第24章matlab圖像處理工具箱

1、第24章圖像處理工具箱數(shù)字圖像處理的研究主要有兩個方面：其一是為了便于人工分析而對圖像 信息的改講，包括圖像去噪、增強、圖像恢品等：其：呆為了使機器自 動理解，對圖像進行的分割、理解等。本章主要針對數(shù)字圖像處理的前一 個方面，目的是使讀者對利用MATLAB進行圖像處理有一個初步的了解，引 領(lǐng)讀者走過這個“門檻”。這里不準(zhǔn)備對MATLAB圖像處理匚具箱的所有內(nèi) 容逐項做介紹，而著重從基本概念、基本操作入手，抽取些經(jīng)常使用的 功能，使本章自成體系，主要內(nèi)容如下：MATLAB數(shù)字圖像處理中涉及的一 些基本概念，基本的圖像數(shù)據(jù)操作； 數(shù)字圖像的灰度變換：數(shù)字圖像的代數(shù)運算： 數(shù)字圖像的幾何運算，包括圖

2、像縮放、旋轉(zhuǎn)、裁剪; 數(shù)字圖像濾波。24.1 數(shù)字圖像基礎(chǔ)本節(jié)介紹一些與數(shù)字圖像相關(guān)的概念，包括數(shù) 字圖像的采樣和量化、數(shù)字圖像的類型及表示, 這些概念以及相關(guān)的符號會在本章后續(xù)內(nèi)容中 經(jīng)常用到。本節(jié)另一個重要的內(nèi)容是介紹MATLAB圖像數(shù)據(jù) 的讀入、顯示、輸出等操作，這些操作是后續(xù) 圖像處理的前提。24. L 1數(shù)字圖像的生成圖像是山“照射”源和形成圖像的“場景”元素對光能的反射或吸 收相結(jié)合而產(chǎn)生的。照射可.能由電磁能源引起，如雷達、紅外線或 X射線，也可能是非傳統(tǒng)光源，如超聲波等。場景可能是熟悉的物 體，也nJ.能是分子、沉積巖、大腦等。圖顯示了數(shù)字圖像生成的典 型過程，成像系統(tǒng)獲取場景

3、反射的能量，并將其映射到圖像平面， 經(jīng)過采樣和吊:化即得到數(shù)字圖像。24. 1.2 圖像的類型 MATLAB圖像處理工具箱為多種類型的數(shù)字圖像提供了支持，它們不僅在存 儲方式上存在差別，相應(yīng)的操作、處理也有所不同，這里著重從存儲方式 的不同考慮各種圖像類型。MATLAB圖像處理匚具箱支持的圖像類型有以下 4種。數(shù)字圖像類型；二值圖數(shù)字圖像英型：索引圖24.1.3讀寫圖像數(shù)據(jù)函數(shù)imread從圖像文件中讀取圖像數(shù)據(jù)，iniread支持大多數(shù)常用的圖像格 式.表列出了imread支持的圖像格式°imrcod支械的用他格式團球格式± 5Btrvip (EMP)w力“加 CuriM

4、 rwrc，(CUR)hiterck.an Xxni*:(GIF)Hi&rarchx4l Dato Fctmx (HOF)W*,“此 Ieswg (ICO)Jort nxtwcukic VxztXi Croup ：P£C>PoriKe(PBM)FkMe PEbra ：PCX)田Par:“：。5叩up glfl)a'PxiAx Netwuk Otipkcs (PNO)PH*K Aaymkd (FN M)P «：A'r PixiiMf (PPXt；Sxi Rtcter (RAS)S tiffT«gjjr4 k*4k File Final

5、(TIFF)X W川mIXWD)24. 1.4顯示圖像數(shù)據(jù) MATLAB圖像處理工具箱有兩個函數(shù)，inishow和i mtoo 1 s可以用于數(shù)字圖像的顯示。i mshow是基 本的顯示函數(shù)，例如，對前面已經(jīng)讀入的圖像 數(shù)據(jù)I （pout圖像數(shù)據(jù)），在MATLAB命令窗口輸 入以下代碼。 >> imshow(I)24. 1.5轉(zhuǎn)換圖像格式圖像格式的轉(zhuǎn)換是圖像處理過程中經(jīng)常要做的1:作，往往需要將圖像從一種格式轉(zhuǎn) 換為另種格式，這樣才能完成某些圖像處理任務(wù)，之后再將圖像轉(zhuǎn)換到原來的格 式。圖像的轉(zhuǎn)換包括圖像類型的轉(zhuǎn)換，如灰度圖轉(zhuǎn)換為二值圖；以及圖像數(shù)據(jù)存儲 格式的轉(zhuǎn)換，如uint8型

