數(shù)字圖像處理課程new

1、鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院數(shù)字圖像處理結(jié)課論文2013 2014第1學(xué)期題 目：基于Matalab的圖像對比處理院系：電子通信工程系 姓名 專業(yè)：電子信息工程專業(yè) 學(xué)號： 摘 要數(shù)字圖像處理是一門新興技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，數(shù)字圖像的實(shí)時處理已經(jīng)成為可能，由于數(shù)字圖像處理的各種算法的出現(xiàn)，使得其處理速度越來越快，能更好的為人們服務(wù)。數(shù)字圖像處理是一種通過計(jì)算機(jī)基于Visual Bisic、Matalab等軟件并采用一定的算法對圖形圖像進(jìn)行處理的技術(shù)。圖像處理的信息量很大，對處理速度的要求也比較高，當(dāng)今社會數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)在各個領(lǐng)域上都有了比較廣泛的應(yīng)用。鑒于MATLAB強(qiáng)大的運(yùn)算和圖形展示功

2、能，使圖像處理變得更加的簡單和直觀，所以本文介紹了MATLAB 語言的特點(diǎn),基于MATLAB的數(shù)字圖像處理環(huán)境及.tif圖片格式，具體介紹了如何利用MATLAB及其圖像處理工具箱采用imadjust函數(shù)、histeq函數(shù)、adapthisteq函數(shù)三種技術(shù)對.tif圖片進(jìn)行對比增強(qiáng)數(shù)字圖像處理操作。關(guān)鍵詞：MATLAB，數(shù)字圖像處理，圖像對比增強(qiáng)目錄1. MATLAB基本知識介紹11.1 MATLAB的概述11.2 MATLAB產(chǎn)生的歷史背景11.4 MATLAB在圖像處理中的應(yīng)用42. Tif圖像格式介紹53. 對灰度圖像pout.tif和彩色圖像shadow.tif的對比增強(qiáng)處理53.1

3、加載灰度圖像pout.tif和彩色圖像shadow.tif53.2 調(diào)整圖像大小53.3 增強(qiáng)灰度圖片pout.tif處理53.4 增強(qiáng)彩色圖像shadow.tif處理7附錄（使用程序）8參考文獻(xiàn)91. MATLAB基本知識介紹1.1 MATLAB的概述MATLAB 是MATrix LABoratory（“矩陣實(shí)驗(yàn)室”）的縮寫，是由美國MathWorks 公司開發(fā)的集數(shù)值計(jì)算、符號計(jì)算和圖形可視化三大基本功能于一體的，功能強(qiáng)大、操作簡單的語言。是國際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué),工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB來解算問題要比用C,

4、FORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多。MATLAB包括擁有數(shù)百個內(nèi)部函數(shù)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(xué)科工具包.功能工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號計(jì)算,可視化建模仿真,文字處理及實(shí)時控制等功能.學(xué)科工具包是專業(yè)性比較強(qiáng)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.開放性使MATLAB廣受用戶歡迎.除內(nèi)部函數(shù)外,所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件,用戶通過對源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包.1.2 MATLAB產(chǎn)生的歷史背景在70年代中期,Cleve Moler博士和其同事在美國國家科學(xué)基金的

5、資助下開發(fā)了調(diào)用EISPACK和LINPACK的FORTRAN子程序庫.EISPACK是特征值求解的FOETRAN程序庫,LINPACK是解線性方程的程序庫.在當(dāng)時,這兩個程序庫代表矩陣運(yùn)算的最高水平.到70年代后期,身為美國New Mexico大學(xué)計(jì)算機(jī)系系主任的Cleve Moler,在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時,想教學(xué)生使用EISPACK和LINPACK程序庫,但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用FORTRAN編寫接口程序很費(fèi)時間,于是他開始自己動手,利用業(yè)余時間為學(xué)生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序.Cleve Moler給這個接口程序取名為MATLAB,該名為矩陣(matrix)和實(shí)驗(yàn)室(lab

