基于MATLAB的數字圖像處理畢業(yè)設計(含源文件)

……………………裝………………訂………………線……………………畢業(yè)設計(論文)任務書基于MATLAB的數字圖像處理畢業(yè)設計(論文)的主要內容及要求：1.掌握數字圖像處理的基本概念，了解數字圖像處理的特點及其應用，了結圖像的文件格式。2.掌握MATLAB仿真軟件的基本知識和編程方法。3.掌握主要的圖像處理方法及其原理（如圖像增強，二值圖像處理等），并通過MATLAB設計圖像處理的程序來實現圖像處理。4.翻譯5000字英文資料。5.撰寫畢業(yè)論文，并進行畢業(yè)答辯。指導教師簽字：第1頁共1頁……………………裝………………訂………………線……………………摘要圖像信息是人類獲取信息的重要來源及利用信息的重要手段，圖像處理科學技術是科學研究、社會生產及人類生活中不可缺少的強有力工具。在信息社會中，數字圖像處理科學在理論或實踐上都存在著巨大的潛力。數字圖像處理是一種通過計算機采用一定的算法對圖形圖像進行處理的技術。數字圖像處理技術已經在各個領域上都有了比較廣泛的應用。圖像處理的信息量很大，對處理速度的要求也比較高。MATLAB強大的運算和圖形展示功能，使圖像處理變得更加的簡單和直觀。本文介紹了MATLAB軟件，基于MATLAB的數字圖像處理環(huán)境和如何利用MATLAB及其圖像處理工具箱進行數字圖像處理。主要論述了利用MATLAB實現二值圖像分析、圖像增強、圖像復原等圖像處理。關鍵詞：MATLAB，數字圖像處理，圖像增強，二值圖像，圖像復原第1頁共2頁……………………裝………………訂………………線……………………AbstractTheimageinformationisaveryimportantsourceforpeopletogettheinformationandtheimportantmeansofinformation,imageprocessingtechnologyisapowerfultoolforscientificresearch,socialproductionandhumanlife.Intheinformationsociety,thedigitalimageprocessingscienceexistsgreatpotentialbothintheoryorpractice.Digitalimageprocessingisacomputerusingacertainalgorithmforgraphicsandimageprocessingtechnology.Digitalimageprocessingtechnologyhasbeeninvariousareashavearelativelywiderangeofapplications.Imageprocessinglargeamountofinformation,thespeedofprocessingrequirementsarerelativelyhigh.MATLABpowerfulcomputingandgraphicsdisplayfunction,whichmakesimageprocessingbecomemoresimpleandintuitive.ThispaperintroducestheMATLABsoftwareandtheMATLAB-baseddigitalimageprocessingenvironment,describeshowtousetheMATLABImageProcessingToolboxforitsdigitalimageprocessing.MainlydiscussestheuseofMATLABforimageenhancement,thetwovalueimageanalysis,imagerestorationandotherimageprocessingtechnologies.Keywords:MATLAB,digitalimageprocessing,imageenhancement,twovalueimage,imagerestoration第2頁共2頁……………………裝………………訂………………線……………………目錄第1章緒論..........................................錯誤!未定義書簽。1.1課題研究的目的及意義...........................錯誤!未定義書簽。1.2國內外研究現狀................................錯誤!未定義書簽。1.3課題內容安排..................................錯誤!未定義書簽。第2章數字圖像處理的簡介..........................錯誤!未定義書簽。2.1圖像的數字化過程...............................錯誤!未定義書簽。2.2數字圖像處理的基本內容.........................錯誤!未定義書簽。2.2.1基本概念..................................錯誤!未定義書簽。2.2.2數字圖像處理的主要內容....................錯誤!未定義書簽。2.3數字圖像處理的特點和應用.......................錯誤!未定義書簽。2.3.1數字圖像處理的特點........................錯誤!未定義書簽。2.3.2數字圖像處理的應用........................錯誤!未定義書簽。2.4數字圖像類型...................................錯誤!未定義書簽。2.5主要圖像文件格式...............................錯誤!未定義書簽。第3章MATLAB仿真軟件的簡介.......................錯誤!未定義書簽。3.1MATLAB的歷史背景...............................錯誤!未定義書簽。3.2MATLAB簡介.....................................錯誤!未定義書簽。3.3MATLAB的特點...................................錯誤!未定義書簽。3.4MATLAB在數字圖像中的運用.......................錯誤!未定義書簽。第4章二值圖像分析.................................錯誤!未定義書簽。4.1二值圖像的實現.................................錯誤!未定義書簽。4.2二值形態(tài)學的基本運算........................錯誤!未定義書簽。4.2.1膨脹.....................................錯誤!未定義書簽。4.2.2腐蝕.....................................錯誤!未定義書簽。4.3二值分析進行圖像處理綜合應用.................錯誤!未定義書簽。4.3.1噪聲濾除.................................錯誤!未定義書簽。4.3.2邊緣提取.................................錯誤!未定義書簽。4.3.3特征提取..................................錯誤!未定義書簽。第5章圖像增強.....................................錯誤!未定義書簽。5.1空域變換增強...................................錯誤!