基于MATLAB彩色圖像與增強(qiáng)處理設(shè)計(jì)方法

1、 PAGE15 / NUMPAGES15課程設(shè)計(jì)題 目 基于MATLAB彩色圖像與增強(qiáng)處理設(shè)計(jì)方法 學(xué)生 惠子 學(xué)號(hào) 1110064087 所在院(系)物電學(xué)院專業(yè)班級(jí) 電子信息科學(xué)與技術(shù)1103 指導(dǎo)教師 媛 完成地點(diǎn) 博源樓1102教室 基于MATLAB彩色圖像與增強(qiáng)處理設(shè)計(jì)方法惠子 （理工學(xué)院物電學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)1103班級(jí)， 723000） 指導(dǎo)老師：媛摘要圖像增強(qiáng)是指依據(jù)圖像所存在的問(wèn)題，按特定的需要突出一幅圖像中的某一些信息，同時(shí)，削弱或去除某些冗余信息的處理方法。其主要目的是使得處理后的圖像對(duì)給定的應(yīng)用比原來(lái)的圖像更加有效同時(shí)可以有效的改善圖像質(zhì)量。圖像增強(qiáng)單純從技術(shù)上

2、可分成兩大類(lèi)：一類(lèi)是頻域處理法；一類(lèi)是空域處理法。大多數(shù)是以灰度映射變換為基礎(chǔ)的，所用的映射變換取決于增強(qiáng)的目的。彩色圖像比灰度圖像包含更多的信息，無(wú)論是對(duì)人們的視覺(jué)感受，還是后續(xù)的圖像理解與分析，彩色圖像都具有灰度圖像無(wú)可比擬的優(yōu)越性。本文主要研究基于MATLAB彩色圖像的增強(qiáng)方法。不同原理產(chǎn)生的彩色圖像有不同的處理方法，故在本文中主要論述彩色圖像增強(qiáng)用法之間以與仿真結(jié)果的比較。運(yùn)用 MATLAB 軟件實(shí)現(xiàn)彩色圖像增強(qiáng)仿真，比較處理方法。 關(guān)鍵詞彩色圖像圖像增強(qiáng)時(shí)域頻域 MATLAB目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc24982 1緒論 PAGEREF _Toc

3、24982 5 HYPERLINK l _Toc15620 1.1課題研究目的與意義 PAGEREF _Toc15620 5 HYPERLINK l _Toc5735 1.2本課題的研究容 PAGEREF _Toc5735 5 HYPERLINK l _Toc25191 2彩色圖像與其增強(qiáng)處理設(shè)計(jì)方法 PAGEREF _Toc25191 5 HYPERLINK l _Toc25692 2.1基本概念 PAGEREF _Toc25692 5 HYPERLINK l _Toc8526 2.2圖像處理工具 PAGEREF _Toc8526 5 HYPERLINK l _Toc1017 2.3偽彩色增

4、強(qiáng) PAGEREF _Toc1017 6 HYPERLINK l _Toc10662 2.4真彩色增強(qiáng) PAGEREF _Toc10662 8 HYPERLINK l _Toc16647 2.5假彩色增強(qiáng) PAGEREF _Toc16647 10 HYPERLINK l _Toc19806 3 程序?qū)崿F(xiàn)與比較 PAGEREF _Toc19806 10 HYPERLINK l _Toc11736 3.1偽彩色圖像增強(qiáng) PAGEREF _Toc11736 10 HYPERLINK l _Toc17688 3.2真彩色圖像增強(qiáng) PAGEREF _Toc17688 11 HYPERLINK l _To