6、otatory)兩個英文單詞的前三個字母的組合.在以后的數(shù)年里,MATLAB在多所大學(xué)里作為教學(xué)輔助軟件使用,并作為面向大眾的免費(fèi)軟件廣為流傳.1983年春天,Cleve Moler到Standford大學(xué)講學(xué),MATLAB深深地吸引了工程師John Little.John Little敏銳地覺察到MATLAB在工程領(lǐng)域的廣闊前景.同年,他和Cleve Moler,Steve Bangert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(shù)值計(jì)算和數(shù)據(jù)圖示化的功能.1984年,Cleve Moler和John Little成立了Math Works公司,正式把MATLAB推

7、向市場,并繼續(xù)進(jìn)行MATLAB的研究和開發(fā).在當(dāng)今30多個數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中,就軟件數(shù)學(xué)處理的原始內(nèi)核而言,可分為兩大類.一類是數(shù)值計(jì)算型軟件,如MATLAB,Xmath,Gauss等,這類軟件長于數(shù)值計(jì)算,對處理大批數(shù)據(jù)效率高;另一類是數(shù)學(xué)分析型軟件,Mathematica,Maple等,這類軟件以符號計(jì)算見長,能給出解析解和任意精確解,其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時效率較低.MathWorks公司順應(yīng)多功能需求之潮流,在其卓越數(shù)值計(jì)算和圖示能力的基礎(chǔ)上,又率先在專業(yè)水平上開拓了其符號計(jì)算,文字處理,可視化建模和實(shí)時控制能力,開發(fā)了適合多學(xué)科,多部門要求的新一代科技應(yīng)用軟件MATLAB.經(jīng)過多年的

8、國際競爭,MATLAB以經(jīng)占據(jù)了數(shù)值軟件市場的主導(dǎo)地位.在MATLAB進(jìn)入市場前，國際上的許多軟件包都是直接以FORTRANC語言等編程語言開發(fā)的。這種軟件的缺點(diǎn)是使用面窄，接口簡陋，程序結(jié)構(gòu)不開放以及沒有標(biāo)準(zhǔn)的基庫，很難適應(yīng)各學(xué)科的最新發(fā)展，因而很難推廣。MATLAB的出現(xiàn)，為各國科學(xué)家開發(fā)學(xué)科軟件提供了新的基礎(chǔ)。在MATLAB問世不久的80年代中期，原先控制領(lǐng)域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在MATLAB上重建。時至今日，經(jīng)過MathWorks公司的不斷完善，MATLAB已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科，多種工作平臺的功能強(qiáng)大大大型軟件。在國外，MATLAB已經(jīng)經(jīng)受了多年考驗(yàn)。在歐美等高校，MATLAB

9、已經(jīng)成為線性代數(shù)，自動控制理論，數(shù)理統(tǒng)計(jì)，數(shù)字信號處理，時間序列分析，動態(tài)系統(tǒng)仿真等高級課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生，碩士生，博士生必須掌握的基本技能。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門，MATLAB被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問題。在國內(nèi)，特別是工程界，MATLAB一定會盛行起來。可以說，無論你從事工程方面的哪個學(xué)科，都能在MATLAB里找到合適的功能。1.3 MATLAB語言的特點(diǎn)一種語言之所以能如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它有著不同于其他語言的特點(diǎn)，正如同F(xiàn)ORTRAN和C等高級語言使人們擺脫了需要直接對計(jì)算機(jī)硬件資源進(jìn)行操作一樣，被稱作為第四代計(jì)算機(jī)語言的MAT

