數字圖像處理(4)：圖像縮放（C語言實現）

1. 定義（摘自維基百科）

在計算機圖形學中，圖像縮放指的是通過增加或去掉像素來改變圖片的尺寸。由於要在效率和圖像質量比如平滑度和清晰度之間做折衷，圖像縮放並不是個簡單的過程。當圖像尺寸增大的時候，組成圖像的像素也越來越大，圖像看上去就變"柔和"了。而縮小圖像的時候，圖像就變得平滑和清晰了。

除了爲了適應顯示區域而縮小圖片外，圖像縮小技術更多的是被用來產生預覽圖片。圖像放大技術一般被用來令一個較小的圖像填充一個大的屏幕。當你放大一張圖像時，你不能可能獲得更多的細節，因此圖像的質量將不可避免的下降。不過也有很多技術可以保證在放大圖像即增加像素的時候，圖像的質量不變。

2.方法及實現

2.1 圖像縮小

爲了能夠更好的觀察效果，選用了比較小的圖片（200*200）進行處理。

圖像縮小相對比較簡單，由於縮小必定損失信息量，所以個人感覺需要考慮的是怎麼儘可能多的保留原始信息。

最簡單的方法爲直接選取部分數據。譬如，圖像縮小一倍，則隔一行（列）取一個數據，圖像縮小爲原來的四分之一，則隔三行（列）取一個數據。

處理結果：

這種方式相當於直接捨去了1/2（3/4）的信息，於是嘗試通過取相鄰像素的平均值代替原來單純的一個像素以儘可能多的保留原始信息。

分析：

可以看到，後者得到的圖片效果明顯好於前者。在進行圖像縮小操作時，要考慮的是在圖像信息必然損失的情況下，儘可能多的保留原始信息。

第一種處理關鍵代碼爲：

    for (int i = 0; i < height; i+=3){
        for (int j = 0; j < width; j+=3){
            PicZoomOut[i / 4][j / 4] =Pic[i][j];
        }
    }

第二種處理關鍵代碼爲：

   for(int i = 0; i < 100; i++){
          for(int j = 0; j < 100; j++){
                 PicZoomOut[i][j] = (Pic[i * 2][j * 2]+ Pic[i * 2 + 1][j * 2] + Pic[i * 2][j * 2 + 1] + Pic[i * 2+ 1][j * 2 + 1])/4;
          }
   }

圖像縮小，第二種方法，縮爲原來1/4，代碼

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <memory.h>

#define height  200
#define width   200

typedef unsigned char  BYTE;    // 定義BYTE類型，佔1個字節

int main(void)
{
FILE *fp = NULL;
BYTE PicZoomOut[100][100];
BYTE *ptr;
BYTE **Pic = new BYTE *[height];
for (int i = 0; i != height; ++i)
{
Pic[i] = new BYTE[width];
}

fp = fopen("1.raw", "rb");
ptr = (BYTE*)malloc(width * height * sizeof(BYTE));//創建內存
for (int i = 0; i < height; i++)
{
for (int j = 0; j < width; j++)
{
fread(ptr, 1, 1, fp);
Pic[i][j] = *ptr;  // 把圖像輸入到2維數組中,變成矩陣型式
ptr++;
}
}
fclose(fp);
for (int
i = 0; i < 50; i++)
{
for (int
j = 0; j < 50; j++)
{
PicZoomOut[i][j]
= (Pic[i * 4][j * 4]     + Pic[i * 4 + 1][j * 4]     + Pic[i * 4 + 2][j *
4]     + Pic[i * 4 + 3][j * 4] + Pic[i * 4][j * 4 + 1] + Pic[i * 4 + 1][j * 4 + 1] + Pic[i * 4 + 2][j * 4 + 1] + Pic[i * 4 + 3][j * 4 + 1] + Pic[i * 4][j * 4 + 2] + Pic[i * 4 + 1][j * 4 + 2] + Pic[i * 4 + 2][j * 4 + 2] + Pic[i * 4 + 3][j * 4 + 2] + Pic[i * 4][j * 4 + 3] + Pic[i * 4 + 1][j * 4 + 3] + Pic[i * 4 + 2][j * 4 + 3] + Pic[i * 4 + 3][j * 4 + 3])/16;
}
}
fp = fopen("output.raw", "wb");
for (int i = 0; i < 50; i++)
{
for (int j = 0; j < 50; j++)
{
fwrite(&PicZoomOut[i][j], 1, 1, fp);
}
}
fclose(fp);
return 0;
}

2.1 圖像放大

爲了能夠更好的觀察效果，選用了比較小的圖片（100*100）進行處理。

圖像放大由於信息量已定，所以個人感覺需要考慮的是怎麼儘可能多的使用原始信息並且能呈現出比較好的放大效果。。

最簡單的方法爲近鄰取樣插值，也稱零階插值。它輸出的像素灰度值就等於距離它映射到的位置最近的輸入像素的灰度值。但當圖像中包含像素之間灰度級有變化的細微結構時,最鄰近算法會在圖像中產生人爲加工的痕跡。

測試如下：

放大後的圖像保留了原始圖像的所有細節，但結果並不讓人滿意，有階梯狀鋸齒。於是嘗試採用其他縮放方法。

雙線型內插值算法是一種比較好的圖像縮放算法，它充分的利用了源圖中虛擬點四周的四個真實存在的像素值來共同決定目標圖中的一個像素值，因此縮放效果比簡單的最鄰近插值要好很多。

對於一個目的像素，設置座標通過反向變換得到的浮點座標爲(i+u,j+v) (其中i、j均爲浮點座標的整數部分，u、v爲浮點座標的小數部分，是取值[0,1)區間的浮點數)，則這個像素得值 f(i+u,j+v) 可由原圖像中座標爲 (i,j)、(i+1,j)、(i,j+1)、(i+1,j+1)所對應的周圍四個像素的值決定，即：f(i+u,j+v) = (1-u)(1-v)f(i,j) + (1-u)vf(i,j+1) + u(1-v)f(i+1,j) + uvf(i+1,j+1)

其中f(i,j)表示源圖像(i,j)處的的像素值，以此類推。

效果如下：

可見，相比於鄰取樣插值算法，這個算法的效果就好很多。不過導致了不期望的細節柔化。

在PS軟件中用來圖像放大的最佳算法是二次立方，測試如下：

雙立方插值計算涉及到16個像素點, 而最終插值後的圖像中的(x, y)處的值即爲16個像素點的權重卷積之和

將上面三種算法得到的結果依次放到一起對比觀察如下

分析：顯然，近鄰取樣插值效果最差。雖然保留了原始圖像的所有細節，但出現了階梯狀鋸齒。雙線型內插值效果與二次立方插值效果都比近鄰取樣插值好，二者相比，雙線型內插值有一點細節柔化（比如眼珠部位）。

綜上，二次立方插值效果最好。