實驗指導(dǎo)書新版圖像處理

1、圖 象 處 理實 驗 指 導(dǎo) 書電子工程實驗室 編 寫適用專業(yè)： 電子信息工程 電子信息科學(xué)與技術(shù) 江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院 2006 年 6 月前 言圖象處理課程主要介紹圖像和圖像處理的基本概念，圖像的數(shù)學(xué)模型，數(shù)字圖像的獲取，數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和和各部分基本功能，圖像的基本處理方法（如圖像的變換技術(shù)、圖像平滑、圖像灰度變換、圖像銳化等），圖像的壓縮編碼、以及圖像的分割等理論。學(xué)生學(xué)習(xí)本課程應(yīng)在理解原理的基礎(chǔ)上，掌握各種基本的圖像處理方法。圖象處理課程的實驗開設(shè)目的：首先是加深理解在課堂上獲得的理論知識，將理論知識形象化；同時學(xué)習(xí)各種圖像處理技術(shù)的實際編程實現(xiàn)，加強(qiáng)編程能力，積累實際

2、經(jīng)驗；另外通過一些綜合性實驗達(dá)到對已學(xué)過的其它課程知識融會貫通的效果。圖象處理課程開設(shè)的實驗如下：實驗一 二維變換技術(shù)（綜合）：主要加深學(xué)生對DFT、DCT等變換技術(shù)的掌握，以及對圖像頻域分析方法的研究。實驗二 多媒體系統(tǒng)中的圖像處理（綜合）：主要加深學(xué)生對灰度變換、圖像平滑、圖像銳化、中值濾波等圖像處理方法的掌握。本實驗指導(dǎo)書適合電子信息工程專業(yè)以及電子信息科學(xué)技術(shù)專業(yè)使用。目 錄實驗一： 二維變換技術(shù)5實驗二：多媒體系統(tǒng)中的圖像處理9實驗一： 二維變換技術(shù)實驗學(xué)時：4學(xué)時實驗類型：綜合實驗要求：必修知識點：信號的頻域變換技術(shù)；圖像的頻域特性；MATLAB的使用。一、實驗?zāi)康?、了解圖像變換

3、的意義和手段。2、熟悉DFT、DCT等變換的基本原理。3、了解二維圖像頻譜的分布特點。 二、實驗內(nèi)容 使用MATLAB編程語言，編寫DFT、DCT等變換程序，將圖像從時域換到頻域。分析圖像頻域分布的特點。三、實驗原理、方法和手段圖象處理的方法主要分為兩大類：一個是空間域處理法，一個是頻域法（或稱變換域法）。在頻域法處理中最為關(guān)鍵的預(yù)處理便是二維變換處理。通過二維變換技術(shù)，能把空間域的圖像轉(zhuǎn)變到頻域上進(jìn)行研究，從而能很容易的了解到圖像的頻域成分，進(jìn)行相應(yīng)的處理。二維變換現(xiàn)已被用于圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼、圖像描繪和圖像特征抽取等各種圖像處理技術(shù)中。1、二維離散傅立葉變換在圖像二維變換處理中廣

4、泛使用的是二維離散傅立葉變換，它的輸入和輸出均為離散形式，有利于計算機(jī)處理，并且存在快速算法，即快速傅立葉變換FFT。（1）二維傅立葉變換的定義二維離散傅立葉變換：對于 M×N 圖象 對于N×N圖像：（2）二維傅立葉變換的性質(zhì)主要有：l 可分離性二維傅立葉變換可以用兩次一維傅立葉變換來完成，即可以采用一維快速傅立葉變換來實現(xiàn)二維傅立葉變換。l 平移性 空間域平移： 頻率域平移：l 旋轉(zhuǎn)性質(zhì) 平面直角坐標(biāo)改寫成極坐標(biāo)形式： 做傅立葉代換有：如果被旋轉(zhuǎn)則 被旋轉(zhuǎn)同一角度。即有傅立葉變換對：（3）MATLAB提供了 fft ()、fft2 ()、 fftn () 函數(shù)分別實現(xiàn)一維

5、、二維、N維的離散傅立葉變換的快速傅立葉算法。 用ifft ()、 ifft2 ()、 ifftn () 函數(shù)來實現(xiàn)一維、二維、N維的快速傅立葉反變換。2、離散余弦變換DCT離散余弦變換是在離散傅立葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種新的實數(shù)域的變換，它的變換核為余弦函數(shù)。離散余弦變換的計算速度塊，有利于圖像壓縮核其他處理，是目前圖像處理中運用的最多的一種變換。（1）離散余弦變換的定義二維DCT變換：對于N×N圖像（2） MATLAB提供了 dct2 ()、idct2 () 函數(shù) 分別實現(xiàn)離散余弦變換核離散余弦反變換。3、沃爾什一哈達(dá)瑪變換沃爾什一哈達(dá)瑪變換是一種矩陣元素值僅由1或-1組成的正

