武漢理工大學(xué)數(shù)字圖像處理實驗

-.z學(xué)生實驗報告書實驗課程數(shù)字圖像處理學(xué)院信息工程學(xué)院班級信息sy1001姓名指導(dǎo)教師聶明新**062021年6月13日實驗一圖像增強(qiáng)實驗一、實驗?zāi)康?、掌握灰度直方圖的概念及其計算方法；2、掌握根本的圖象增強(qiáng)方法，觀察圖象增強(qiáng)的效果，加深對灰度直方圖的理解;3、掌握直方圖均衡化原理;4、利用MATLAB程序進(jìn)展圖像增強(qiáng).二、實驗原理圖像增強(qiáng)是按指定的需要突出一幅圖像中的*些信息，同時，消弱或去除*些不需要的信息的處理方法。其主要目的是處理后的圖像對*些特定的應(yīng)用比原來的圖像更加有效。圖像增強(qiáng)技術(shù)主要有直方圖修正處理，圖像平滑化處理，圖像鋒利化處理等。本實驗以灰度變換，直方圖均衡化增強(qiáng)圖像比照度的方法為主要內(nèi)容。1.直方圖是圖像的最根本的統(tǒng)計特征，它反響的是圖像的灰度值的分布情況。圖像的直方圖事實上就是圖像的亮度分布的概率密度函數(shù)，是一幅圖像的所有像素集合的最根本的統(tǒng)計規(guī)律。直方圖反映了圖像的明暗分布規(guī)律，可以通過圖像變換進(jìn)展直方圖調(diào)整，獲得較好的的視覺效果。2.直方圖均衡化是通過灰度變換將一幅圖像轉(zhuǎn)換為另一幅具有均衡直方圖，即每個灰度級上都具有一樣像素點(diǎn)數(shù)的過程。直方圖均衡化的目的是使圖像在整個灰度值動態(tài)變化*圍內(nèi)的分布均勻化，改善圖像的亮度分布狀態(tài)，增強(qiáng)圖像的視覺效果。3.灰度線性變換是圖像增強(qiáng)的重要手段之一，它可使圖像動態(tài)*圍加大，使圖像比照度擴(kuò)展，圖像更加清晰，特征更加明顯原圖像f(m,n)的灰度*圍[a,b]線形變換為圖像g(m,n),灰度*圍[a’,b’]公式：g(m,n)=a’+(b’-a’)*f(m,n)/(b-a三、實驗內(nèi)容1.計算出一幅灰度圖象的直方圖；2.對灰度圖像進(jìn)展簡單的灰度線形變換原圖像f(m,n)的灰度*圍[a,b]；線形變換為圖像g(m,n),灰度*圍[a’,b’]；公式：g(m,n)=a’+(b’-a’)*f(m,n)/(b-a)3.圖像二值化〔選取一個域值，將圖像變?yōu)楹诎讏D像〕4.利用直方圖均衡化進(jìn)展圖像增強(qiáng)實驗圖像：Cameraman.bmp、四、實驗結(jié)果及分析1.計算出一幅灰度圖象的直方圖；分析：灰度直方圖〔histogram〕是灰度級的函數(shù)，它表示圖象中具有每種灰度級的象素的個數(shù)，反映圖象中每種灰度出現(xiàn)的頻率?；叶戎狈綀D的橫坐標(biāo)是灰度級，縱坐標(biāo)是該灰度級出現(xiàn)的頻率，是圖象的最根本的統(tǒng)計特征。2.對灰度圖像進(jìn)展簡單的灰度線形變換3.圖像二值化4.利用直方圖均衡化進(jìn)展圖像增強(qiáng)分析：直方圖后，直方圖被拉開，變得較為平直、均勻。這樣，原本比較暗無法分辨的區(qū)域也能很好地分辨出來。實驗二圖像變換實驗一、實驗?zāi)康?、了解圖像變換的意義和手段；2、熟練掌握FFT變換及其應(yīng)用；3、了解圖像離散余弦變換和逆變換的原理及應(yīng)用；4、通過本實驗掌握利用MATLAB編程實現(xiàn)數(shù)字圖像的傅立葉變換和離散余弦變換。