未定義書簽。5.1.1增強對比度（線性變換）....................錯誤!未定義書簽。5.1.2圖像求反..................................錯誤!未定義書簽。5.2空域濾波增強...................................錯誤!未定義書簽。5.2.1原理......................................錯誤!未定義書簽。5.2.2線性平滑濾波器（領域均值法）............錯誤!未定義書簽。5.2.3非線性平滑濾波器（中值濾波法）............錯誤!未定義書簽。5.2.4銳化濾波器................................錯誤!未定義書簽。第1頁共2頁……………………裝………………訂………………線……………………5.3圖像頻域增強...................................錯誤!未定義書簽。5.3.1頻域增強原理和功能........................錯誤!未定義書簽。5.3.2低通濾波..................................錯誤!未定義書簽。5.3.3高通濾波..................................錯誤!未定義書簽。5.3.4周期底紋清除濾波..........................錯誤!未定義書簽。5.3.5同態(tài)濾波..................................錯誤!未定義書簽。第6章圖像復原.....................................錯誤!未定義書簽。6.1圖像退化模型...................................錯誤!未定義書簽。6.2維納(Wiener)濾波...............................錯誤!未定義書簽。6.2.1直接逆濾波................................錯誤!未定義書簽。6.2.2維納(Wiener)濾波基本原理..................錯誤!未定義書簽。6.3Lucy-Richardson迭代非線性算法.................錯誤!未定義書簽。第7章總結與展望...................................錯誤!未定義書簽。7.1總結...........................................錯誤!未定義書簽。7.2展望...........................................錯誤!未定義書簽。致謝..................................................錯誤!未定義書簽。參考文獻..............................................錯誤!未定義書簽。第2頁共2頁……………………裝………………訂………………線……………………第1章緒論本章主要介紹課題研究的目的及意義，該課題國內外研究現狀以及論文內容安排等。1.1課題研究的目的及意義數字圖像處理（DigitalImageProcessing），就是利用數字計算機或者其他數字硬件，對從圖像信息轉換而得到的電信號進行某些數學運算，以提高圖像的實用性。例如從衛(wèi)星圖片中提取目標物的特征參數，三維立體斷層圖像的重建等。總的來說，數字圖像處理包括點運算、幾何處理、圖像增強、圖像復原、圖像形態(tài)學處理、圖像編碼、圖像重建、模式識別等。由于計算機處理能力的不斷增強，數字圖像處理學科在飛速發(fā)展的同時，也越來越廣泛地向許多其他學科快速交叉滲透，使得圖像作為信息獲取以及信息的利用等方面也變得越來越重要。目前數字圖像處理的應用越來越廣泛，已經滲透到工業(yè)、醫(yī)療保健、航空航天、軍事等各個領域，在國民經濟中發(fā)揮越來越大的作用。MathWorks公司推出的MATLAB軟件是學習數理知識的好幫手。應用MATLAB友好的界面和豐富、實用、高效的指令及模塊，可以使人較快地認識、理解圖像處理的相關概念，逐步掌握圖像信號處理的基本方法，進而能夠解決相關的工程和科研中的問題。圖像是人類獲取和交換信息的主要來源，因此，圖像處理的應用領域必然涉及到人類生活和工作的方方面面。隨著人類活動范圍的不斷擴大，圖像處理的應用領域也將隨之不斷擴大，數字圖像處理對人類的作用將是不可限量。1.2國內外研究現狀數字圖像處理起源于20世紀20年代。當時，人們通過Bartlane海底電纜圖片傳輸系統，從倫敦到紐約傳輸了一幅經過數字壓縮后的照片，從而把傳輸時間從一周多縮短到不足三個小時。為了傳輸圖片，該系統在傳輸端進行了圖像編碼，然后在接收端用特殊打印設備重構了該圖片。盡管這一應用包含了數字圖像處理的知識，但是并沒有使用計算機。而數字圖像處理需要很大的存儲空間和計算能力，其發(fā)展受到計算機中數據存儲、顯示和傳輸等相關技術發(fā)展的制約。在20世紀50年代，當時的電子計算機已經發(fā)展到一定水平，人們開始利用計算機來處理圖形和圖像信息。20世紀60年代初期數字圖像處理作為一門學科大約形成了。第一臺可執(zhí)行圖像處理任務的大型計算機出現。早期的圖像處理的目的是改善圖像的質量，它以人為對象，以改善人的視覺效果為目的。圖像處理中，輸入的是質量低的圖像，輸出的是改善質量后的圖像，常用的圖像處理方法有圖像增強、復原、編碼、壓縮等。首次獲得實際成功應用的是美國噴氣推進實驗室（JPL）。他們對航天探測器徘徊者7號在1964年發(fā)回的幾千張月球照片使用了圖第1頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………像處理技術，如幾何校正、灰度變換、去除噪聲等方法進行處理，并考慮了太陽位置和月球環(huán)境的影響，由計算機成功地繪制出月球表面地圖，獲得了巨大的成功。隨后又對探測飛船發(fā)回的近十萬張照片進行更為復雜的圖像處理，以致獲得了月球的地形圖、彩色圖及全景鑲嵌圖，獲得了非凡的成果，為人類登月創(chuàng)舉奠定了堅實的基礎，也推動了數字圖像處理這門學科的誕生。在以后的宇航空間技術，如對火星、土星等星球的探測研究中，數字圖像處理技術都發(fā)揮了巨大的作用。20世紀60年代末70年代初，數字圖像處理技術應用于醫(yī)學圖像、地球遙感監(jiān)測和天文學等諸多領域。1972年英國EMI公司工程師Housfield發(fā)明了用于頭顱診斷的X射線計算機斷層攝影裝置，也就是我們通常所說的CT（ComputerTomograph）。CT的基本方法是根據人的頭部截面的投影，經計算機處理來重建截面圖像，稱為圖像重建。1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT裝置，獲得了人體各個部位鮮明清晰的斷層圖像。1979年，這項無損傷診斷技術獲得了諾貝爾獎，說明它對人類作出了劃時代的貢獻。1972年美國陸地資源衛(wèi)星(Landsat)將多譜圖像用于資源探測。同年，計算機層析儀圖像重建技術用于醫(yī)學[3]。(CT)問世，它將20世紀70年代中期開始，隨著計算機技術和人工智能、思維科學研究的迅速發(fā)展，數字圖像處理向更高、更深層次發(fā)展。人們已開始研究如何用計算機系統解釋圖像，實現類似人類視覺系統理解外部世界，這被稱為圖像理解或計算機視覺。很多國家，特別是發(fā)達國家投入更多的人力、物力到這項研究，取得了不少重要的研究成果。其中代表性的成果是70年代末MIT的Marr提出的視覺計算理論，這個理論成為計算機視覺領域其后十多年的主導思想。