6、灰度圖轉(zhuǎn)換為single型灰度圖。卜面首先介紹圖像類型的轉(zhuǎn)換。函數(shù)dither將灰度圖轉(zhuǎn)換為二值圖或RGB圖轉(zhuǎn)換為 索引圖。X = dithe】(RGB, map)將RGB圖轉(zhuǎn)換為灰度圖，這里需要提供個Colonnap； BW = dither (I)將灰度圖I轉(zhuǎn)換為二值圖。EKJ將RGB國共決為次度隹24. 2圖像的灰度變換一幅輸入圖售F。/)經(jīng)次度變換得到躺出左像輸出圖像出九外的灰度值日對主的 輸入圖像去發(fā)隹決定，即Ga,y) = GS7U(%,必)，其中GST為灰發(fā)變怏由數(shù).灰度支神是一種像素到像素的圖像處理方法，這種照像處理方法也稱為點處理(Block Option),本節(jié)將要介紹的灰

7、受變倏和第24.3節(jié)的圖嵯代數(shù)運算部是足辱點處理.另外一種圖 像處理方法涉及售素點鄰域，即處理后的隱素值不僅與該像素有關(guān)，而且與其框鄰的像素也有關(guān), 這種圖像史理方法稱為鄰域處理(Nsghboriiood Operalion 第24.4節(jié)第24.6多將要介紹的圣像 幾何運算，線性亮波和排序淖波都是鄰域處理.灰度變換可完全由次度變換詼數(shù)GST商定，次度變帙函數(shù)初掐逑了輸入灰度值與埔出灰度 值之間的氏射關(guān)系，如圖24. 2. 1圖像的直方圖灰度圖（包括二值圖）的宜方圖表示每個灰度級范圍內(nèi)像素點的個數(shù)，索 引圖的直方圖表示每個色條（即Colormap矩陣的每行）對應(yīng)的像素點個 數(shù)。圖像的白方圖有多種

8、用途，如數(shù)字化參數(shù)的選擇邊界閾值的選擇（參 見圖）等。 MATLAB圖像處理工具箱利用imhist得到灰度圖、二值圖、索引圖的直方.圖, 其一般的調(diào)用格式為： intfiist (I)： imhist (I, n)； iinhist (X, map)。24. 2. 2 灰度變換灰度變換用于改變圖像的對比度。例如，對灰度圖pout （圖 24.32）,其直方圖如圖所示。從直方圖上可以看到，pout的大部 分像素分布在中間較窄的灰度范圍內(nèi)，使得pout整體對比度較低。 利用灰度變換，將pout直方圖中間部分拉伸至整個灰度范圍0, 255 能夠增強對比度，MATLAB圖像處理工具箱中實現(xiàn)該功能的函數(shù)

9、是imadjust oRGB圖footbaU灰度調(diào)整24. 2. 3直方圖均衡第24.2.2小H的灰度變換實際上是指定灰廢變換函數(shù)的灰度變換,血對不同的圖像還需要設(shè)定不同的參數(shù). 因此這種方法的效率是很低的力圖均衡能鉤根據(jù)待處理圖像的直方圖門適應(yīng)地給出灰度變換函數(shù)，伙調(diào)整后圖像的H方圖能盡可能地接 近預(yù)先定義的M方圖。MATLAB圖像處理工具箱中利用南救histeq對灰度圖和索弓I圖作IY方圖均衡.histeq股 的調(diào)用格式為:J = hi st eq (I, hgram)：J = histeqd, n)：J = histeq(I)inewmap = hi st eq (X, map, her

