基于MATLAB彩色圖像與增強處理設(shè)計方法

1、 PAGE15 / NUMPAGES15課程設(shè)計題 目 基于MATLAB彩色圖像與增強處理設(shè)計方法 學(xué)生 惠子 學(xué)號 1110064087 所在院(系)物電學(xué)院專業(yè)班級 電子信息科學(xué)與技術(shù)1103 指導(dǎo)教師 媛 完成地點 博源樓1102教室 基于MATLAB彩色圖像與增強處理設(shè)計方法惠子 （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， 723000） 指導(dǎo)老師：媛摘要圖像增強是指依據(jù)圖像所存在的問題，按特定的需要突出一幅圖像中的某一些信息，同時，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給定的應(yīng)用比原來的圖像更加有效同時可以有效的改善圖像質(zhì)量。圖像增強單純從技術(shù)上

2、可分成兩大類：一類是頻域處理法；一類是空域處理法。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的目的。彩色圖像比灰度圖像包含更多的信息，無論是對人們的視覺感受，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可比擬的優(yōu)越性。本文主要研究基于MATLAB彩色圖像的增強方法。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用法之間以與仿真結(jié)果的比較。運用 MATLAB 軟件實現(xiàn)彩色圖像增強仿真，比較處理方法。 關(guān)鍵詞彩色圖像圖像增強時域頻域 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彩色圖像與其增強處理設(shè)計方法 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 PAGEREF _Toc1017 6 HYPERLINK l _Toc10662 2.4真彩色增強 PAGEREF _Toc10662 8 HYPERLINK l _Toc16647 2.5假彩色增強 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 PAGEREF _Toc11736 10 HYPERLINK l _Toc17688 3.2真彩色圖像增強 PAGEREF _Toc17688 11 HYPERLINK l _To

5、c14782 3.3假彩色圖像增強 PAGEREF _Toc14782 131緒論1.1課題研究目的與意義人類傳遞的信息有 70%是視覺信息，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，在獲得圖像后會發(fā)現(xiàn)圖像亮不夠或?qū)Ρ榷炔粡?，?dǎo)致景物無法看清。彩色圖像比灰度圖像包含更多的信息，無論是對人們的視覺感受，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，就需要對圖像進行必要的處理，增強有用信息，抑制無用信息，使圖像更適合于人的視覺特性或機器的識別系統(tǒng)。故本課題研究具

6、有實際應(yīng)用意義。1.2本課題的研究容 圖像增強根據(jù)圖像的模糊情況采用各種特殊的技術(shù)圖書圖像中的某些信息，削弱或消除無關(guān)信息達到強調(diào)圖像的整體圖像增強根據(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, 削弱或消除無關(guān)信息達到強調(diào)圖像的整體或局部特征的目的。圖像增強尚沒有統(tǒng)一的理論方法, 常用的圖像增強技術(shù)有直方圖修改、圖像平滑濾波、圖像銳化等。圖像增強技術(shù)主要分為兩類:頻域增強法和空域增強法。頻域增強法主要是利用各種頻域濾波器進行圖像平滑或銳化處理,然后進行變換域反變換來增強圖像;空域增強法是直接針對圖像中的像素,對圖像的灰度進行處理?？沼蚍▽儆谥苯釉鰪姷姆椒ǎ〝U展對比度的灰度變換

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方法，(2)假彩色圖像增強方法，（3）真彩色增強方法。2彩色圖像與其增強處理設(shè)計方法2.1基本概念圖像增強是一類基本的圖像處理技術(shù)，其目的是對圖像進行加工，以得到對具體應(yīng)用來說視覺效果更好、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技術(shù)也可不同。目前常用的增強技術(shù)根據(jù)其處理所進行的空間不同，可分為基于圖像域的方法和基于變化域的方法。第一類，直接在圖像所在的空間進行處理，也就是在像素組成的空間里直接對像素進行操作；第二類，在圖像的頻域?qū)D像進行間接處理。2.2圖像處理工具MATLAB是 Mat