圖像理解雖然在理論方法研究上已取得不小的進展，但它本身是一個比較難的研究領域，存在不少困難，因人類本身對自己的視覺過程還了解甚少，因此計算機視覺是一個有待人們進一步探索新的領域。1.3課題內容安排本文主要以MATLAB為工具來實現數字圖像的處理。全文共分7章，內容安排如下：第一章緒論，介紹了課題研究目的及意義和國內外研究現狀。第二章介紹了圖像的數字化、數字圖像處理的基本知識和圖像文件格式。第三章介紹了Matlab仿真軟件。第四章介紹了二值圖像操作原理及利用MATLAB實現二值圖像操作。第五章介紹了圖像增強的原理及利用MATLAB來實現圖像增強。第六章介紹了圖像復原原理及利用MATLAB實現圖像復原。第七章總結與展望。第2頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………第2章數字圖像處理的簡介2.1圖像的數字化過程圖像的數字化過程就是在計算機內生成一個二維矩陣的過程。數字化的目的是將一幅圖像以數字的形式進行表示，并且要做到既不失真又便于計算機進行處理。圖像的數字化要求是要達到以最小的數據量不失真地描述圖像信息。數字圖像(digitalimagine)和傳統的圖像即模擬圖像(picture)是有差別的。圖像的數字化包括采樣和量化兩個過程。1.采樣采樣(sampling)就是把在時間上和空間上連續(xù)的圖像分割成離散點（采樣點，即像素）的集合的一種操作。采樣是對圖像空間坐標的離散化，它決定了圖像的空間分辨率。采樣越細，越能精確地表現圖像。圖像基本上是在二維平面上連續(xù)分布的信息形式要把它輸入到計算機中，首先要把二維信號變成一維信號，因此要進行掃描(scanning)。最常用的掃描方法是在二維平面上按一定間隔順序地從上方順序地沿水平方向的直線（掃描線）掃描，從而取出濃淡值（灰度值）的線掃描（Laster掃描）。對于由此得到的一維信號，通過求出每一特定間隔的值，可以得到離散的信號。對于運動圖像除進行水平，垂直兩個方向的掃描以外，還有進行時間軸上的掃描。通過采樣，如設橫向的像素數為M，縱向的像素數為N，則畫面的大小可以表示為“M*N”個像素。一般來說，圖像中細節(jié)越多，采樣的間隔應當越小。2.量化如果把這些連續(xù)變化的值（灰度值）量化為8bit，則灰度值被分成0-2552的256個級別，分別對應于各個灰度值的濃淡程度，叫做灰度等級或灰度標度。經過采樣，圖像被分解成在時間上和空間上離散分布的像素，但是像素的值（灰度值）還是連續(xù)值。像素的值，是指白色-灰色-黑色的濃淡值，有時候也指光的強度（亮度）值或灰度值。把這些連續(xù)的濃淡值或灰度值變?yōu)殡x散的值（整數值）的操作就是量化。在0-255的值對應于白-黑的時候，有以0為白，255為黑的方法，也有以0為黑，255為白的方法，這取決于圖像的輸入方法以及用什么樣的觀點對圖像進行處理等，這是在編程時應特別注意的問題。但在只有黑白二值的二值圖像的情形，一[4]般設0為白，1為黑。量化的方法有：(1)分層量化（Hierarchicalquantization）(2)均勻量化（Uniformquantization）(3)非均勻量化（Non-uniformquantization）分層量化是把每一個離散樣本的連續(xù)灰度值分成有限多的層次。均勻量化是把第3頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………源圖像灰度層次從最暗至最亮均勻分為有限層次，如果采用不均勻分層就是非均勻量化。對連續(xù)的灰度值賦予量化級的，即灰度值方法有：等間隔量化(Equalintervalquantization)和非等間隔量化(Nonequalintervalquantization)。等間隔量化是簡單地把采樣值的灰度范圍等間隔地分割并進行量化。非均勻量化是依據一幅圖像具體的灰度值分布的概率密度函數，按總的量化誤差的最小的原則來進行量化。實用中一般采用等間隔量化。3.采樣、量化和圖像細節(jié)的關系上面的數字化過程，需要確定數值N和灰度級的級數K。在數字圖像處理中，一般都取成2的整數冪，即:N2nK2m(2-1)(2-2)一幅數字圖像在計算機中所占的二進制存儲位數b為:blog(2)N*N*m(bit)(2-3)m*NN例如，灰度級為256級(m=8)的512×512的一幅數字圖像，需要大約210萬個存儲位。隨著N和m的增加，計算機所需要的存儲量也隨之迅速增加。由于數字圖像是連續(xù)圖像的近似，從圖像數字化的過程可以看到。這種近似的程度主要取決于采樣樣本的大小和數量(N值)以及量化的級數K(或m值)。N和K的值越大，圖像越清晰。2.2數字圖像處理的基本內容2.2.1基本概念數字圖像處理(DigitalImageProcessing)是通過計算機對圖像進行去除噪聲、增強、復原、分割、提取特征等處理的方法和技術。相對于以往的數字圖像處理方法，數字圖像處理是一次新的“工業(yè)革命”，它徹底改變了以往人們處理圖像時所采用的手段，成為圖像處理中一個嶄新的方向。數字圖像處理的產生和迅速發(fā)展主要受三個因素的影響：一是計算機的發(fā)展；二是數學的發(fā)展(特別是離散數學理論的創(chuàng)立和完善)；三是廣泛的農牧業(yè)、林業(yè)、環(huán)境、軍事、工業(yè)和醫(yī)學等方面的應用需求的增長。2.2.2數字圖像處理的主要內容從系統整體研究的角度來看，數字圖像處理的研究內容主要包括以下幾個方面：圖像的獲取、表示與表現，圖像增強、圖像復原、圖像分割、圖像分析、圖像重建及圖像編碼壓縮等。其中，數字圖像處理包括：算術/邏輯操作和幾何運算、圖像增強、圖像分割、圖像形態(tài)學處理、模式識別、圖像復原、圖像壓縮等內容。（1）算術/邏輯操作圖像中的算術/邏輯操作主要以像素對像素為基礎在兩幅或多幅圖像間進行（其中不包含邏輯非操作，它在單一影像中進行）。第4頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………對圖像的邏輯操作同樣也是基于像素的。“與或非”這三種邏輯算子完全是函數化的。當我們對灰度級圖像進行邏輯操作時，像素值作為一個二進制的字符串來處理。在四種算術操作中，減法與加法在圖像處理中最有用。我們簡單的把兩幅圖像想除看成是用一副的取反圖像與另一幅圖像相乘。在四種代數運算操作中加法運算可用于降低圖像中加性隨機噪聲的污染；減法運算則可以檢測圖像中物體的運動變化；乘法運算可用于標記圖像中的感興趣區(qū)域；除法運算則經常用于多光譜遙感圖像的分析處理，以擴大不同物體之間的差異。（2）幾何變換幾何運算用于改變圖像中像素與像素之間的空間位置關系，從而改變圖像的空間結構，達到處理圖像的目的。簡單而言，圖像幾何變換就是建立一種源圖像像素與變換后的圖像像素之間的映射關系。主要包括圖像的平移、縮放、旋轉、鏡像和轉置變換等。（3）圖像增強圖像增強是圖像處理最關鍵的研究問題之一，圖像增強按作用域可分為兩類，即空域處理和頻域處理?？沼蛱幚硎侵苯訉D像進行處理，而頻域處理則是在圖像的某個變化域內，對圖像的變換系數進行運算，然后通過逆變換獲得圖像增強效果。圖像增強可以突出圖像中的某些“有用”信息，擴大圖像中不同物體特征之間的差別，改善圖像的視覺效果。圖像增強的算法包括直方圖增強，空域濾波增強，頻域濾波增強和彩色增強等。（4）圖像分割圖像分割將圖像細分為構成它的子區(qū)域或對象。圖像分割算法一般基于亮度值的兩個基本特性之一：不連續(xù)性和相似性。第一類方法基于亮度的不連續(xù)變化分割圖像，比如圖像的邊緣。第二類方法依據事先制定的準則將圖像分割為相似的區(qū)域。圖像分割包括間斷檢測，邊緣檢測，門限處理等。（5）圖像形態(tài)學處理圖像形態(tài)學由一組形態(tài)學代數算子組成，最基本的形態(tài)學代數算子包括腐蝕、膨脹、開運算、閉運算等，通過組合應用這些算子，可以實現對圖像形狀、結構的分析和處理。