面還可以根據設計者的需要，通過編輯可以達到很漂亮的效果。
§1.2研究課題的任務、目的、意義
1.2.1課題的任務
實現圖片的導入及保存；
實現圖像的瀏覽：縮放與旋轉；
實現圖像亮度、對比度、飽和度等調節功能；
實現圖像的濾鏡效果；
1.2.2課題的目的
(1) 熟悉delphi軟件開發平臺，熟悉編程語言；
(2) 研究圖像效果算法，將高等數學，線性代數等理論結合到編程實踐中去，提高邏輯思維能力，和理論聯系實際的實踐能力；
(3) 真正系統地了解一個軟件的整體開發過程；
1.2.3課題的意義
通過小型圖像處理軟件的編寫，
首先，大大提高了編程水平以及邏輯思維能力；
其次，進一步熟悉了軟件的制作流程及制作思路；
再次，進一步了解了相關圖像處理軟件的功能實現方法；
最后，為再次開發奠定了基礎。
§1.3系統的主要功能與特色
1.3.1系統的主要功能
圖像的打開及保存：支持jpg，bmp，ico，wmf，emf文件的導入及jpg,bmp,ico文件的保存。
圖像編輯：圖像的單步撤銷和重做；整幅圖的復制，剪切，粘貼，清除；
圖像調整：位圖變換（90度旋轉，水平翻轉，垂直翻轉），取反色，取黑白兩色，灰度圖變換。可以用滑動工具條改變參數的有對比度，亮度，飽和度，RGB；
圖像濾鏡：曝光效果，浮雕效果�？梢杂没瑒庸ぞ邨l改變參數的有銳化，模糊，添加雜色，噴濺效果，馬賽克效果，霓虹效果；
在工具條一欄新增了放大縮小的效果：不會改變位圖的實際大小，保存的時候以位圖原先大小為準；
設置當前圖像為壁紙：在鼠標右擊圖像顯示的菜單中有該功能，可以設置圖像為居中，平鋪或者拉伸的效果。同時會保存名為WallPaperByDltjy的文件到該軟件所存放的文件夾。
顯示圖片路徑及實際寬和高：在軟件最底端的工具欄會自動顯示。
1.3.2系統的特色
采用Object Pascal面向對象語言，Delphi 7.0軟件開發平臺，并結合Billeniumeffect界面控件，具有運行速度快，操作簡便容易上手，小巧精致，界面美觀等特點�？梢赃M行基本的圖像處理，對不滿意的數碼照片進行顏色調節，或對比度調節等。
系統需求分析
§2.1本課題研究現狀分析
隨著計算機技術的日新月異，各種各樣的圖像處理軟件也不斷涌現于市場。比較知名的有adobe公司的photoshop，友立公司的我行我速，還有acdsee等等。其中最為暢銷的當數功能強大的photoshop。該軟件用到的圖像處理算法被眾多人所關注，并試圖研究其研發思維和方法。于是接著出現了許許多多具有與其處理功能相類似的軟件�，F在的該類產品幾乎都要滿足普通用戶的需求，界面要美觀要整潔，功能還要易學易用。面對這么多形形色色的相關產品，想研發一個在市場上占有一席之地的實在很難。只能是從軟件的小巧及實現基本的功能方面著手，先試著實現基本的一些處理效果。
§2.2要解決的技術難點及解決方法
圖像的導入：導入圖像的時候會出現閃爍的狀況，這時候采用delphi的雙緩沖功能來解決；要使得畫布上的圖像可以支持其他的效果編輯，必須將其先轉換成位圖bitmap，解決辦法就是新建一個過程loadpicturefromfile，在該過程中，給出當導入的圖片文件為某種類型的時候所對應的處理方案，例如bmp本來就是位圖，那就可以直接導入，如果是jpg的就要建立一個Tjpgimage先導入該圖像，然后對其進行像素化，轉換為位圖；
撤銷及重做：本來想實現多步撤銷及重復的功能，于是考慮到用雙向鏈表，可是由于要考慮的問題太多了，當每執行一步新操作都要保存圖像并且把圖像地址保存到鏈表中，并記錄其當前在鏈表中位置。執行撤銷的時候又要調用鏈表中的指針及數據，結果就在鏈表中節點的新建和刪除的時候出現了錯誤，由于時間不夠，我對雙向鏈表這方面籌集的資料還不夠，所以只好暫時放棄多步撤銷�，F在采用的方法是通過再增加4個image，利用它們之間的位圖數據調用來實現的，只能單步撤銷及重做。