10、LAB，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。MATLAB最突出的特點(diǎn)就是簡潔。MATLAB用更直觀的，符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了C和FORTRAN語言的冗長代碼。MATLAB給用戶帶來的是最直觀，最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。以下簡單介紹一下MATLAB的主要特點(diǎn)。（1）語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。MATLAB程序書寫形式自由，利用起豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數(shù)都由本領(lǐng)域的專家編寫，用戶不必?fù)?dān)心函數(shù)的可靠性?？梢哉f，用MATLAB進(jìn)行科技開發(fā)是站在專家的肩膀上。（2）運(yùn)算符豐富。由于MATLAB是用C語言編寫的

11、，MATLAB提供了和C語言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用MATLAB的運(yùn)算符將使程序變得極為簡短。 （3）MATLAB既具有結(jié)構(gòu)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?qū)ο缶幊痰奶匦浴＃?）程序限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。例如，在MATLAB里，用戶無需對矩陣預(yù)定義就可使用。（5）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。（6）MATLAB的圖形功能強(qiáng)大。在FORTRAN和C語言里，繪圖都很不容易，但在MATLAB里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡單。MATLAB還具有較強(qiáng)的編輯圖形界面的能力。（7）MATLAB的缺點(diǎn)是，它和其他

12、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(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序?yàn)榻忉寛?zhí)行，所以速度較慢。（8）功能強(qiáng)大的工具箱是MATLAB的另一特色。MATLAB包含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號計(jì)算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實(shí)時交互功能。功能性工具箱用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如control，toolbox, signl processing toolbox,commumnication toolbox等。這些工具

13、箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進(jìn)行高、精、尖的研究。（9） 源程序的開放性。開放性也許是MATLAB最受人們歡迎的特點(diǎn)。除內(nèi)部函數(shù)以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對源文件的修改以及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。1.4 MATLAB在圖像處理中的應(yīng)用圖像處理工具包是由一系列支持圖像處理操作的函數(shù)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(fù)與增強(qiáng)、線性濾波和濾波器設(shè)計(jì)、變換(DCT變換等) 、圖像分析和統(tǒng)計(jì)、二值圖像操作等。下面就MATLAB 在圖像處理中各

14、方面的應(yīng)用分別進(jìn)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(shù) 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(shù) imwrite() ，還有圖像顯示函數(shù) image()、imshow()等等。（2） 圖像處理的基本運(yùn)算。MATLAB 提供了圖像的和、差等線性運(yùn)算 ，以及卷積、相關(guān)、濾波等非線性算。例如，conv2(I，J)實(shí)現(xiàn)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

15、換函數(shù)，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(qiáng)。針對圖像的統(tǒng)計(jì)計(jì)算MATLAB 提供了校正、直方圖均衡、中值濾波、對比度調(diào)整、自適應(yīng)濾波等對圖像進(jìn)行的處理。（5） 圖像的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理。針對二值圖像，MATLAB 提供了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算函數(shù)；腐蝕(Erode)、膨脹(Dilate)算子，以及在此基礎(chǔ)上的開 (Open)、閉(Close)算子、厚化 (Thicken) 、薄化 (Thin) 算子等豐富的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算。以上所提到的 MATLAB在圖像中的應(yīng)用都是由相應(yīng)的MATLAB函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，使用時，只需按照函數(shù)的調(diào)用語法正確輸入?yún)?shù)即可。具體的用

16、法可參考MATLAB豐富的幫助文檔。圖像邊緣對圖像識別和計(jì)算機(jī)分析十分有用，在MATLAB中，函數(shù) 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方法、Prewitt 方法、Robert 方法，Laplacian2Gaussian方法、過零點(diǎn)方法和Canny方法。2. Tif圖像格式介紹TIFF是一種比較靈活的圖像格式，它的全稱是Tagged Image File Format，文件擴(kuò)展名為TIF或TIFF。TIFF 格式（文件擴(kuò)展名為 .tif 或 .tiff）可以制作質(zhì)量非常高的圖像，因而經(jīng)常用于出版印刷。該格式支持256色、24位真彩色、32位色、48位色