數學形態(tài)學可以完成圖像分割、特征提取、邊界檢測、圖像濾波、圖像增強和恢復等工作。（6）模式識別模式識別總是從大量信息和數據出發(fā)，在一定的經驗和認識基礎上，利用計算機和數學的推理的方法對信息進行自動識別。模式識別系統一般包括4個部分，即數據獲取、預處理、特征提取和決策分類。（7）圖像復原（恢復）由于設備造成的掃描線漏失、錯位等各種原因不可避免造成圖像質量的下降（退化）。圖像的復原就是根據事先建立起來的系統退化模型，將降質了的圖像重建成接近于或完全無退化的原始理想圖像的過程。（8）圖像壓縮第5頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………數字圖像的數據量是很巨大的，然而數字圖像實際上又具有很大的壓縮潛力。圖像壓縮所解決的問題是盡量減少表示數字圖像時所需的數據量。減少數據量的基本原理是出去其中的冗余數據。這種變換在圖像存儲或傳輸之前進行。在以后的某個時候，再對壓縮圖像進行解壓縮，以重構原圖像或原圖像的近似圖像。2.3數字圖像處理的特點和應用2.3.1數字圖像處理的特點（1）優(yōu)點:1.再現性好2.處理精度高3.適用面寬4.靈活性高（2）缺點：1.處理信息量大2.占用頻帶較寬3.像素間相關性大4.無法復制三維景物的全部幾何信息5．人為因素影響較大2.3.2數字圖像處理的應用計算機圖像處理和計算機、多媒體、智能機器人、專家系統等技術的發(fā)展緊密相關。近年來計算機識別、理解圖像的技術發(fā)展很快，也就是圖像處理的目的除了直接供人觀看（如醫(yī)學圖像是為醫(yī)生觀看作診斷）外，還進一步發(fā)展了與計算機視覺有關的應用，如郵件自動分檢，車輛自動駕駛等。下面僅羅列了一些典型應用實例，而實際應用更廣。（1）在生物醫(yī)學中的應用主要包括顯微圖像處理；DNA顯示分析；紅、白血球分析計數；蟲卵及組織切片的分析；癌細胞的識別；染色體分析等等。（2）遙感航天中的應用軍事偵察、定位、導航、指揮等應用；多光譜衛(wèi)星圖像分析；地形、地圖、國土普查；地質、礦藏勘探；天文、太空星體的探測及分析等。（3）工業(yè)應用CAD和CAM技術用于模具、零件制造、服裝、印染業(yè)；零件、產品無損檢測，焊縫及內部缺陷檢查；交通管制、機場監(jiān)控；火車車皮識別等。（4）軍事公安領域中的應用巡航導彈地形識別；指紋自動識別；警戒系統及自動火炮控制；反偽裝偵察；手跡、人像、印章的鑒定識別；過期檔案文字的復原；集裝箱的不開箱檢查等。（5）遙感上的應用在遙感的發(fā)展中，可以看到大量與圖像處理密切相關的技術。如在20世紀70年代美國發(fā)射的第一顆陸地衛(wèi)星就是通過對獲取的遙感圖片進行處理后達到上述目第6頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………的的。隨后美國發(fā)射了海洋衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星和軍用衛(wèi)星，從而獲取了大量遙感資料。此圖像處理廣泛應用于土地測繪、資源調查、氣象監(jiān)測、環(huán)境污染監(jiān)測、森林防護等。（6）其他應用圖像的遠距離通信；多媒體計算機系統及應用；電視電話；服裝試穿顯示；理發(fā)發(fā)型預測顯示；電視會議；辦公自動化、現場視頻管理等。2.4數字圖像類型MATLAB中，一幅圖像可能包含一個數據矩陣，也可能包含一個顏色映射表矩陣。MATLAB中有四種基本的圖像類型：（1）二值圖像（二進制圖像）二值圖像也叫黑白圖像，就是圖像像素只存在0、1兩個值。一個二值圖像是純黑白的。每一個像素值將取0或者1中的一個值，通常0表示黑，1表示白。二值圖像可以保存為雙精度或uint8類型的雙精度數組，顯然使用uint8類型更節(jié)省空間。在圖像處理工具箱中，任何一個返回二進制圖像的函數都是以uint8類型邏輯數組來返回的。（2）灰度圖像在MATLAB中，灰度圖像是保存在一個矩陣中的，矩陣中的每一個元素代表一個像素點。矩陣可以是雙精度類型，其值域為[0，1]；也可以為uint8類型，其數據范圍為[0，255]。矩陣的每個元素代表不同的亮度或灰度級。彩色圖像轉化為灰度圖像公式：Y=0.299R+0.578G+0.144B(2-4)（3）索引圖像索引圖像包括圖像矩陣與顏色圖數組，其中，顏色圖是按圖像中顏色值進行排序后的數組。對于每個像素，圖像矩陣包含一個值，這個值就是顏色圖中的索引。顏色圖為m*3雙精度值矩陣，各行分別指定紅綠藍（RGB）單色值。Colormap=[R，G，B]，R，G，B為值域為[0，1]的實數值。圖像矩陣與顏色圖的關系依賴于圖像矩陣是雙精度型還是uint8（無符號8位整型）類型。如果圖像矩陣為雙精度類型，第一點的值對應于顏色圖的第一行，第二點對應于顏色圖的第二行，依次類推。如果圖像矩陣是uint8，有一個偏移量，第0點值對應于顏色圖的第一行，第一點對應于第二行，依次類推；uint8長用于圖形文件格式，它支持256色。（4）RGB圖像與索引圖像一樣，RGB圖像分別用紅，綠，藍三個亮度值為一組，代表每個像素的顏色。與索引圖像不同的是，這些亮度值直接存在圖像數組中，而不是存放在顏色圖中。圖像數組為M*N*3，M，N表示圖像像素的行列數。2.5主要圖像文件格式(1)JPEG(JointPhotographicExpertsGroup)格式，是一種成為聯合圖像專第7頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………家組的圖像壓縮格式。文件后綴名為“.jpeg”或“.jpg”，是最常用的圖像文件格式。JPEG是一種有損壓縮格式，能夠將圖像壓縮在很小的存儲空間內。(2)TIFF（TaggedImageFileFormat）格式。它是目前圖像文件格式中最復雜的一種。處理1，4，8，24位非壓縮圖像，1，4，8，24位packbit壓縮圖像，一位CCITT壓縮圖像等。且它支持單色到32位真彩色模式的所有圖像。文件內容包括：文件頭，參數指針表與參數域，參數數據表和圖像數據四部分。(3)BMP（WindowsBitmap）格式。它是一種與硬件設備無關的圖像文件格式，使用非常廣。有1，4，8，24位非壓縮圖像，8位RLE（Run-lengthEncoded）圖像。文件內容包括：文件頭（一個BITMAPFILEHEADER數據結構），位圖信息數據塊（位圖信息頭BITMAPINFOHEADER和一個顏色表）和圖像數據。(4)GIF(GraphicsInterchangeFormat)格式。原義是“圖像互換格式”，是CompuServe公司在1987年開發(fā)的圖像文件格式。GIF文件的數據，是一種基于LZW算法的連續(xù)色調的無損壓縮格式。其壓縮率一般在50%左右，它不屬于任何應用程序。目前幾乎所有相關軟件都支持它，公共領域有大量的軟件在使用GIF圖像文件。GIF圖像文件的數據是經過壓縮的，而且是采用了可變長度等壓縮算法。GIF格式的另一個特點是其在一個GIF文件中可以存多幅彩色圖像，如果把存于一個文件中的多幅圖像數據逐幅讀出并顯示到屏幕上，就可構成一種最簡單的動畫。(5)PCX（WindowsPaintbrush）格式。它是最早使用的圖像文件格式之一。PCX格式支持256種顏色，不如TIFF等格式功能強，但結構比較簡單，存取速度快，壓縮比適中，適用于一般軟件的使用?？商幚?，4，8，16，24位等圖像數據。文件內容包括：文件頭（128字節(jié)），圖像數據、擴展顏色映射表數據。(6)HDF（HierarchicalDataFormat）格式。有8位、24位光柵數據集。