放大及縮�。簞傞_始的時候是通過改變位圖的實際大小來實現縮放，后來發現這樣不行，會丟失大量的圖片數據，而且我設想的放大縮小應該是要保存的時候還保持和原先導入時一樣的大小。上網籌集解決方案后終于得到解決辦法：通過改變Timage的Stretch屬性為真，AutoSize屬性為假，然后在放大縮小的時候只要縮放它的寬和高的比例就可以了，這樣又可以達到瀏覽的目的，又可以保證原圖的實際大小不發生變化，更不會有圖像數據丟失的問題。雖然編寫出的程序沒有多少行，可是方法卻很關鍵。
附加的界面控件Billeniumeffect的使用：作為一個界面控件，它用它所有帶bsskin前綴的控件代替了delphi中的可視控件，這樣方便界面的編輯�？墒�，麻煩在于，該控件的用法并不是跟delphi原控件全都一樣的，有的改變了屬性，有的改變了用法。其中有用到的一個關鍵的控件就是scollbox滾動條，當圖片大于畫布最大尺寸的時候，就要用滾動條拖拉以顯示其他未顯示的尺寸。在delphi中只要直接拖用控件scollbox就可以解決問題�？墒荁illeniumeffect不同。后來借鑒了其他人做的關于Billeniumeffect控件使用的例子。原來不單要用到scollbox，而且還要拖用兩個scollbar放在panel或groupbox上控制橫向和豎向的拖動。
效果調整中的參數設置：每個算法都有其不同的參數設置問題，利用矩陣算法的尤其不好解決參數的調節問題。解決方法：多了解幾種算法，采用容易調節參數及實現效果比較完美的算法。
效果的多樣性研究問題：看到很多其他軟件實現的效果，很漂亮，可是從效果猜想它的算法實在很難。解決方法：多參考圖形學，圖像處理算法等相關書籍，在編寫程序的時候可以試著改變某算法的矩陣各個位置的值，或改變等式中的某個參數，也可以自己增加一個變量用以實現不同的效果。
§2.3系統設計的主要內容、目標
§2.3.1 系統設計的主要內容
實現圖片的讀取和保存；
實現圖片的基本處理功能：如亮度、對比度、RGB等；
實現圖片的瀏覽功能：縮放、旋轉；
實現多樣化的濾鏡；
實現基本的撤銷重做以及圖像的復制，粘貼等；
§2.3.2 系統設計的目標
不出現異常警告，盡量減少bug；
界面整潔美觀；
軟件小巧，不占用太多內存；
運行速度快；
效果算法實用，耐用；
達到普通用戶處理數碼相片的需求。
§2.4系統開發的環境和工具
操作系統：Microsoft Windows 2000 Professional
編程語言：Object Pascal面向對象語言
開發工具：
●程序編寫和界面設計： Delphi 7.0軟件開發平臺，結合Billeniumeffect界面控件。
●其他：
幫助文件及開始動畫制作：flash動畫軟件flashMX 2004。
軟件圖標制作：矢量圖形工具 Adobe Illustrator CS。
第三章 系統詳細設計與主要算法
§3.1系統的體系結構和功能設計
體系結構簡介(具體展開描述在3.2)：
※photo是調用所有窗體的單元，并且記錄每個form窗體與其對應的unit單元名稱；
※主窗體程序模塊：負責主窗體form1的程序調用，存放了整個系統中主要的程序，以及對其他各個單元的調用程序。要打開form2和form3兩個窗體需要先調用該模塊的程序；
※效果參數程序模塊：負責form2的程序調用，主要存放可通過Ttrackbar滑動工具條實現效果參數調節的程序代碼；
※圖像處理模塊：存放幾乎所有的圖像算法程序，專門提供給其它單元隨時調用；
※幫助模塊負責form3窗體，顯示幫助信息。
§3.2系統各個模塊的設計思路及實現方法
3.2.1 主窗體程序模塊
◆打開圖片(用到的過程和函數):