5、c14782 3.3假彩色圖像增強(qiáng) PAGEREF _Toc14782 131緒論1.1課題研究目的與意義人類(lèi)傳遞的信息有 70%是視覺(jué)信息，圖像信息是傳遞信息的重要手段和媒體。但是在生活中，由于光線不合適，在獲得圖像后會(huì)發(fā)現(xiàn)圖像亮不夠或?qū)Ρ榷炔粡?qiáng)，導(dǎo)致景物無(wú)法看清。彩色圖像比灰度圖像包含更多的信息，無(wú)論是對(duì)人們的視覺(jué)感受，還是后續(xù)的圖像理解與分析，彩色圖像都具有灰度圖像無(wú)可比擬的優(yōu)越性?；诓噬珗D像的優(yōu)越性和生活中光線和其他條件的限制，為了得到較理想的彩色圖像以便研究和分析應(yīng)用，就需要對(duì)圖像進(jìn)行必要的處理，增強(qiáng)有用信息，抑制無(wú)用信息，使圖像更適合于人的視覺(jué)特性或機(jī)器的識(shí)別系統(tǒng)。故本課題研究具

6、有實(shí)際應(yīng)用意義。1.2本課題的研究容 圖像增強(qiáng)根據(jù)圖像的模糊情況采用各種特殊的技術(shù)圖書(shū)圖像中的某些信息，削弱或消除無(wú)關(guān)信息達(dá)到強(qiáng)調(diào)圖像的整體圖像增強(qiáng)根據(jù)圖像的模糊情況采用各種特殊的技術(shù)突出圖像中的某些信息, 削弱或消除無(wú)關(guān)信息達(dá)到強(qiáng)調(diào)圖像的整體或局部特征的目的。圖像增強(qiáng)尚沒(méi)有統(tǒng)一的理論方法, 常用的圖像增強(qiáng)技術(shù)有直方圖修改、圖像平滑濾波、圖像銳化等。圖像增強(qiáng)技術(shù)主要分為兩類(lèi):頻域增強(qiáng)法和空域增強(qiáng)法。頻域增強(qiáng)法主要是利用各種頻域?yàn)V波器進(jìn)行圖像平滑或銳化處理,然后進(jìn)行變換域反變換來(lái)增強(qiáng)圖像;空域增強(qiáng)法是直接針對(duì)圖像中的像素,對(duì)圖像的灰度進(jìn)行處理?？沼蚍▽儆谥苯釉鰪?qiáng)的方法，它包括擴(kuò)展對(duì)比度的灰度變換

7、和直方圖變換、消除噪聲。本課題的主要研究容為：(1)研究偽彩色圖像增強(qiáng)方法，(2)假彩色圖像增強(qiáng)方法，（3）真彩色增強(qiáng)方法。2彩色圖像與其增強(qiáng)處理設(shè)計(jì)方法2.1基本概念圖像增強(qiáng)是一類(lèi)基本的圖像處理技術(shù)，其目的是對(duì)圖像進(jìn)行加工，以得到對(duì)具體應(yīng)用來(lái)說(shuō)視覺(jué)效果更好、更有用的圖像。這里好的和有用因具體的應(yīng)用目的和要求而異，并且所需的具體的增強(qiáng)技術(shù)也可不同。目前常用的增強(qiáng)技術(shù)根據(jù)其處理所進(jìn)行的空間不同，可分為基于圖像域的方法和基于變化域的方法。第一類(lèi)，直接在圖像所在的空間進(jìn)行處理，也就是在像素組成的空間里直接對(duì)像素進(jìn)行操作；第二類(lèi)，在圖像的頻域?qū)D像進(jìn)行間接處理。2.2圖像處理工具M(jìn)ATLAB是 Mat

8、rix Laboratory（矩陣實(shí)驗(yàn)室）的縮寫(xiě)，是由美國(guó)Mathworks公司開(kāi)發(fā)的集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)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(jiǎn)單的語(yǔ)言。是國(guó)際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。MATLAB 包括擁有數(shù)百個(gè)部函數(shù)的主包和三十幾種工具(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(lái)擴(kuò)充MATLAB 的符號(hào)計(jì)算,可視化建模仿真,文字處理與實(shí)時(shí)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(hào)處理工具包,通信工具包等都屬于此類(lèi)。開(kāi)放性使 MATLAB 廣受用戶歡迎.除部函數(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,