(7)PNG（PortableNetworkGraphics）：包括1位、2位、4位、8位和16位灰度圖像，8位和16位索引圖像，24位和48位真彩色圖像。(8)RAS（SunRasterimage）：有1位bitmap、8位索引、24位真彩色和帶有透明度的32位真彩色。[12](9)CO（WindowsIconresource）：有1位、4位、8位非壓縮圖像。第8頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………第3章MATLAB仿真軟件的簡介3.1MATLAB的歷史背景在20世紀70年代中期，CleveMoler博士和其同事在美國國家科學基金的資助下開發(fā)了調用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫。EISPACK是特征值求解的FORTRAN程序庫，LINPACK是解線性方程的程序庫。在當時，這兩個程序庫代表矩陣運算的最高水平。到20世紀70年代后期，身為美國NewMexico大學計算機系系主任的CleveMoler，在給學生講授線性代數課程時，想教學生使用EISPACK和LINPACK程序庫，但他發(fā)現學生用FORTRAN編寫接口程序很費時間，于是他開始自己動手，利用業(yè)余時間為學生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。CleveMoler給這個接口程序取名為MATLAB，該名為矩陣（matrix）和實驗室（laboratory）兩個英文單詞的前三個字母的組合。在以后的數年里，MATLAB在多所大學里作為教學輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費軟件廣為流傳。1983年春天，CleveMoler到Stanford大學講學，MATLAB深深地吸引了工程師JohnLittle。JohnLittle敏銳地覺察到MATLAB在工程領域的廣闊前景。同年，他和CleveMoler、SieveBangert一起，用C語言開發(fā)了第二代專業(yè)版。這一代的MATLAB語言同時具備了數值計算和數據圖示化的功能。1984年，CleveMoler和JohnLithe成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市場，并繼續(xù)進行MATLAB的研究和開發(fā)。在當今30多個數學類科技應用軟件中，就軟件數學處理的原始內核而言，可分為兩大類。一類是數值計算型軟件，如MATLAB、Xmath、Gauss等，這類軟件長于數值計算，對處理大批數據效率高；另一類是數學分析型軟件，如Mathematica、Maple等，這類軟件以符號計算見長，能給出解析解和任意精度解，其缺點是處理大量數據時效率較低。MathWorks公司順應多功能需求之潮流，在其卓越數值計算和圖示能力的基礎上，又率先在專業(yè)水平上開拓了其符號計算、文字處理、可視化建模和實時控制能力，開發(fā)了適合多學科、多部門要求的新一代科技應用軟件MATLAB。經過多年的國際競爭，MATLAB已經占據了數值型軟件市場的主導地位。在MATLAB進入市場前，國際上的許多應用軟件包都是直接以FORTRAN和C語言等編程語言開發(fā)的。這種軟件的缺點是使用面窄、接口簡陋、程序結構不開放以及沒有標準的基庫，很難適應各學科的最新發(fā)展，因而很難推廣。MATLAB的出現，為各國科學家開發(fā)學科軟件提供了新的基礎。在MATLAB問世不久的20世紀80年代中期，原先控制領域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在MATLAB上重建。時至今日，經過MathWorks公司的不斷完善，MATLAB已經發(fā)展成為適合多學科、多種工作平臺的功能強勁的大型軟件。在國外，MATLAB已經經受了多年考驗。在歐美等高校，MATLAB已經成為線性代數、自動控制理論、數理統計、數字信號處理、時間序列分析、動態(tài)系統仿真等高級課程的基本教學工具；成為攻讀學位的大第9頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………學生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在設計研究單位和工業(yè)部門，MATLAB[13]被廣泛用于科學研究和解決各種具體問題。3.2MATLAB簡介MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環(huán)境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態(tài)系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB是MATrixLABoratory（“矩陣實驗室”）的縮寫，不僅具備完善的科學計算功能，而且能勝任眾多專業(yè)領域的仿真和設計任務，甚至能自動生成直接與硬件關聯的代碼，在圖像處理、系統仿真、數字信號處理、自動控制等領域都有著廣泛的應用。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學,工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，FORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多。MATLAB包括擁有數百個內部函數的主包和三十幾種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學科工具包。功能工具包用來擴充MATLAB的符號計算，可視化建模仿真，文字處理及實時控制等功能。學科工具包是專業(yè)性比較強的工具包，控制工具包，信號處理工具包，通信工具包等都屬于此類。MATLAB圖像處理工具箱包括：（1）圖像處理工具箱（ImageProcessingToolbox)它為工程師和科學家提供了一套完整的用于圖像處理和分析的函數，總共超過了200個圖像處理函數，用戶只需要花少量的時間在算法編程上，而可以把大量時間用于問題的分析處理上。（2）圖像獲取工具箱(ImageAcquisitionToolbox)它擴展了MATLAB的強大科學計算能力，允許直接在MATLAB環(huán)境下通過工業(yè)標準硬件設備獲取圖像和視頻信號。（3）地圖工具箱(MappingToolbox)它與MATLAB組合起來提供了一個完整的分析和顯示地理信息的環(huán)境，利用該工具箱提供的函數，工程師可以用來分析地理數據，進行地圖顯示，調用外部地圖數據源。3.3MATLAB的特點MATLAB軟件具有如下特點：(1)它的語言非常接近自然語言，因此，具有一定程序設計基礎的人學起來比較容易。運算符豐富，具有結構化的控制語句（如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句），又有面向對象編程的特性。它的程序限制不嚴格，程序設計自由度大，而且具有源程序的開放性。第10頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………(2)該軟件提供了大量的內部函數，讓用戶在使用時非常方便，此外，日益龐大的Toolbox更是讓該軟件的應用領域越來越廣泛。(3)該軟件語言以向量矩陣為著眼點，因此它比較適于進行數值分析。(4)它的繪圖功能強大，由于MATLAB在世界范圍內特別是在工程計算領域的流行，越來越多的人開始青睞并使用這套軟件。