procedure OpenPicture;用于打開文件的時候把非bmp的圖片像素化為位圖導入到image1的畫布上。
function LoadPictureFromFile(const FileName: string): TBitmap;
用于像素化非位圖圖像的函數，在過程openpicture中被調用。
procedure SetPictureMiddle;用于圖片打開成功后可以在畫布上居中顯示。
流程圖如下：
◆保存圖片及另存圖片
(1)保存圖片 (2)另存圖片
◆圖像撤銷及重做
建立一個過程procedure undouse;用于在每次執行新操作的時候都把當前圖像保存到image2～image5中去，并調整image2～image5的圖像。
調整如下(將前者的bitmap位圖，assign分配給后者)：
image1->image4,image1->image2,image5->image3,image5->image4,image1->image5.
然后在每個新操作執行完的時候都要執行一次這個過程，以保證及時能更新要撤銷的圖像。
撤銷
繼續調整image2～image5的關系：
image1->image4,image3->image1,image1->image5.
重做
調整image2->image1
◆圖像的復制、粘貼、剪切、清除
剪切：先將當前位圖復制，然后將其每點轉換為白色。再將剪切的圖像信息轉jpg保存，方便粘貼的時候調用。
◆位圖變換：90度旋轉，圖像垂直翻轉，水平翻轉。
90度旋轉：調用過程procedure Rotatepicture(Bitmap: TBitmap);該過程主要以創建內存流和創建指針，并將其進行指針轉移，數據轉移后，逐列逐點存入數組中來實現圖像的90度翻轉。
垂直翻轉：通過scanline掃描，建立兩個Tbitmap進行對稱列之間的字節交換，從而完成垂直翻轉。
水平翻轉：原理和垂直翻轉一樣，不過它是通過對稱行之間的字節交換來實現的。
◆圖像的反色、兩色及灰度處理
反色：通過scanline掃描，對位圖的每個點進行邏輯非操作。
兩色：先把像素點上的三個字節乘以分別乘以一個小數（它們分別是0.3，0.59，0.11，是根據YUV顏色空間，Y分量的物理含義就是亮度，它包含了灰度圖的所有信息，只求Y的值就可以得到灰度圖，Y＝0.3*R+0.59*G+0.11*B），然后處理得到改點在0～255之間的一個值。分析該值，如果大于128就將它的值改變為255（黑色），如果小于128就改為0（白色）。
灰度：對圖像每個點的RGB取平均值，并將平均值賦予取值點。
◆圖像的縮放
通過設置image1的屬性image1.AutoSize:=false;image1.Stretch:=true;然后就可以通過同時調整image1的寬、高來實現圖像的縮放。
◆界面切換
在form窗體中拖放多個TbsStoredSkin控件，分別載入指定目錄下編輯好的界面文件skin.ini，然后改變bsSkinData1中的storeskin屬性，使其指向特定的TbsStoredSkin，即可完成切換。
3.2.2 圖像處理程序模塊
全部靠效果參數程序模塊和主窗體程序模塊的調用實現效果。
◆圖像的對比度、飽和度、亮度、RGB調節
對比度：為了達到理想的效果同時用了兩個方法，一個方法用于控制變量值為正的時候（提高對比度），另一個方法控制變量值為負的時候（降低對比度）。
方法一：分別分析每個點的RGB值，大于128的就加上變量，小于的就減去變量（此時變量為正）。
方法二：變量的絕對值越大，圖像就越接近RGB皆為127的灰色。如：針對某點的R值，取r＝（R－127）*（變量 /255），然后再把r＋R賦值給R，那么變量取值－255的時候，R＝127。G和B也和R的原理一樣。