9、用戶通過(guò)對(duì)源程序的修改或加入自己編寫(xiě)程序構(gòu)造新的專用工具包。MATLAB中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。2.3偽彩色增強(qiáng)偽彩色(pseudo-color)圖像的每個(gè)像素值實(shí)際上是一個(gè)索引值或代碼，該代碼值作為色彩查找表 CLUT(Color Look-Up Table)中某一項(xiàng)的入口地址，根據(jù)該地址可查找出包含實(shí)際 R、G、B的強(qiáng)度值。這種用查找映射的方法產(chǎn)生的色彩稱為偽彩色。用這種方式產(chǎn)生的色彩本身是真的，不

10、過(guò)它不一定反映原圖的色彩。所謂偽彩色處理，就是將圖像中的黑白灰度級(jí)變成不同的彩色，如果分層越多，人眼所能提取的信息也多，從而達(dá)到圖像增強(qiáng)的效果。這是一種視覺(jué)效果明顯，又不太復(fù)雜的圖像增強(qiáng)技術(shù)。偽彩色圖像處理技術(shù)不僅適用于航空攝影和遙感圖片，也可以用于 x 光片與云圖的判讀等處理中?？梢杂?PC 機(jī)去做，也可以用硬件設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。偽彩色增強(qiáng)的方法主要有：密度分割、彩色變換和頻率域偽彩色增強(qiáng)三種。1)密度分割法密度分割法又稱為灰度分割法，是偽彩色處理技術(shù)中最基本，最簡(jiǎn)單的方法。設(shè)一幅黑白圖像 f(x,y),可以看成是坐標(biāo)(x,y)一個(gè)密度函數(shù)。把次圖像的灰度分成若干等級(jí)，即相當(dāng)于用一些和坐標(biāo)平面平行

11、的平面切割此密度函數(shù)。設(shè)原始黑白圖像的灰度圍為0= f(x,y)=L 用 k+1 灰度等級(jí)把該灰度圍分為 k 段： L0,L1,L2.,LKL0=0(黑)，LK=L(白) 映射每一段灰度成一種顏色，映射關(guān)系為g(x,y)=ci (=f(x,y)=i=1,2,k)這里 g(x,y)為輸出的偽色彩圖像；為灰度在,中時(shí)所映射成的彩色。經(jīng)過(guò)這種映射處理后，原始黑白圖像 g(x,y)就變成了偽色彩圖像。若原始圖像 f(x,y)的灰度分布遍與上述 k 個(gè)灰度段，則偽彩色圖像 g(x,y)就具有種彩色。如圖2-1所示： 圖 2-1(a)密度分割法示意圖 圖 2-1（b）密度分割法示意圖2)空間域灰度級(jí)一彩色

12、變換根據(jù)色度學(xué)原理，將原圖像 f(x,y)的灰度圍分段，經(jīng)過(guò)紅、綠、藍(lán)三種不同變換變成三基色分量 R(x,y)、G(x,y)、B(x,y)，然后用它們分別去控制彩色顯示器的紅、綠、藍(lán)電子槍，便可以在彩色顯示器的屏幕上合成一幅彩色圖像。原理框圖如圖2-2所示： 圖2-2原理框圖2.4真彩色增強(qiáng)真彩色是指圖像中的每個(gè)像素值都分成 R、G、B 三個(gè)基色分量，每個(gè)基色分量直接決定其基色的強(qiáng)度，這樣產(chǎn)生的色彩稱為真彩色。也有稱自然物體的彩色叫真彩色。真彩色圖像就是能真實(shí)反映自然物體本來(lái)顏色的圖像。如圖色彩空間圖2.3 圖2-3色彩空間示意圖圖像增強(qiáng)技術(shù)主要是針對(duì)灰度圖來(lái)作用，其手段是修改直方圖。在圖像處