二、實驗原理1、應(yīng)用傅立葉變換進(jìn)展圖像處理傅里葉變換是線性系統(tǒng)分析的一個有力工具，它能夠定量地分析諸如數(shù)字化系統(tǒng)、采樣點(diǎn)、電子放大器、卷積濾波器、噪音和顯示點(diǎn)等的作用。通過實驗培養(yǎng)這項技能，將有助于解決大多數(shù)圖像處理問題。2、傅立葉〔Fourier〕變換的定義二維Fourier變換和二維離散傅立葉變換為：圖像的傅立葉變換與一維信號的傅立葉變換變換一樣，有快速算法，具體參見相關(guān)書目，有關(guān)傅立葉變換的快速算法的程序不難找到。實際上，現(xiàn)在有實現(xiàn)傅立葉變換的芯片，可以實時實現(xiàn)傅立葉變換。2．離散余弦變換離散余弦變換的變換核為余弦函數(shù)，計算速度快，有利于圖像壓縮和其他處理。在大多數(shù)情況下，DCT主要用于圖像的壓縮操作中，靜態(tài)圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG就是采用的DCT變換。二維離散余弦變換的正反變換為：三、實驗內(nèi)容1、傅里葉變換熟悉其概念和原理,實現(xiàn)對一幅灰度圖像的快速傅立葉變換,并求其變換后的系數(shù)〔幅度〕分布。2、DCT變換熟悉其概念和原理,實現(xiàn)對一幅圖像做離散余弦變換,選擇適當(dāng)?shù)腄CT系數(shù)閾值對其進(jìn)展DCT反變換。四、實驗結(jié)果及分析1、傅里葉變換2、DCT變換分析：通過DCT反變換重構(gòu)的圖像，看上去有點(diǎn)模糊，失真明顯實驗三圖像分割實驗一、實驗?zāi)康?、理解和掌握圖像邊緣檢測和圖像閾值分割的典型算法。2、能用Matlab編寫程序?qū)崿F(xiàn)圖像邊緣檢測和圖像閾值分割。3、觀察圖像分割的效果二、實驗原理1.邊緣檢測：圖象的邊緣是指圖象局部區(qū)域亮度變化顯著的局部，該區(qū)域的灰度剖面一般可以看作是一個階躍，既從一個灰度值在很小的緩沖區(qū)域內(nèi)急劇變化到另一個灰度相差較大的灰度值。圖象的邊緣局部集中了圖象的大局部信息，圖象邊緣確實定與提取對于整個圖象場景的識別與理解是非常重要的，同時也是圖象分割所依賴的重要特征，邊緣檢測主要是圖象的灰度變化的度量、檢測和定位。2.灰度閾值分割即是先確定一個處于圖像灰度取值*圍內(nèi)的灰度閾值，然后將圖像中各個像素的灰度值與這個閾值相比較：劃分成像素灰度大于閾值的一類和小于閾值的一類。3.雙峰法的原理及其簡單：它認(rèn)為圖像由前景和背景組成，在灰度直方圖上，前后二景都形成頂峰，在雙峰之間的最低谷處就是圖像的閾值所在實驗內(nèi)容1、邊緣檢測分別用sobel、Laplacian-Gaussian方法對一幅灰度圖像進(jìn)展邊緣提取，給出比照結(jié)果；2、灰度閥值分割利用雙峰法對一幅灰度圖像進(jìn)展灰度分割處理。四、實驗結(jié)果及分析1、邊緣檢測分析：Sobel算子并沒有將圖像的主題與背景嚴(yán)格地區(qū)分開來，即Sobel算子并沒有基于圖像灰度進(jìn)展處理，所以提取的圖像輪廓有時并不能令人滿意。Laplacian-Gaussian算子邊緣的細(xì)節(jié)比較豐富，它比sober算子邊緣更完整，效果更好2、灰度閥值分割分析：雙峰法相對簡單，閾值的選擇對雙峰法影響較大。實驗四圖像壓縮實驗一、實驗?zāi)康?