10、 am)：newmap = hi st eq (X, map)：newmap, T = hist eq (X,.)24. 3圖像的代數(shù)運算:=1圖像的代數(shù)運算具有明顯的物理意義，例如對多幅圖像求和平均“J用于去 噪，圖像的差可用于緩變背景條件下的動FI標(biāo)檢測等。圖像的代數(shù)運算主要包括加、減、乘、除，即C(xM = 4x,j)+3(xM、C«,y =4xM-B(x,j)、C(x,1) = 4(xMxB(xM、=.一般地，圖像的代數(shù)運算是像索對像素的運克，因此上面的矩陣運兌是按 位運算。圖像代數(shù)運算不改變圖像的數(shù)據(jù)存儲格式，運算過程中均以浮點 數(shù)進行運算，運電結(jié)果轉(zhuǎn)換為原來的數(shù)據(jù)類型。用

11、戶可以利用數(shù)組的加減 乘除實現(xiàn)圖像的代數(shù)運算，但是要注意灰度值的取值范圍，實際匕MATLAB圖像工具箱已經(jīng)為用戶提供了相關(guān)的函數(shù)用圖像的加、 減、乘、除，它們分別是imadd、imsubtract、immultiply、imdivide,這 四函數(shù)將自動處理圖像代數(shù)運算過程中的溢f H o24. 3. 1圖像加法對同一幅受加性噪聲污染的圖像求平均可以提 高圖像的信噪比，從而實現(xiàn)圖像的去噪。利用圖像加法改善信曝比24. 3. 2 圖像乘法利用1、。組成的掩膜圖與待處理圖像相乘可以遮住圖像的指定部分?；叶葓Dmocn圖像案法結(jié)果24. 3. 3圖像減法圖像減法可以用于去除背景和運動目標(biāo)檢測等。假設(shè)圖

12、中間的黑色小方塊 是個運動FI標(biāo),通過圖像的減法能夠檢測到該目標(biāo)0在MATLAB命令窗口 輸入以下指令求上圖與圖的差圖像。 » imshow(imsubtract(I, J)利用國俅城法檢測云動目標(biāo)24.3.4 圖像除法圖像除法可以產(chǎn)生對彩色或多光譜圖像十分重 要的比率圖像，關(guān)于這部分內(nèi)容，這里不做介 紹，讀者如有興趣可以查閱相關(guān)的書籍和 MATLAB幫助文檔。24. 4圖像的幾何運算圖像的兒何運算用改變圖像的形狀，包括縮放、旋轉(zhuǎn)、扭曲等，如圖所示。圖像的 兒何運算涉及空間變換和灰度插值，空間變換防止圖像內(nèi)容支離破碎，灰度插值計 前H標(biāo)圖像中對應(yīng)原圖像II：整點的像素灰度值。本節(jié)將介

13、紹兒種最基本的兒何運算, 包括圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)和裁剪。圖像的幾何處理24. 4. 1 縮放圖像 MATLAB圖像處理I：具箱利用函數(shù)imresize對圖像進行縮放操作，其般的調(diào)用格式為： B = imresize(A, m)； B = imresize （A, m, method）； B = imresize （A, inrows ncols, method） o 其中A、B分別為輸入、輸出圖像；method是縮放過程中使用的插值 方法，nJ以是nearest'（最近鄰插值）、'bilinear'（雙線 性插值）或'bicubic'（雙立方插值），默認(rèn)的

14、插值方法是最近 鄰插值；m為放大因子，m大于1時，圖像被放大，小于1時，圖像被 縮小，也可以分別設(shè)置變換后圖像的高度mrows和寬度ncols,這能 克服放大因子只能對高度和寬度同比縮放的缺陷。24. 4. 2旋轉(zhuǎn)圖像 MATLAB圖像處理I：具箱利用函數(shù)imrotate對圖像進行旋轉(zhuǎn)操作，其一般的一般謝用SiX為“號，龍！格式為:B = imrotate(A, angle, method) <>其中A、B分別為輸入、輸出圖像:angle為逆時針旋轉(zhuǎn)的角度,angle為負(fù)時,表示 順時針旋轉(zhuǎn)：method是旋轉(zhuǎn)過程中使用的插值方法，可以是'nearest'（最近鄰

