第三章图像的几何变换

第三章图像的几何变换第三章图像的几何变换3.1几何变换基础3.2图像比例缩放3.3图像平移3.4图像镜像3.5图像旋转3.6图像复合变换3.7应用实例第三章图像的几何变换3.1几何变换基础3.1.1概述图像的几何变换，就是按照需要使图像产生大小、形状和位置的变化。从变换的性质分：图像的几何变换有平移、比例缩放、旋转、反射、镜像等基本变换；透视、转置等复合变换，以及插值运算等。除了插值运算外，常见的图像几何变换可以通过与之对应的矩阵线性变换来实现。第三章图像的几何变换为了能够用统一的矩阵线性变换形式来表示和实现这些常见的图像几何变换，需要引入一种新的坐标，即齐次坐标。3.1.2齐次坐标现设点P0(x0,y0)进行平移后，移到P(x,y)，其中x方向的平移量为Δx，y方向的平移量为Δy。那么，点P(x,y)的坐标为yyyxxx00如图3-1所示：第三章图像的几何变换Oyxy0yxx0P0(x0,y0)P(x,y)图3-1点的平移第三章图像的几何变换yxyxyx001001这个变换用矩阵的形式可以表示为第三章图像的几何变换要实现平移变换，平面上点的变换矩阵需要使用2×3阶变换矩阵，取其形式为dcbaTyxT1001此矩阵的第一、二列构成单位矩阵，第三列元素为平移常量。第三章图像的几何变换所以需要在点的坐标列矩阵［xy］T中引入第三个元素，增加一个附加坐标，扩展为3×1的列矩阵［xy1］T，这样用三维空间点（x,y,1）表示二维空间点（x,y），即采用一种特殊的坐标，可以实现平移变换，变换结果为yxyyxxyxyxPTP0000011001由此可得平移变换矩阵为：yxT1001第三章图像的几何变换111100100100000yxyyxxyxyxPTP通常将2×3阶矩阵扩充为3×3阶矩阵，以拓宽功能。下面再验证一下点P(x,y)按照3×3的变换矩阵T平移变换的结果。从上式可以看出，引入附加坐标后，扩充了矩阵的第3行，并没有使变换结果受到影响。这种用n＋1维向量表示n维向量的方法称为齐次坐标表示法。第三章图像的几何变换因此，2D图像中的点坐标(x,y)通常表示成齐次坐标（Hx,Hy,H），其中H表示非零的任意实数，当H＝1时，则(x,y,1)就称为点(x,y)的规范化齐次坐标。由点的齐次坐标（Hx,Hy,H）求点的规范化齐次坐标(x,y,1)，可按如下公式进行：HHyyHHxx第三章图像的几何变换齐次坐标的几何意义相当于点(x,y)落在3D空间H＝1的平面上，如图3-2所示。如果将XOY平面内的三角形abc的各顶点表示成齐次坐标(xi,yi,1)(i=1,2,3)的形式，就变成H＝1平面内的三角形a1b1c1的各顶点。zxyOabca1b1c1H＝1图3-2齐次坐标的几何意义第三章图像的几何变换3.1.3二维图像几何变换的矩阵利用齐次坐标改成3×3阶形式的变换矩阵，实现2D图像几何变换的基本变换的一般过程是：1、将2×n阶的二维点集矩阵表示成齐次坐标2、然后乘以相应的变换矩阵即可完成。即变换后的点集矩阵=变换矩阵T×变换前的点集矩阵（图像上各点的新齐次坐标）（图像上各点的原齐次坐标）niiyx200niiyx3001第三章图像的几何变换设变换矩阵T为smlqdcpbaT则上述变换可以用公式表示为nnnnnnyyyxxxTHHHHyHyHyHxHxHx321213''2'1''2'1111第三章图像的几何变换图像上各点的新齐次坐标规范化后的点集矩阵为nnnyyyxxx3''2'1''2'1111引入齐次坐标后，表示2D图像几何变换的3×3矩阵的功能就完善了，可以用它完成2D图像的各种几何变换。下面讨论3×3阶变换矩阵中各元素在变换中的功能。几何变换的3×3矩阵的一般形式为第三章图像的几何变换smlqdcpbaT3×3的阶矩阵T可以分成四个子矩阵。其中，这一子矩阵可使图像实现恒等、比例、反射（或镜像）、错切和旋转变换。［pq］T这一列矩阵可以使图像实现平移变换。［lm］这一行矩阵可以使图像实现透视变换，但当l=0，m=0时它无透视作用。［s］这一元素可以使图像实现全比例变换。例如，将图像进行全比例变换，即22dcba第三章图像的几何变换syxyxsiiii10001000100将齐次坐标规范化后，。由此可见，当s＞1时，图像按比例缩小；当0＜s＜1时，整个图像按比例放大；当s＝1时，图像大小不变。syxii1100iiiiyxsysx第三章图像的几何变换3.2图像比例缩放3.2.1图像比例缩放变换图像比例缩放是指将给定的图像在x轴方向按比例缩放fx倍，在y轴方向按比例缩放fy倍，从而获得一幅新的图像。如果fx＝fy，即在x轴方向和y轴方向缩放的比率相同，称这样的比例缩放为图像的全比例缩放。如果fx≠fy，图像的比例缩放会改变原始图像的像素间的相对位置，产生几何畸变。第三章图像的几何变换3.2图像比例缩放设原图像中的点P0(x0,y0)比例缩放后，在新图像中的对应点为P(x,y)，则P0(x0,y0)和P(x,y)之间的对应关系如图3-3所示。放大后缩放前xy(x,y)(x0,y0)O第三章图像的几何变换比例缩放前后两点P0(x0,y0)、P(x,y)之间的关系用矩阵形式可以表示为11000y000100yxffxyx（3-1）公式（3-1）的逆运算为11000y10001100yxffxyx第三章图像的几何变换即fyyyfxxx00比例缩放所产生的图像中的像素可能在原图像中找不到相应的像素点，这样就必须进行插值处理。