6、交變換矩陣，因此，用這種變換矩陣作變換處理時，僅用到加、減法運算，可大大提高變換處理速度。（1）沃爾什一哈達(dá)瑪變換的定義 （2）MATLAB中提供了hadamard () 用于產(chǎn)生一個N階的哈達(dá)瑪矩陣，實現(xiàn)哈達(dá)瑪變換。四、實驗組織運行要求1、學(xué)生在進(jìn)行實驗前必須進(jìn)行充分的預(yù)習(xí)，熟悉實驗內(nèi)容。2、學(xué)生根據(jù)實驗要求，編寫相應(yīng)的程序。3、學(xué)生嚴(yán)格遵守實驗室的各項規(guī)章制度，注意人身和設(shè)備安全，配合和服從實驗室人員管理。4、教師在學(xué)生實驗過程中予以必要的輔導(dǎo)，獨立完成實驗。5、采用集中授課形式。五、實驗條件1、具有WINDOWS 98/2000/NT/XP操作系統(tǒng)的計算機(jī)一臺2、MATLAB編程軟件六、

7、實驗步驟1、圖像的離散傅立葉變換：首先在MATLAB中調(diào)用顯示函數(shù)顯示原始圖像，然后對圖像做二維離散傅立葉變換，顯示二維傅立葉變換的圖像。分析二維傅立葉變換圖像中所表現(xiàn)的原始圖像的頻域特性。2、圖像的離散余弦變換： 首先在MATLAB中調(diào)用顯示函數(shù)顯示原始圖像，然后將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像，對灰度圖像做離散余弦變換，將圖像離散余弦變換值小于10的置為0，然后進(jìn)行離散余弦反變換。最后顯示灰度圖像、離散余弦變換圖像及反變換后的圖像，并與原始圖像進(jìn)行比較。分析兩幅圖像產(chǎn)生差異的原因。3、圖像的沃爾什一哈達(dá)瑪變換（選做）： 在MATLAB中讀取一幅256×256的灰度圖像，將圖像分割為16

8、15;16的圖像小塊，對每個小塊做哈達(dá)瑪變換，并在變換后的數(shù)據(jù)中選取最大的64個，其余置0，對處理后的圖像實施哈達(dá)瑪反變換。顯示原始圖像和哈達(dá)瑪反變換后的圖像，對兩幅圖像進(jìn)行對比，并分析產(chǎn)生差異的原因。七、思考題1、在對圖像做離散傅立葉變換后，一般將變換數(shù)據(jù)取對數(shù)再顯示，這樣有什么好處？2、在離散余弦變換中將變換后值小于10的置為0，對原圖像產(chǎn)生了什么變化？八、實驗報告1、報告中要給出實驗的MATLAB程序，并對每個語句給出注釋，說明語句作用。2、將兩種變換中所有顯示的圖像截圖，附在程序后面。3、對實驗中的圖像變化進(jìn)行分析。4、在實驗中，你對思考題中問題的分析。實驗二：多媒體系統(tǒng)中的圖像處理實

9、驗學(xué)時：4學(xué)時實驗類型：綜合實驗要求：必修知識點：常見的圖像處理方法；圖像噪聲的種類和特性；濾波器的使用。一、實驗?zāi)康?、通過實驗理解掌握多媒體圖像處理的概念、系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理。2、學(xué)習(xí)理解數(shù)字圖像處理軟件的操作及圖像處理的效果。3、掌握圖像處理算法程序的編制，并實現(xiàn)三至四種圖像處理功能。二、實驗內(nèi)容 編寫MATLAB程序，對圖像進(jìn)行灰度變換、直方圖均衡、銳化、中值濾波等處理工作。三、實驗原理、方法和手段1、圖像灰度變換灰度變換就是通過線性變換對圖像進(jìn)行處理。灰度變換可使圖像動態(tài)范圍變大，對比度擴(kuò)展，圖像清晰，特征明顯，是圖像增強(qiáng)的重要手段。在爆光不足或過度的情況下，圖像灰度可能會局限在一個

10、很小的范圍內(nèi)，這時將看到一個模糊不清、沒有灰度層次的圖像。用一個線性單值函數(shù)，對幀內(nèi)的每一個像素作線性擴(kuò)展，將有效的改善圖像的視覺效果。灰度變換有線性灰度變換、分段線性灰度變換和非線性灰度變換幾種。若f ( x, y) 為原始圖像、g ( x, y) 為灰度變換圖像。則線性變換為：分段線性變換為： 非線性變換采用非線性函數(shù)變換，如平方、指數(shù)、對數(shù)等。2、直方圖均衡化直方圖均衡化通過將圖像的原始灰度分布均勻散布于整個可能允許的灰度分布空間，以拉大灰度值之間的動態(tài)范圍，而在視覺上增強(qiáng)圖像的整體對比度。若原始圖象灰度級 r 歸一化在 01 之間，即 。 為原始圖象灰度分布的概率密度函數(shù), 直方圖均衡