(5)MATLAB的缺點是，它和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，所以速[14]度較慢。3.4MATLAB在數字圖像中的運用圖像處理工具包是由一系列支持圖像處理操作的函數組成的。所支持的圖像處理操作有:圖像的幾何操作、鄰域和區(qū)域操作、圖像變換、圖像恢復與增強、線性濾波和濾波器設計、變換(DCT變換等)、圖像分析和統計、二值圖像操作等。下面就MATLAB在圖像處理中各方面的應用分別進行介紹。（1）圖像文件格式的讀寫和顯示。MATLAB提供了圖像文件讀入函數imread()，用來讀取如:bmp、tif、tiffpcx、jpg、gpeg、hdf、xwd等格式圖像文；圖像寫出函數imwrite()，還有圖像顯示函數image()、imshow()等等。（2）圖像處理的基本運算。MATLAB提供了圖像的和、差等線性運算，以及卷積、相關、濾波等非線性算。例如，conv2(I，J)實現了I，J兩幅圖像的卷積。（3）圖像變換。MATLAB提供了一維和二維離散傅立葉變換(DFT)、快速傅立葉變換(FFT)、離散余弦變換(DCT)及其反變換函數，以及連續(xù)小波變換(CWT)、離散小波變換(DWT)及其反變換。（4）圖像的分析和增強。針對圖像的統計計算MATLAB提供了校正、直方圖均衡、中值濾波、對比度調整、自適應濾波等對圖像進行的處理。（5）圖像的數學形態(tài)學處理。針對二值圖像，MATLAB提供了數學形態(tài)學運算函數；腐蝕(Erode)、膨脹(Dilate)算子，以及在此基礎上的開(Open)、閉(Close)算子、厚化(Thicken)、薄化(Thin)算子等豐富的數學形態(tài)學運算。（6）此外，還有一些重要的函數在MATLAB中的應用：①使用imnoise添加噪聲。②使用imfinfo用于圖像文件信息查詢。③使用montage函數來顯示多幀圖像陣列。④使用immovie函數顯示多幀圖像陣列中創(chuàng)建MATLAB電影動畫。⑤使用zoom函數來實現圖像上任一區(qū)域的縮放。⑥使用warp函數將圖像作為紋理進行映射。⑦使用subimage函數在一個圖像窗口中顯示多幅圖像。以上所提到的MATLAB在圖像中的應用都是由相應的MATLAB函數來實現的，使用時，只需按照函數的調用語法正確輸入參數即可。具體的用法可參考MATLAB豐富的幫助文檔。圖像邊緣對圖像識別和計算機分析十分有用，在MATLAB中，函數edge()用于灰度圖像邊緣的提取，它支持六種不同的邊緣提取方法，即Sobel方第11頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………法、Prewitt方法、Robert方法，Laplacian2Gaussian方法、過零點方法和Canny[15]方法。第12頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………第4章二值圖像分析二值圖像中所有的像素只能從0和1這兩個值中取，因此在MATLAB中，二值圖像用一個由0和1組成的二維矩陣表示。這兩個可取的值分別對應于關閉和打開，關閉表征該像素處于背景，而打開表征該像素處于前景。也就是說它指每個像素是不是黑就是白，其灰度值沒有中間過渡的圖像。二值圖像一般用來描述文字或者圖形，它的特點：（1）優(yōu)點：占用空間少，更容易識別出圖像的結構特征。（2）缺點：當表示人物，風景的圖像時，二值圖像只能描述其輪廓，不能描述細節(jié)。這時候要用更高的灰度級。二值圖像經常使用位圖格式存儲。4.1二值圖像的實現二值圖像操作只返回與二值圖像的形式或結構有關的信息，如果希望對其他類型的圖像進行同樣的操作，則首先要將其轉換為二進制的圖像格式，可以通過調用MATLAB提供的im2bw（）來實現，方法如下：MATLAB程序代碼：I=imread('jiafeimao.jpg');figure,imshow(I);J=im2bw(I);%二值化處理figure,imshow(J);運行程序，得到圖4-1：(1)原圖（2）二值圖像圖4-1圖像二值化4.2二值形態(tài)學的基本運算數學形態(tài)學的基礎是集合運算，我們把二值圖像A看作是二維坐標點的集合，包含圖像里為1的點，B通常是一個小的集合，作用類似于模板?；具\算有：（1）膨脹（Dilation）運算：定義為A⊕B。（2）腐蝕（Erosion）運算：定義為AB。第13頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………（3）開（Open）運算:開運算是先對圖像進行腐蝕，然后再進行膨脹的結果。用B對A進行形態(tài)學開操作可以記為，它的定義為(4-1):ABABBB(4-1)（4）閉（Close）運算：閉運算是先對圖像進行膨脹，然后再進行腐蝕的結果。用B對A進行形態(tài)學開操作可以記為?，它的定義為(4-2):ABA?BABB(4-2)4.2.1膨脹膨脹的算符為，A用B來膨脹寫作AB，這里先將A和B看作是所有取值為1的像素點的集合。其定義為：(4-3)ABxBAx其中B表示集合B的反射，表示對B的反射進行位移x。A與B的交集不Bx能為空集。B膨脹A的過程是：先對B做關于中心像素的映射，再將其映像平移x，換句話說，用B來膨脹A得到的集是B平移后與A至少有一個非零元素相交時B的中心像素的位置的集合。膨脹是使區(qū)域從四周向外擴大，給圖像中的對象邊界添加像素；而腐蝕則是使區(qū)域從四周同時向內縮小，刪除對象邊界某些像素。在MATLAB中利用imdilate函數來實現膨脹操作。下面用MATLAB例子來說明。MATLAB膨脹程序代碼如下：clearall;bw=imread('text.png');se=strel('line',11,90);bw2=imdilate(bw,se);figure;imshow(bw);figure;imshow(bw2);運行程序，得到如圖4-2：第14頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………(1)原圖(2)圖像膨脹圖4-2二值圖像膨脹4.2.2腐蝕腐蝕的算符為，A用B來腐蝕寫作AB。其定義為Bx|()}(4-4)x用B來腐蝕A得到集合是B完全包括在A中時B的中心像素位置（原點位置）的集合。平移后的B與A的背景并不疊加。在MATLAB圖像處理工具箱中提供了imerode函數實現圖像的腐蝕操作。MATLAB二值腐蝕程序代碼如下：clearall;I=imread('circles.png');se=strel('disk',11);J=imerode(I,se);figure;imshow(I);figure;imshow(J);運行程序，得到如圖4-3：(1)原圖(2)圖像腐蝕圖4-3二值圖像腐蝕第15頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………可以從圖4-2中看出膨脹使圖像的邊界像素增多，區(qū)域從四周向外擴大了，造成圖像變得模糊了，邊界重疊了。從圖5-3中看出腐蝕使圖像邊界像素減少，區(qū)域從四周縮小，亮點減少。4.3二值分析進行圖像處理綜合應用4.3.1噪聲濾除將開啟運算和閉合運算結合起來可構成噪聲濾除器。開啟就是先對圖像進行腐蝕后膨脹的結果。閉合就是先對圖像進行膨脹后腐蝕的結果。開啟和閉合這兩種運算都可以除去比結構元素小特定圖像細節(jié)，同時保證不產生全局幾何失真。開啟運算可以把結構元素小的突刺濾掉，切斷細長搭接而起到分離作用。閉合運算可以把比結構元素小的缺口或孔填充上，搭接短的間斷而起到連通的作用。開啟運算將背景上的噪聲去除了；再進行閉合運算則將其他噪聲去掉。