17、等多種色彩位，同時支持RGB、CMYK以及YCbCr等多種色彩模式，支持多平臺,它可以顯示上百萬的顏色（盡管灰度圖像僅局限于 256 色或底紋），通常用于比 GIF 或 JPEG 格式更大的圖像文件。TIFF文件可以是不壓縮的，文件體積較大，也可以是壓縮的，支持RAW、RLE、LZW、JPEG、 CCITT3組和4組等多種壓縮方式。IFF格式（Tag Image File Format）是Macintosh上廣泛使用的圖形格式，具有圖形格式復(fù)雜、存貯信息多的特點(diǎn)。3DS、3DS MAX中的大量貼圖就是TIFF格式的。TIFF最大色深為32bit，可采用LZW無損壓縮方案存儲。多種程序都可以識別

18、它，故在本次圖像處理中采用.tif格式的圖片。3.對灰度圖像pout.tif和彩色圖像shadow.tif的對比增強(qiáng)處理3.1 加載灰度圖像pout.tif和彩色圖像shadow.tifpout = imread(pout.tif);X map = imread(shadow.tif);shadow = ind2rgb(X,map); 3.2 調(diào)整圖像大小width = 210;images = pout,shadow;for k = 1:2 dim = size(imagesk); imagesk = imresize(imagesk,width*dim(1)/dim(2) width,bi

19、cubic);endpout = images1;shadow = images2;3.3 增強(qiáng)灰度圖片pout.tif處理 處理結(jié)果如圖3.3.1-圖3.3.5所示pout_imadjust = imadjust(pout);pout_histeq = histeq(pout);pout_adapthisteq = adapthisteq(pout);imshow(pout);title(Original);figure, imshow(pout_imadjust);title(Imadjust);figure, imshow(pout_histeq);title(Histeq);figur

20、e, imshow(pout_adapthisteq);title(Adapthisteq);figure, imhist(pout), title(pout.tif);圖3.3.53.4 增強(qiáng)彩色圖像shadow.tif處理處理結(jié)果如圖3.4.1-圖3.4.4所示srgb2lab = makecform(srgb2lab);lab2srgb = makecform(lab2srgb);shadow_lab = applycform(shadow, srgb2lab);max_luminosity = 100;L = shadow_lab(:,:,1)/max_luminosity;shado

21、w_imadjust = shadow_lab;shadow_imadjust(:,:,1) = imadjust(L)*max_luminosity;shadow_imadjust = applycform(shadow_imadjust, lab2srgb);shadow_histeq = shadow_lab;shadow_histeq(:,:,1) = histeq(L)*max_luminosity;shadow_histeq = applycform(shadow_histeq, lab2srgb);shadow_adapthisteq = shadow_lab;shadow_ad

22、apthisteq(:,:,1) = adapthisteq(L)*max_luminosity;shadow_adapthisteq = applycform(shadow_adapthisteq, lab2srgb);figure, imshow(shadow);title(Original);figure, imshow(shadow_imadjust);title(Imadjust);figure, imshow(shadow_histeq);title(Histeq);figure, imshow(shadow_adapthisteq);title(Adapthisteq);附錄（使

23、用程序）pout = imread(pout.tif);X map = imread(shadow.tif);shadow = ind2rgb(X,map); width = 210;images = pout,shadow;for k = 1:2 dim = size(imagesk); imagesk = imresize(imagesk,width*dim(1)/dim(2) width,bicubic);endpout = images1;shadow = images2;pout_imadjust = imadjust(pout);pout_histeq = histeq(pout)

24、;pout_adapthisteq = adapthisteq(pout);imshow(pout);title(Original);figure, imshow(pout_imadjust);title(Imadjust);figure, imshow(pout_histeq);title(Histeq);figure, imshow(pout_adapthisteq);title(Adapthisteq);figure, imhist(pout), title(pout.tif);srgb2lab = makecform(srgb2lab);lab2srgb = makecform(lab2srgb);shadow_lab = applycform(sha