11、化處理實際上就是尋找一個灰度變換函數(shù) T ，使變化后的灰度值 ,其中，歸一化為 ,即建立 r 與 s 之間的映射關(guān)系，要求處理后圖象灰度分布的概率密度函數(shù) ，L是灰度變化范圍。在這里，因為歸一化后灰度變化范圍是01，所以L=1。3、圖像銳化在圖像處理中常需要突出邊緣和輪廓信息，以便于對目標(biāo)識別和處理。圖像銳化(Sharpening)就是增強(qiáng)圖像的邊緣和輪廓。如果說圖像平滑通過積分使圖像邊緣模糊，那么，圖像銳化就是通過微分而使邊緣輪廓突出、清晰。因為微分運算可用來求信號的變化，所以具有加強(qiáng)高頻分量的作用，可使圖像輪廓清晰。這里介紹用梯度算子進(jìn)行圖像銳化。設(shè)原始圖像為f (x, y) ，則圖像梯度

12、的模為：在離散圖像中可以用差分近似表示上式：在得到圖像梯度后，可以使用5中方法來實現(xiàn)圖像銳化： 其中，LG、LB是固定的灰度級。4、中值濾波中值濾波(Median filtering)是一種非常有用的非線性信號處理方法，在一定程度上可以克服采用諸如鄰域均值濾波等線性低通濾波器消除噪聲時，會將圖像邊緣模糊掉的缺點。中值濾波尤其對圖像中的脈沖噪聲、掃描噪聲等能有良好的去除效果，但是對含有過多細(xì)節(jié)的圖像，處理效果一般不好。中值濾波器根據(jù)器計算方法，可以稱為非線性濾波器中的排序統(tǒng)計濾波器，它不是簡單的加權(quán)求和，而是先把鄰域像素按灰度級進(jìn)行排序，然后再選擇該組的中值作為模板輸出結(jié)果。由于中值濾波在算法設(shè)

13、計上使與周圍像素灰度級相差較大的點處理后能和周圍的像素值比較接近，因此可以衰減隨機(jī)噪聲，尤其是脈沖噪聲等。但由于不是簡單的取均值，因此產(chǎn)生的模糊要少得多。下圖為中值濾波器得一維應(yīng)用示例，其中(a)為一疊加有1/4采樣頻率正弦震蕩得離散信號序列，在3點鄰域中進(jìn)行中值濾波，在得到得處理結(jié)果(b)中，完全消除了正弦波的干擾，而且保留了邊界。 (a) (b)四、實驗組織運行要求1、學(xué)生在進(jìn)行實驗前必須進(jìn)行充分的預(yù)習(xí)，熟悉實驗內(nèi)容。2、學(xué)生根據(jù)實驗要求，編寫相應(yīng)的程序。3、學(xué)生嚴(yán)格遵守實驗室的各項規(guī)章制度，注意人身和設(shè)備安全，配合和服從實驗室人員管理。4、教師在學(xué)生實驗過程中予以必要的輔導(dǎo)，獨立完成實驗

14、。5、采用集中授課形式。五、實驗條件1、具有WINDOWS 98/2000/NT/XP操作系統(tǒng)的計算機(jī)一臺2、MATLAB編程軟件六、實驗步驟1、圖像灰度變換：讀取一幅bmp圖像，調(diào)用MATLAB的imadjust函數(shù)，將圖像灰度歸一化后0.30.7范圍的灰度值調(diào)整到01范圍。分別顯示調(diào)整前后的圖像，以及兩者的灰度直方圖。對兩幅圖像以及他們的直方圖進(jìn)行對比，分析變換前后的變化及其產(chǎn)生原因。2、直方圖均衡：讀取一幅bmp圖像，調(diào)用MATLAB的histeq函數(shù)，對圖像做直方圖均衡化處理，并顯示均衡化前后的圖像，以及兩者的灰度直方圖。對比兩幅圖像的直方圖，分析直方圖的差異對圖像產(chǎn)生的影響。3、圖像銳化：讀取一幅bmp圖像，調(diào)用MATLAB的梯度函數(shù)，按照前面的5種不同的圖像銳化方法實現(xiàn)圖像銳化處理，并顯示原始圖像和5種銳化處理后的圖像。對比各種銳化方法處理的效果。4、中值濾波： 讀取一幅bmp圖像，首先給圖像加上椒鹽噪聲，然后分別采用低通濾波法和中值濾波法對噪聲圖