13、理中色彩的運(yùn)用是很重要的，原因有兩個(gè)。第一：在自動(dòng)圖像分析中色彩是一個(gè)有力的描述工具，它通常可使從一個(gè)場(chǎng)景中識(shí)別和抽取目標(biāo)的處理得到簡(jiǎn)化；第二：人們對(duì)圖像進(jìn)行分析時(shí)，人眼區(qū)別的灰度層次大約只有二十幾種，但卻能夠識(shí)別成千上萬(wàn)的色彩。真彩色增強(qiáng)是對(duì)彩色圖像進(jìn)行的增強(qiáng)，一般在某個(gè)顏色空間里進(jìn)行，常采用的顏色空間有 RGB、HSI 和 HSV。圖像增強(qiáng)按增強(qiáng)效果可以分為平滑和銳化。平滑是保留圖像的低頻而抑制高頻的處理方法，它能夠?yàn)V除圖像中的噪聲，同時(shí)也使圖像變得模糊。銳化是加強(qiáng)和突出高頻，從而使得圖像細(xì)節(jié)突出，輪廓清晰。平滑和銳化可以在空間中實(shí)現(xiàn)，也可以在頻域里完成。在空域中，通過(guò)一定的模板和圖像的卷

14、積來(lái)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)原理，模板不同會(huì)有不同的效果。常用的銳化算子有 Prewitt、Soble 和拉普拉斯算子等。在頻域中，采用低通濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)平滑，采用高通濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)銳化。如理想低通濾波。巴特沃斯低通濾波器等2。Gamma 校正也是數(shù)字圖像處理中常用的圖像增強(qiáng)技術(shù)。Gamma 因子決定了輸入圖像到輸出圖像的灰度映射方式，即決定了增強(qiáng)低灰度還是增強(qiáng)高灰度。當(dāng)Gamma 等于1時(shí)，為線性變換13。下圖是一種常用的彩色增強(qiáng)方法，原理如框圖 2-4 所示圖2-4彩色圖像增強(qiáng)方法原理框圖其原理可敘述為：將R、G、B分量圖轉(zhuǎn)化為H、S、I分量圖。對(duì)任何3個(gè)在0,1圍的R、G、B值，其對(duì)應(yīng)HSV模式中的V、S、H分

15、量可由下面給出的公式計(jì)算：V=1/3*(R+G+B)S=1-3*min(R,G,B)/(R+G+B)H=accos(R+G)+(R-B)/2/(R-B)2+(R-B)*(G-B)(1/2)/360 (2)利用對(duì)灰度增強(qiáng)的方法增強(qiáng)其中需要增強(qiáng)的分量。在將結(jié)果轉(zhuǎn)換為R、G、B分量圖來(lái)顯示。 若設(shè)HSV的值在0,1之間，R、G、B的值在0,1之間，由從HSV到HSB的轉(zhuǎn)換會(huì)成為 I.當(dāng)H在0,1/3區(qū)間： B=V*(1-S)R =V*1+S*cos(2*pi*H)/cos(pi*3-2*pi*H) G=3*V-(B+R) II.當(dāng)H在1/3,2/3區(qū)間：R =V*(1-S) G=V*1+S*cos(

16、2*pi*H-2*pi/3)/cos(2*pi*H) B=3*V-(G+R) III.當(dāng)H在2/3,1區(qū)間：G =V*(1-S) B =V*1+S*cos(2*pi*H-4*pi/3)/cos(pi*3/5-2*pi*H) R=3*V-(G-B)在運(yùn)算過(guò)程中，目標(biāo)圖像的對(duì)比度場(chǎng)可能存在著對(duì)比度放大，并且整個(gè)過(guò)程中噪聲是存在的?？赡茉诮Y(jié)果圖像中原本平坦的部并不平坦，存在一些亮點(diǎn)或暗點(diǎn)，這種情況在灰度圖像可以接受，因?yàn)樗显瓉?lái)的黑白色調(diào)，但是在彩色圖的亮度分量處理結(jié)果中就不合適了, 因?yàn)榱炼确至恐性竞艽蟮膶?duì)比度過(guò)分放大, 但同時(shí)要保證細(xì)微的對(duì)比度信息得到充分的放大，故而在運(yùn)算過(guò)程中要對(duì)對(duì)比度進(jìn)