、進(jìn)一步熟悉DCT的概念和原理；2、掌握對灰度和彩色圖像作離散余弦變換和反變換的方法；3、能選擇適當(dāng)?shù)牧炕g隔、閾值和區(qū)域進(jìn)展編碼；4、綜合利用變換、量化、Huffman編碼等知識，實現(xiàn)JPEG壓縮編碼。二、實驗原理JPEG壓縮原理：基于DCT的JPEG壓縮過程主要是對圖像的空間冗余進(jìn)展壓縮，其根本過程為：首先進(jìn)展DCT正變換，再對DCT系數(shù)進(jìn)展量化，并對量化后的直流系數(shù)和交流系數(shù)分別進(jìn)展差分編碼和行程編碼，最后進(jìn)展熵編碼。編碼的簡化框圖如圖3.1所示，解碼為其逆過程。壓縮后圖像數(shù)據(jù)壓縮后圖像數(shù)據(jù)熵編碼器量化器源圖像數(shù)據(jù)8×8FDCT熵編碼器量化器源圖像數(shù)據(jù)8×8FDCT量化表Huffman碼表圖3.1JPEG壓縮編碼器框圖2-DCT變換原理：JPEG將源數(shù)據(jù)圖像分成8×8大小的子塊，然后進(jìn)展DCT變換，2-DCT變換公式如下：其中：f〔*,y〕—輸入/輸出圖像取樣值〔基準(zhǔn)系統(tǒng)的取值為[-128，127]〕；C(u,v)—DCT系數(shù)〔基準(zhǔn)系統(tǒng)中C〔u,v〕的取值*圍為[-1023，1023]〕；C〔0，0〕代表DC系數(shù)，其余63個為AC系數(shù)。三、實驗內(nèi)容實現(xiàn)JPEG的壓縮和編碼實現(xiàn)根本JPEG的壓縮和編碼分三個步驟：〔1〕首先通過DCT變換去除數(shù)據(jù)冗余；〔2〕使用量化表對DCT系數(shù)進(jìn)展量化；〔3〕對量化后的系數(shù)進(jìn)展Huffman編碼。1、主程序2、DCT8*8子程序3、AC和DC4.DC編碼5、zigzag掃描程序6、AC編碼四、實驗結(jié)果及分析分析：ImageBitLen=112000，原圖片為324KB,經(jīng)過jpeg編碼后容量約為109KB,明顯變小思考題1.如何讀一幅彩色圖象，以灰度值圖象的形式顯示其RGB各分量?對黑白圖像,R,G,B值均相等,稱為灰度值,每一個像素有一個灰度值.對于8位的灰度圖像,其灰度值*圍為0～255。灰度也可認(rèn)為是亮度，簡單的說就是色彩的深淺程度。實際上在我們的日常生活中，通過三原色色彩深淺的組合，可以組成各種不同的顏色。產(chǎn)品能夠展現(xiàn)的灰度數(shù)量越多，也就意味著這款產(chǎn)品的色彩表現(xiàn)力更加豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)更強(qiáng)的色彩層次。例如三原色16級灰度，能顯示的顏色就是16×16×16=4096色。不過目前的產(chǎn)品256級灰度已經(jīng)非常地普遍了。任何顏色都有紅、綠、藍(lán)三原色組成，假設(shè)原來*點(diǎn)的顏色為RGB(R，G，B)，則，我們可以通過下面幾種方法，將其轉(zhuǎn)換為灰度，通過任一種方法求得Gray后，將原來的RGB(R,G,B)中的R,G,B統(tǒng)一用Gray替換，形成新的顏色RGB(Gray,Gray,Gray)，用它替換原來的RGB(R,G,B)就是灰度圖了。2.對一幅圖像進(jìn)展傅氏變換和余弦變換，觀察其振幅譜的特點(diǎn)傅氏變換：余弦變換