15、插值）、'bilinear* （雙線性插值）或'bicubic"（雙立方插值），默認(rèn)的插 值方法是最近鄰插值。旋轉(zhuǎn)操作會使圖像尺寸變大，imrotate對原圖像邊界之外的 像素用0填充，顯示的是黑色的背景。，,rr林&” 第，圖慢的次純,M24. 4. 3 裁剪圖像通過圖像的裁剪操作能夠得到圖像的部分圖，MATLAB圖像I：具箱利用函數(shù)imcrop實 現(xiàn)圖像的裁剪，其般的調(diào)用格式為：12 = imcropd, rect）；X2 = iracrop （X. map, rect）：RGB2 = imcrop（RGB,rect）o上述三種調(diào)用格式分別用于灰度圖（包括

16、二值圖）、索引圖和RGB圖的裁剪。rect 定義裁剪的矩形IX域，如果不指定rect, MATLAB允許用戶通過鼠標(biāo)選定裁剪區(qū)域。例如，對灰度圖circuit,在MATLAB命令身口輸入以卜一指令讀入圖像數(shù)據(jù)I,» I = inueadC* circuit, tif ）:24. 5線性濾波線性濾波是一類非常重要的圖像處理方法，主 要用于圖像增強、圖像去噪等。圖像的線性濾 波是一種鄰域處理(Neighbothood Operation) 方法，輸出圖像的像素值是輸入圖像對應(yīng)像素 及其鄰域像素的線性組合。本節(jié)首先介紹與線 性濾波相關(guān)的兩個概念，即卷積和相關(guān)，接著 介紹線性濾波函數(shù)iinf

17、ilter,并給出了一些應(yīng) 用例子。24. 5. 1 卷積和相關(guān)線性濾波可以用卷積實現(xiàn)，輸出圖像的像素位是輸入圖像對應(yīng)像素及其鄰域像素的 線性加權(quán)，權(quán)重矩陣稱為卷積聞。圖說明了圖像卷枳的過程，圖像I為，卷積窗為。 現(xiàn)在要計算像素點(2, 4)卷積后的結(jié)果，卷積過程如下：卷積過程的邊界處理，。填充ha* trim ift卷積過程的邊界處理，鄰城現(xiàn)充24. 5. 2線性濾波 MATLAB圖像處理1：具箱利用函數(shù)imfilter對圖像作線性濾波，其一 般的調(diào)用格式為： B = imfilter(A, H)； B = imfilter (A, H, opt ionl, opt ion2, . . )

18、o 其中A、B分別為輸入、輸出圖像。線性濾波器可以由相關(guān)或卷積實 現(xiàn)，默認(rèn)情況下由相關(guān)實現(xiàn)，可以通過設(shè)置。ption3 = 'conv', 使線性濾波由卷積實現(xiàn)。H為對應(yīng)的相關(guān)窗或卷積窗；通過設(shè)置 optionl決定線性濾波器對邊界的處理方式，'replicate'使用最 近鄰邊界填充，默認(rèn)情況下。ptionl =0,邊界由0填充。24. 6排序濾波 線性濾波通過對鄰域像素的線性組合得到輸出圖像的像素值，這是種線 性處理方法。從上門給出的些示例中我們可以看到線件濾波在圖像去噪 方面具有局限性，要么犧牲圖像的細(xì)節(jié)，換得信噪比的提高；要么以信噪 比的下降為代價，而保護圖像的邊緣，這兩者往往不能同時兼顧。 本節(jié)將要介紹的排序濾波是一種非線性處理方法，它在保護圖像細(xì)節(jié)方向 有很大的優(yōu)勢，而且信噪比損失不大，在圖像處理中有廣泛的應(yīng)用。 排序濾波通過對鄰域像索的升序排序，取第r個像索值作為輸出圖像的像 素值。排序濾波也有對應(yīng)的濾波窗口，濾波窗口超出圖像邊界時需要考慮 邊界的處理，可以用0填充或是最近鄰邊界填充等。MATLAB圖像處理工具 箱中利用函數(shù)。rdfilt2對圖像作排序濾波，其一般的調(diào)用格式為： B = ordfilt2(A, order, h)24. 6. 1中值濾波中出濾波是排序濾波的一種，通