這樣就構成了噪聲濾除器，起到了去除噪聲的作用。MATLAB中還提供了預定義的形態(tài)函數bwmorph，利用bwmorph(I,'open')可以對I圖像進行形態(tài)開運算，利用bwmorph(I,'close')可以對I圖像進行形態(tài)閉運算。MATLAB噪聲去除程序代碼如下：I1=imread('jiafeimao.jpg');I2=im2bw(I1);I2=double(I2);I3=imnoise(I2,'salt&pepper');I4=bwmorph(I3,'open');I5=bwmorph(I4,'close');figure;subimage(I2);figure;subimage(I3);figure;subimage(I4);figure;subimage(I5);運行程序，得到如圖4-4：第16頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………(1)二值圖像(2)加入椒鹽噪聲的圖像50100150200250300350(3)開運算所得圖像(4)再閉運算所得圖像圖4-4噪聲濾除4.3.2邊緣提取集合A的邊界表示為f(A)，它可以通過先由B對A進行腐蝕，然后用A減去腐蝕后的圖像得到邊緣，即式(4-5)：fAAAB(4-5)其中，B是一個適當的結構元素。當然，也可以先由B對A膨脹，再用膨脹后的圖像減去A得到邊緣，即式(4-6)：f(A)ABA(4-6)在MATLAB圖像處理工具中提供了bwperim函數用于對二值圖像進行邊緣提取。MATLAB邊緣提取程序代碼如下：I1=imread('jiafeimao.jpg');I2=im2bw(I1);I3=bwperim(I2);subplot(1,2,1);imshow(I2);subplot(1,2,2);imshow(I3);第17頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………運行程序，得到如圖4-5：(1)二值圖像（2)邊緣處理的圖像圖4-5邊緣處理4.3.3特征提取在進行圖像處理時，會希望獲得圖像中改變某些特征的信息，例如，膨脹和腐蝕從定量的角度上來看就是二值圖像中各對象面積的增大或者縮小。特征提取包括計算圖像面積、歐拉數計算、移除對象、區(qū)域填充。在這里著重介紹計算圖像面積。在MATLAB圖像處理工具箱中提供了bwarea函數來計算二值圖像的面積。面積粗略的說就是圖像中前景的像素的個數。MATLAB邊緣提取程序代碼如下：clearall;I1=imread('jiafeimao.jpg');I=im2bw(I1);disp('膨脹前圖像面積為:')bwarea(I)SE=ones(5);I2=imdilate(I,SE);disp('膨脹后圖像面積為:')bwarea(I2)運行程序，得到如下結果：膨脹前圖像面積為:ans=7.6120e+004膨脹后圖像面積為:ans=8.2933e+004第18頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………第5章圖像增強圖像增強是圖像處理的主要任務之一，它的目的是采用某種技術手段，改善圖像的視覺效果，或將圖像轉換成更加適合人眼觀察和機器分析、識別的形式，以便從圖像中獲取更有用的信息。圖像增強算法的應用是有針對性的，并不存在通用的增強算法。圖像增強的基本方法可以分為兩大類：(1)空間域方法空間域是指圖像平面自身，這類方法是以對圖像的像素直接處理為基礎的。它包括空域變換增強、空域濾波增強（包括平滑濾波器和銳化濾波器）?？沼蛟鰪姺椒杀硎緸?5-1)：g(x,y)=EH[f(x,y)](5-1)其中f（x，y）和g（x，y）分別為增強前后的圖像，EH代表增強操作。(2)頻域方法頻率域處理技術是以修改圖像的傅里葉變換為基礎的，也就是將原來的圖像空間中的圖像以某種形式轉換到其他空間中，然后利用該空間的特有性質方便地進行圖像處理，最后再轉換回原來的圖像空間中，從而得到處理后的圖像。它包括低通濾波、高通濾波、同態(tài)濾波周圍底紋清除濾波（以前兩種為主）。頻域增強方法可表示為(5-2)：'Fu,vHu,vFu,v(5-2)Huv,為濾波器，Fuv,和F'u,v分別為增強前后的圖像。其中5.1空域變換增強5.1.1增強對比度（線性變換）對比度增強是增強技術中一種比較簡單但又十分重要的方法。這種方法按照一定的規(guī)則，逐點修改輸入圖像每一像素的灰度，從而改變圖像灰度的動態(tài)范圍。其對應的變換圖像如圖4-1所示。對應的公式為（5-3）：kfx,yfx,yf11gx,ykfx,yb;ffx,yf(5-3)211fxyf,2,;kfxybf3223在圖5-1中可以看出，通過變換可以使原圖的較高的和較低的灰度值的動態(tài)范[16]圍減小了，而原圖在二者之間的動態(tài)范圍增加了，從而其范圍的對比度增加了。第19頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………圖5-1增強對比度MATLAB增強對比度程序代碼如下：X1=imread('333.jpg');figure,imshow(X1)f0=0;g0=0;f1=70;g1=30;f2=180;g2=230;f3=255;g3=255;r1=(g1-g0)/(f1-f0);b1=g0-r1*f0;r2=(g2-g1)/(f2-f1);b2=g1-r2*f1;r3=(g3-g2)/(f3-f2);b3=g2-r3*f2;[m,n]=size(X1);X2=double(X1);fori=1:mforj=1:nf=X2(i,j);g(i,j)=0;if(f>=0)&(f<=f1)g(i,j)=r1*f+b1;elseif(f>=f1)&(f<=f2)g(i,j)=r2*f+b2;elseif(f>=f2)&(f<=f3)g(i,j)=r3*f+b3;endend第20頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………endfigure,imshow(mat2gray(g))運行得到如下結果：圖5-2原圖圖5-3增強對比度后圖像在MATLAB中還提供了imadjust對比度調整函數，用于調整灰度值或者顏色圖，但處理圖像只能是灰度圖像。MATLAB程序代碼如下：clearall;I=imread('333.jpg');subplot(1,2,1);imshow(I);J=imadjust(I);subplot(1,2,2);imshow(J);運行程序得到如下結果圖5-4：(1)原始圖像(2)增強對比度后圖像圖5-4增強對比度5.1.2圖像求反所謂對圖像求反是將原來的灰度值翻轉，簡單的說就是使黑變白，使白變黑。假設對灰度級范圍是[0,L-1]變換到[L-1,0],變換公式為(5-4):tL1s這種方法尤其適用于增強嵌入于圖像暗色區(qū)域的白色或灰色細節(jié)。MATLAB圖像求反程序代碼如下：(5-4)clearall;第21頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………I=imread('999.jpg');figure,imshow(I);J=double(I);J=256-1-J;J=uint8(J);figure,imshow(J);運行程序得到如下結果圖5-5：(1)原始圖像(2)圖像求反后圖像圖5-5圖像其反5.2空域濾波增強一般情況下，像素的鄰域比該像素要大，也就是說這個像素的鄰域中除了本身以外還包括其他像素。在這種情況下，g(x,y)在(x,y)位置處的值不僅取決于f(x,y)在以(x,y)為中心的鄰域內所有的像素的值。為在鄰域內實現增強操作，?？