飽和度：如圖，amount為變量，用于進度條調節。I=255循環結束。
亮度：每點的RGB值都分別加上同一個變量。
RGB調節：如調節R，把R值加上當前指定的變量（滑動條的值）。G
和B的方法同R。
◆濾鏡：曝光和浮雕（沒有做滑動條調節變量的功能）
曝光：掃描圖像，當一個點的R值小于128的時候，就對其取非。G和
B也同R一樣方法。
浮雕：分為浮雕和雕刻，掃描的時候分別掃描兩行或兩列，掃描后取相
鄰點的R差值，差值＝R[i]-R[i+1]，然后再進行賦值，R＝差值＋128。G和B同R一樣方法。最后，再對RGB取平均值（R＋G＋B）/3，將該平均值賦給RGB，這樣浮雕就不會有一些雜色。
浮雕和雕刻的區別：差值的等式不一樣，雕刻的差值＝R[i+1]-R[i]。
◆濾鏡：銳化、模糊、雜色、噴濺、馬賽克、霓虹
銳化：
模糊：如圖3-10，圖中每個圈內數字為3的是當前的點，這個圖上的其
它點都和當前點在同一掃描行上，2為3的相鄰點，1為2的另一個相鄰點。
如：針對當前點的R值
R[I]=(3*R[I]+2*R[I-1]+2*R[I+1]+1*R[I-2]+1*R[I+2])/9，這就是當前點的未來取值與其相鄰點和當前點之間的關系。R[I]等式注解：R[I]表示當前點，對應圖中的3，R[I-1]和R[I+1]分別對應圖中的2，R[I-2]和R[I+2]分別對應圖中的1。
雜色： 設定一個隨機數，隨機數范圍由變量（滑動條的值）決定，把每
個點的RGB值都分別加上該隨機數。
噴濺：針對每個像素點取隨機數運算（當前點坐標（i，j）
然后在位圖范圍內，把新取的坐標點（x，y）的像素信息賦給原點（i，j）。
馬賽克：從圖像的第一個點開始掃描，把它的字節賦給后面一定范圍內的所有點。該范圍可以通過變量設定，使用多個repeat……until語句，分別對行上的點進行賦值，直到達到變量范圍的時候停止循環，繼續范圍外的下一個點。
霓虹：利用邊緣檢測算法，采用prewitte邊緣算子
根據上面的矩陣再求當前像素點處理后的三個字節值，分別為：
max（r，R）,max（g，G），max（b，B）
3.2.3 效果參數程序模塊
該模塊主要調用圖像處理模塊的圖像處理過程，并安排每次打開form2窗體的時候要顯示的處理效果。凡是有用到滑動條trackbar調整變量值的效果都要經過該模塊調用圖像處理模塊的過程來實現。
例如：運行程序.exe，點擊調節－對比度調節，這時候跳出一個窗體，該窗體就是源文件中的form2窗體，這時拉動該窗體上的滑動條，程序就會調用圖像處理模塊中的過程procedure ContrastChange(SrcBmp:Tbitmap;Amount:integer);對當前的Tbitmap進行效果處理，滑動條的value值就是Amount變量的值。點擊窗體上的確定按鈕，就會把當前滑動條的值賦給Amount，然后對主窗體上的圖像進行效果處理。
另外，考慮到如果原圖太大的話在form2窗體中利用滑動條看預覽效果的時候會出現反應速度慢，占用內存太大的問題，所以又引入一個過程procedure TForm2.LoadImage(InputBmp:Tbitmap);用來在創建一個新圖像，該圖像高、寬的比例和原圖一樣，但是大小限制在一個固定的范圍內。
3.2.4 幫助模塊
關于：控制窗體form3，顯示制作者信息。
幫助：調用外部文件，顯示幫助信息。
由于不善于編寫chm格式的幫助文件，所以這里采用的是flash的幫助文件。
優點：可以只有設計界面，還可以實現動畫的互動效果。