第三章图像的几何变换首先讨论图像的比例缩小：最简单的比例缩小是当fx=fy=1／2时，图像被缩到一半大小，图像缩小之后，因为承载的信息量小了，所以画布可相应缩小。此时，只需在原图像基础上，每行隔一个像素取一点，每隔一行进行操作，即取原图的偶（奇）数行和偶（奇）数列构成新的图像，如图3-4所示。图3-4图像缩小一半第三章图像的几何变换如果图像按任意比例缩小，则需要计算选择的行和列。如果M×N大小的原图像F(x，y)缩小为kM×kN大小（k1）的新图像I(x，y)时，则I(x,y)=F(int(c×x),int(c×y))其中，c=1／k。由此公式可以构造出新图像，如图3-5所示。k＝1/3图3-5图像按任意比例缩小第三章图像的几何变换当fx≠fy(fx,fy＞0)时，图像不按比例缩小，这种操作因为在x方向和y方向的缩小比例不同，一定会带来图像的几何畸变。图像不按比例缩小的方法是：如果M×N大小的旧图像F(x，y)缩小为k1M×k2N（k11，k21）大小的新图像I(x，y)时，则I(x,y)=F(int(c1×x),int(c2×y))其中2211,11kckc由此公式可以构造出新图像。图像在缩小操作中，是在现有的信息里如何挑选所需要的有用信息。第三章图像的几何变换其次讨论图像的比例放大：在图像的放大操作中，则需要对尺寸放大后所多出来的空格填入适当的像素值，这是信息的估计问题，所以较图像的缩小要难一些。第三章图像的几何变换当fx＝fy＝2时，图像被按全比例放大2倍，放大后图像中的(0，0)像素对应于原图中的(0，0)像素；(0，1)像素对应于原图中的(0，0.5)像素，该像素不存在，可以近似为(0，0)也可以近似(0，1)；(0，2)像素对应于原图像中的(0，1)像素；(1，0)像素对应于原图中的(0.5，0)，它的像素值近似于(0，0)或(1，0)像素；(2，0)像素对应于原图中的(1，0)像素，依此类推。第三章图像的几何变换图3-6放大前的图像第三章图像的几何变换图3-7按最近邻域法放大两倍的图像第三章图像的几何变换一般地，按比例将原图像放大k倍时，如果按照最近邻域法则需要将一个像素值添在新图像的k×k的子块中，如图3-9所示。显然，如果放大倍数太大，按照这种方法处理会出现马赛克效应。第三章图像的几何变换图3-9按最近邻域法放大五倍的图像放大5倍第三章图像的几何变换•当fx≠fy(fx,fy＞0)时图像在x方向和y方向不按比例放大，此时，这种操作由于x方向和y方向的放大倍数不同，一定带来图像的几何畸变。放大的方法是将原图像的一个像素添到新图像的一个k1×k2的子块中去。第三章图像的几何变换灰度级插值处理可采用如下两种方法。第一种方法，可以把几何变换想像成将输入图像的灰度一个一个像素地转移到输出图像中。如果一个输入像素被映射到四个输出像素之间的位置，则其灰度值就按插值算法在四个输出像素之间进行分配。把这种灰度级插值处理称为像素移交（pixelcarryover）或称为向前映射法，如图3-30所示。第三章图像的几何变换图3-30灰度级插值处理（像素变换）像素移交像素填充x0x0f(x,y),(x0,y0)整型f(x,y),(x0,y0)非整型g(x,y),(x,y)非整型g(x,y),(x,y)整型yxxyy0y0第三章图像的几何变换灰度级插值处理另一种更有效的灰度级插值处理方法是像素填充（pixelfilling）或称为向后映射算法。输出像素一次一个地映射回到原始（输入）图像中，以便确定其灰度级。如果一个输出像素被映射到四个输入像素之间，则其灰度值由灰度级插值决定，如图3-30所示。向后空间变换是向前变换的逆变换。第三章图像的几何变换在像素填充法中，变换后（输出）图像的像素通常被映射到原始（输入）图像中的非整数位置，即位于四个输入像素之间。因此，为了决定与该位置相对应的灰度值，必须进行插值运算。最简单的插值方法是零阶插值或称为最近邻插值，也叫最近邻域法。第三章图像的几何变换图3-31双线性插值插值点f(0,0)f(0,1)f(1,0)f(x,y)(x,0)(x,y)(0,y)(0,1)y(0,0)f(1,1)(1,1)(x,1)x(1,0)第三章图像的几何变换3.3图像平移3.3.1图像平移变换x＝2,y＝1图3-12图像平移第三章图像的几何变换设点P0(x0,y0)进行平移后，移到P(x,y)，其中x方向的平移量为Δx，y方向的平移量为Δy。那么，点P(x,y)的坐标为yyyxxx00利用齐次坐标，变换前后图像上的点P0(x0,y0)和P(x,y)之间的关系可以用如下的矩阵变换表示为11001001100yxyxyx（3-2）第三章图像的几何变换对变换矩阵求逆，可以得到式（3-2）的逆变换11001001100yxyxyx即yyyxxx00第三章图像的几何变换3.4图像镜像3.4.1图像镜像变换图像的镜像(Mirror)变换分为两种：一种是水平镜像，另外一种是垂直镜像。图像的水平镜像操作是将图像左半部分和右半部分以图像垂直中轴线为中心进行镜像对换；图像的垂直镜像操作是将图像上