衫媚０迮c圖像進行卷積。每個模板實際上是一個二維數組，其中各個元素的取值定了模板的功能，這種模板操作也稱為空域濾波。仍以s和t分別表示f(x,y)在(x,y)位置處的增強前后的灰度值，并以n(s)代表f(x,y)在(x,y)鄰域內像素的灰度值，則t=EA[s,n(s)]。5.2.1原理根據其特點，空域濾波一般可分為線性濾波和非線性濾波兩類。線形濾波器的設計?；趯Ω盗⑷~變換的分析。非線形空域濾波器則一般直接對鄰域進行操作。另外各種濾波器根據功能又主要分成平滑濾波器和銳化濾波器。平滑可用低通來實現，平滑的目的是模糊和消除噪聲。銳化可用高通來實現，銳化的目的是為了增強被模糊的細節(jié)。所以共有（非）線性平滑濾波器和（非）線性銳化濾波器四種空間濾波增強方法。平滑濾波器：它能減弱或消除傅立葉空間的高頻分量，但不影響低頻分量。因為高頻分量對應圖像中的區(qū)域邊緣等灰度值具有較大較快變化的部分，濾波器將這些分量濾去可使圖像平滑。第22頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………銳化濾波器：它能減弱或消除傅立葉空間的低頻分量，但不影響高頻分量。因為低頻分量對應圖像中灰度值緩慢變化的區(qū)域，因而與圖像的整體特性，如整體對比度和平均灰度值等有關，將這些分量濾去可使圖像銳化?？沼驗V波器都是利用模板卷積，主要步驟如下：（1）將模板在圖中漫游，并將模板中心與圖中某個像素位置重合；（2）將模板上的系數與模板下對應的像素相乘；（3）將所有的乘積相加；（4）將模板的輸出響應賦給圖中對應模板中心位置的像素。[17]下面分別介紹在MATLAB中如何應用平滑和銳化濾波器。5.2.2線性平滑濾波器（領域均值法）線性平滑濾波可以去除圖像中某些類型的噪聲，其中領域平均法就是常用的簡單空間域線性平滑噪聲技術。領域平均法將一個像素及其領域中所有的像素的平均值賦給輸出圖像中相應的像素，從而達到平滑的目的，又稱均值濾波。對于給定圖像f（x，y）中的每個像素點（i，j），設其領域S，S含有M個像素，假定噪聲n（x，y）是加性噪聲，在空間各點互不相關，且期望為0，方差為2，領域平均處理后的圖像為g（x，y），則有(5-5):1M1nxygxy,fxy,,(5-5)M從式子中看出噪聲均值不變，噪聲方差變小，說明噪聲強度減弱了，抑制了噪聲。MATLAB領域平均法程序代碼如下：clearall;I=imread('rice.png');J=imnoise(I,'salt&pepper',0.02);figure,imshow(I);figure,imshow(J);K1=filter2(fspecial('average',3),J);%進行3*3模板平滑濾波K2=filter2(fspecial('average',5),J);%進行5*5模板平滑濾波figure,imshow(uint8(K1));figure,imshow(uint8(K2));運行程序，得到如下結果圖5-6：從程序運行后的結果看出，模板越大，去噪能力越強，但同時會讓圖像變得模糊。第23頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………(1)原圖(2)加入椒鹽噪聲的圖像(3)3*3模板平滑濾波器(4)5*5模板平滑濾波器圖5-6線性平滑濾波器領域均值法5.2.3非線性平滑濾波器（中值濾波法）中值濾波器是最常用的非線性平滑濾波器，它也是一種典型的低通濾波器，主要目的是保護圖像邊緣，同時也能去除噪聲，也就是說，能夠在抑制隨機噪聲的同時不使圖像邊緣模糊。與線性平滑濾波不同，中值濾波是將領域中的像素按灰度級排序，取其中間值作為輸出像素中值濾波只依賴于領域的空間范圍和中值計算中涉及的像素數。設f（x，y）表示數字圖像像素點的灰度值，濾波窗口為A的中值濾波器可以定義為(5-6):f(x,y)gx,yMed(5-6)(x,yA中值濾波法的具體步驟：（1）將模板在圖像中漫游，并將模板中心和圖像某個像素的位置重合；（2）讀取模板下對應像素的灰度值；（3）將這些灰度值從小到大排成一列；第24頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………（4）找出這些值排在中間的一個；（5）將這個中間值賦給對應模板中心位置的像素。MATLAB中值濾波程序代碼如下：a=imread('rice.png');b=imnoise(a,'salt&pepper',0.02);%對圖像添加椒鹽噪聲k=medfilt2(b);%中值濾波去噪subplot(1,3,1);imshow(a);subplot(1,3,2);imshow(b);subplot(1,3,3);imshow(k);運行程序，得到如下結果圖5-7：(1)原圖(2)含有椒鹽噪聲圖像(3)中值濾波去噪圖像圖5-7中值濾波法可以看出，對于椒鹽噪聲中值濾波法效果比領域平均法要好很多，圖像也要清晰很多。所以對于椒鹽噪聲一般用中值濾波法更好。5.2.4銳化濾波器在圖像的識別中，需要邊緣鮮明的圖像，即圖像銳化。圖像銳化的目的是為了突出圖像的邊緣信息，加強圖像的輪廓特征，以便于人眼的觀察和機器的識別。因此，從圖像增強的目的來看，它與圖像平滑相反的一類處理。下面主要介紹最常用的線性銳化濾波器。線性高通濾波器是最常用的線性銳化濾波器。這種濾波器的中心系數都是正的，而周圍的系數都是負的。對3*3的模板來說，典型的系數取值是：[0–10；-14–1；0–10]事實上這是拉普拉斯算子，所有的系數之和為0。當這樣的模板放在圖像中灰度值是常數或變化很小的區(qū)域時，其輸出為0或很小。這個濾波器將原來的圖像中的零頻域分量去除了，也就是將輸出的圖像的平均值變?yōu)?，這樣就會有一部分像素的灰度值小于0。在圖像處理中我們一般只考慮正的灰度值，所以還有將輸出圖像的灰度值范圍通過尺度變回到所要求的范圍。第25頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………對于離散函數f（i，j），拉普拉斯算子的表達式為(5-7):2fi,jfijfijfi,j1fi,j14fi,j(5-7)系統取值為[0–10；-18–1；0–10]。MATLAB銳化濾波程序代碼如下：clearall;I=imread('pears1.png');subplot(1,2,1);imshow(I);I=double(I);H=[010,1-41,010];J=conv2(I,H,'same');K=I-J;subplot(1,2,2),imshow(K,[]);運行該程序，得到如下結果圖5-8：可以從圖片得出，圖像的邊緣很鮮明，圖像的輪廓得到了加強，使得原來模糊的圖像清晰了很多，這就是線性銳化濾波器的優(yōu)點所在。(1)原始圖像(2)銳化濾波后圖像圖5-8線性銳化濾波器5.3圖像頻域增強5.3.1頻域增強原理和功能與空域增強一樣，圖像在頻域內處理也可以實現濾波和邊緣檢出的功能。其原理是抑制圖像在變化域某個范圍內的分量，其他分量不受影響，以改變輸出圖像的頻率分布，達到圖像增強的作用。頻域處理技術的基礎是卷積理論。設函數f（x,y）與線性位不變算子h（x,y）的卷積結果是g（x,y），即(5-8):g(x,y)=h(x,y)f(x,y)(5-8)那么根據卷積定理在頻域有(5-9)：G(x,y)=H(u,v)F(u,v)(5-9)第26頁共41頁……………………裝………………訂………………線……………………其中G(x,y)、H(u,v)、F(u,v)分別是g(x,y)、h(x,y)、f(x,y)的傅立葉變在數字圖像處理中，f(x,y)是指輸入圖像，通過傅里葉變換可得到F（m,n)，換。只要選定變換函數H(m,n)，就可以確定G(m,n)，再通過傅里葉反變換得到輸出圖像g(x,y），即