17、行調(diào)整。HSB顏色空間的模型有其優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，HSB模型中，亮度與色度是分開(kāi)的，其次，HSB模型中，色調(diào)和飽和度的概念與人的感知是緊密相連的。2.5假彩色增強(qiáng) 假彩色：有三種形式，第一：把真實(shí)勁舞圖像的象元逐個(gè)地映射為另一種顏色。第二：把多光譜圖像中任三個(gè)光譜圖像映射為可見(jiàn)光rgb，在合成為一副彩色圖像。第三：把黑白圖像，用灰度級(jí)映射或頻譜映射而成為類(lèi)似真實(shí)彩色的處理。偽彩色，相當(dāng)于假彩色中的一個(gè)特例，即指定某灰度為某種彩色。相當(dāng)于第三種形式。3 程序?qū)崿F(xiàn)與比較3.1偽彩色圖像增強(qiáng)（1)下圖是灰度分層方法的偽彩色處理仿真結(jié)果，如圖 3.1 所示。圖 3.1(a)原始灰度圖像 圖3.1(b)分成

18、8 層偽彩色 圖 3.1(c)分成 256 層偽彩色下圖是灰度級(jí)-彩色變換法仿真結(jié)果圖，如圖 3.2 所示。 圖 3.2(a)灰度圖像 圖 3.2(b)偽彩色圖像3.2真彩色圖像增強(qiáng)下圖就是真彩色圖像將 I 分量均衡后仿真結(jié)果圖，如圖 3.3 所示 圖 3.3(a)原彩色圖像 圖 3.3(b)增強(qiáng)后彩色圖下圖是有高斯噪聲的彩色圖像經(jīng)過(guò)經(jīng)均值濾波后所得圖的仿真結(jié)果，如圖3.4 所示 圖 3.4(a)原始圖像 圖 3.4(b)濾波后圖像下圖是對(duì)彩色圖像進(jìn)行 Gamma 校正的仿真結(jié)果。 當(dāng) Gamma=0.81 時(shí)，仿真結(jié)果如圖 3.6 所示圖 3.6a)原圖 圖 3.6(b)增強(qiáng)后圖像下圖是真彩

19、色圖像在不同顏色空間進(jìn)行平滑處理的仿真結(jié)果比較圖，如圖3.7 所示。圖 3.7(a) RGB 分量平滑 圖 3.7(b)I 分量平滑圖(5)下圖是真彩色圖像在不同顏色空間進(jìn)行均衡化的仿真結(jié)果圖，如圖 3.8所示。 圖 3.8(a) RGB 各分量均衡化 圖3.8(b) V 分量均衡化3.3假彩色圖像增強(qiáng)3.4比較與結(jié)論 下面是 RGB 圖像與 HSV 圖像轉(zhuǎn)換的仿真圖 RGB圖像 HSV圖像 轉(zhuǎn)換后的RGB圖像從以上實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果中可以看出: 對(duì)于偽彩色圖像來(lái)說(shuō)，灰度分割法是一種最簡(jiǎn)單、最直觀的一種。便于軟件和硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。如果分層越多，人眼所能提取的信息也多，從而達(dá)到圖像增強(qiáng)的效果，但是同時(shí)

20、也存在變換出的彩色書(shū)目有限的缺點(diǎn)。灰度級(jí)-彩色變換法可以得到具有多種顏色漸變的連續(xù)彩色圖像，在一定程度上達(dá)到圖像增強(qiáng)的效果。在不需要真實(shí)顏色的場(chǎng)合，為了能更清楚的看清圖像，將灰度圖像映射為色彩較豐富的偽彩色圖，可以觀察到更多的圖像細(xì)節(jié)。對(duì)于真彩色圖像增強(qiáng)來(lái)說(shuō)，從轉(zhuǎn)換后圖像還是有所不同的。對(duì)于RGB空間圖像一般轉(zhuǎn)換到HSV空間進(jìn)行處理，從圖3.3中可以看出對(duì)亮度I均衡后，圖像整體亮度增強(qiáng)，能得到更多的圖像信息，也更易被人眼接受。當(dāng)然對(duì)于灰度圖像也似一樣的效果。但是在RGB空間中若對(duì)R、G、B三分量衡化處理后，如圖3.9所示，出現(xiàn)了嚴(yán)重的色偏，影響了圖像質(zhì)量。只對(duì)HSI模型中的亮度信息進(jìn)行處理會(huì)得