要在delphi中顯示flash文件，首先，必須確定電腦上安裝有flash插件，然后，在delphi的Component菜單項選Import ActiveX Control選項，接下來在Import ActiveX Control項就會有Shockwave Flash (版本號)這項出現，選中它再按Install按鈕安裝。這時，查看ActiveX一欄下，可以看到新安裝的控件shockwaveflash，拖放該控件到窗體上，可以通過改變其movie屬性，改變訪問電腦上flash文件的路徑。
把flash上的按鈕和delphi的事件聯系起來：
先在flash所在的窗體的Tshockwaveflash控件設置下列event事件：
procedure TForm4.ShockwaveFlash1FSCommand(ASender: TObject; const command,args: WideString);
begin
if command='quit' then
begin
form4.Close;
end;
end;
然后設置flash源文件里所需的按鈕的fscommand命令：點擊該按鈕，在動作里寫上以下代碼
on(press,release) //鼠標事件
{
fscommand(“quit”);
}
這樣，在delphi的可運行文件上運行swf文件的時候，只要點擊flash上的帶有fscommand指令的按鈕，就可以根據該指令指向的命令，對delphi的可運行文件作出反應。
根據這個原理也可以利用flash制作delphi編譯程序的界面。
第四章 系統的界面與測試
§4.1系統界面
拖動滑動條的同時，右邊的圖像會跟著對應的滾動條參數變化。左邊的為原圖，方便對照用的。（需要用到滑動條的其他效果還有：亮度、飽和度、RGB調節、銳化、模糊、雜色、噴濺、馬賽克、霓虹）
§4.2環境測試
測試計算機配置：x86 Family 6 Model 83
AT/AT COMPATIBLE
195,056 KB RAM
測試系統： Microsoft Windows 2000
5.00.2195
Service Pack 4
觀察windows任務管理器：
在運行photo.exe之前cpu使用7％，剛打開文件的瞬間，cpu使用50％，然后有迅速降到7％，繼續觀察其它數據，當前沒有操作的時候該程序的cpu使用為0，內存使用為7，856 K。
打開89.2 K的一張jpg圖片，內存使用增加到11，084 K。再對其進行圖像處理，除了濾鏡噴濺執行的時候對cpu的要求比較大外，其他效果都只有少量的cpu使用率。噴濺的程序雖然不多，但是程序的語句循環中再加循環，調用次數比較多，所以，若是比較大的圖像進行該效果處理的時候，要等一段時間才可以處理完。
系統兼容方面，在windowsXP系統上也測試通過。
結束語
經過幾個月的資料積累和編程實踐，終于完成了這個圖像處理軟件。通過這次鍛煉，對delphi軟件開發平臺更加熟悉了，同時也對制作一個軟件有了更新的認識，擴展了思維空間。
這個軟件已經可以進行基本的圖像處理，可以瀏覽并且編輯單張的圖片。不過不足的是，由于技術上的欠缺，沒有制作選定范圍的工具，所以圖像編輯一欄的復制粘貼都只能針對整幅圖像。另外模糊、銳化、還有飽和度調整的效果都不夠符合預期的要求，噴濺效果執行時又占用太多cpu，需要將來解決技術難點后重新改善算法�？赡苓�有一些細節的地方做的不夠，為了自己的心血沒有白流，所以即使畢業設計結束了，以后編程中也會繼續補充它們，繼續完善這個系統。
致謝
本課題是在老師的細心指導和同學們的熱心幫助下完成的。感謝導師為我們提供資料和意見，并經常抽空給我們講解開發要求及思路，講解我們在開發過程中遇到的難題，還幫我們制定計劃，分配任務。感謝其他同學能在我隨時需要幫助的時候盡自己所能幫我解決問題。
參考文獻
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