21、到較好的圖像效果。對(duì)于圖像來(lái)說(shuō)，噪聲是不可避免的，當(dāng)用一定的算法，如均值濾波法，可以去除噪聲使圖像更加清晰從而可以獲得美感和更多的有用信息。改變飽和度同樣會(huì)使圖像有不同的感官效果。系數(shù)大于1是景物被渲染突出，系數(shù)小于1時(shí)效果不明顯。平滑是保留圖像的低頻而抑制高頻的處理方法，它能夠?yàn)V除圖像中的噪聲，同時(shí)也使圖像變得模糊如圖3.7所示。HSI空間對(duì)I平滑處理要比RGB空間平滑效果更好更清晰。銳化是加強(qiáng)和突出高頻，從而使得圖像細(xì)節(jié)突出，輪廓清晰。如圖3.9所示。由于彩色圖像時(shí)由多個(gè)分量組成的，所以必須考慮適應(yīng)于多個(gè)分量的直方圖的灰度級(jí)技術(shù)。正如所料，獨(dú)立地進(jìn)行彩色圖像分量的直方圖均衡直方圖是不可取的

22、，這將產(chǎn)生不正確的彩色。一個(gè)更符合邏輯的方法是均勻地?cái)U(kuò)展彩色強(qiáng)度，而保留自身（即色調(diào)和飽和度）不變。彩色圖像增強(qiáng)還有很多種方法，方法之間可以交互使用，從而使圖像更適合人眼的視覺(jué)系也更適合機(jī)器的信息提取。比如在進(jìn)行偽彩色增強(qiáng)前，事先原圖像進(jìn)行一些其他增強(qiáng)。例如，先進(jìn)行一次直方圖均衡處理等等。4總結(jié)與展望4.1總結(jié)本文主要介紹了數(shù)字圖像的理論知識(shí)與運(yùn)用 MATLAB 來(lái)實(shí)現(xiàn)彩色圖像增強(qiáng)的方法研究?；诓噬珗D像包含豐富的信息，介紹了如何利用圖像處理工具M(jìn)ATLAB 來(lái)進(jìn)行彩色圖像增強(qiáng)來(lái)是有用信息加強(qiáng)，獲得更用價(jià)值的圖片和更好的視覺(jué)效果。分別從偽彩色圖像增強(qiáng)方法和真彩色圖像增強(qiáng)方法兩方面來(lái)進(jìn)行理論原理描述并給出相關(guān)的圖像仿真結(jié)果。彩色圖像增強(qiáng)還有很多的方法待去研究和改進(jìn)。4.2展望隨著計(jì)算機(jī)處理能力的不斷增強(qiáng)，數(shù)字圖像處理學(xué)科在飛速發(fā)展的同時(shí)，也越來(lái)越廣泛地向許多其他學(xué)科快速交叉滲透，使得圖像作為信息獲取以與信息的利用等方面也變得越來(lái)越重要。目前數(shù)字圖像處理的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已經(jīng)滲透到工業(yè)、醫(yī)療保健、航空航天、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。如偽彩色增強(qiáng)應(yīng)用在金相分析、醫(yī)學(xué)影像、巖土圖像、遙感應(yīng)用等。假彩色增強(qiáng)：主要表現(xiàn)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中如：腎動(dòng)脈造影上的應(yīng)用、乳腺腫瘤診斷上的應(yīng)用等。隨著彩色圖像增強(qiáng)在各種領(lǐng)域的應(yīng)用，彩色圖像增強(qiáng)的前景一定會(huì)非常廣闊