8、rix Laboratory（矩陣實驗室）的縮寫，是由美國Mathworks公司開發(fā)的集數(shù)值計算、符號計算和圖形可視化三大基本功能于一體的，功能強大、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 包括擁有數(shù)百個部函數(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.功能工具包用來擴充MATLAB 的符號計算,可視化建模仿真,文字處理與實時控制等功能.學(xué)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。開放性使 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。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、線性濾波和濾波器設(shè)計、變換(DCT 變換等) 、圖像分析和統(tǒng)計、二值圖像操作等。2.3偽彩色增強偽彩色(pseudo-color)圖像的每個像素值實際上是一個索引值或代碼，該代碼值作為色彩查找表 CLUT(Color Look-Up Table)中某一項的入口地址，根據(jù)該地址可查找出包含實際 R、G、B的強度值。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，從而達到圖像增強的效果。這是一種視覺效果明顯，又不太復(fù)雜的圖像增強技術(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。可以用 PC 機去做，也可以用硬件設(shè)備來實現(xiàn)。偽彩色增強的方法主要有：密度分割、彩色變換和頻率域偽彩色增強三種。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)一個密度函數(shù)。把次圖像的灰度分成若干等級，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,中時所映射成的彩色。經(jīng)過這種映射處理后，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)過紅、綠、藍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真彩色增強真彩色是指圖像中的每個像素值都分成 R、G、B 三個基色分量，每個基色分量直接決定其基色的強度，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反映自然物體本來顏色的圖像。如圖色彩空間圖2.3 圖2-3色彩空間示意圖圖像增強技術(shù)主要是針對灰度圖來作用，其手段是修改直方圖。在圖像處

13、理中色彩的運用是很重要的，原因有兩個。第一：在自動圖像分析中色彩是一個有力的描述工具，它通常可使從一個場景中識別和抽取目標(biāo)的處理得到簡化；第二：人們對圖像進行分析時，人眼區(qū)別的灰度層次大約只有二十幾種，但卻能夠識別成千上萬的色彩。真彩色增強是對彩色圖像進行的增強，一般在某個顏色空間里進行，常采用的顏色空間有 RGB、HSI 和 HSV。圖像增強按增強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，它能夠濾除圖像中的噪聲，同時也使圖像變得模糊。銳化是加強和突出高頻，從而使得圖像細節(jié)突出，輪廓清晰。平滑和銳化可以在空間中實現(xiàn)，也可以在頻域里完成。在空域中，通過一定的模板和圖像的卷

14、積來實現(xiàn)增強原理，模板不同會有不同的效果。常用的銳化算子有 Prewitt、Soble 和拉普拉斯算子等。在頻域中，采用低通濾波來實現(xiàn)平滑，采用高通濾波來實現(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，即決定了增強低灰度還是增強高灰度。當(dāng)Gamma 等于1時，為線性變換13。下圖是一種常用的彩色增強方法，原理如框圖 2-4 所示圖2-4彩色圖像增強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。對任何3個在0,1圍的R、G、B值，其對應(yīng)HSV模式中的V、S、H分

15、量可由下面給出的公式計算：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)利用對灰度增強的方法增強其中需要增強的分量。在將結(jié)果轉(zhuǎn)換為R、G、B分量圖來顯示。 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)在運算過程中，目標(biāo)圖像的對比度場可能存在著對比度放大，并且整個過程中噪聲是存在的?？赡茉诮Y(jié)果圖像中原本平坦的部并不平坦，存在一些亮點或暗點，這種情況在灰度圖像可以接受，因為它符合原來的黑白色調(diào)，但是在彩色圖的亮度分量處理結(jié)果中就不合適了, 因為亮度分量中原本很大的對比度過分放大, 但同時要保證細微的對比度信息得到充分的放大，故而在運算過程中要對對比度進

17、行調(diào)整。HSB顏色空間的模型有其優(yōu)勢和特點，HSB模型中，亮度與色度是分開的，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 假彩色：有三種形式，第一：把真實勁舞圖像的象元逐個地映射為另一種顏色。第二：把多光譜圖像中任三個光譜圖像映射為可見光rgb，在合成為一副彩色圖像。第三：把黑白圖像，用灰度級映射或頻譜映射而成為類似真實彩色的處理。偽彩色，相當(dāng)于假彩色中的一個特例，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（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-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)增強后彩色圖下圖是有高斯噪聲的彩色圖像經(jīng)過經(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彩色圖像進行 Gamma 校正的仿真結(jié)果。 當(dāng) Gamma=0.81 時，仿真結(jié)果如圖 3.6 所示圖 3.6a)原圖 圖 3.6(b)增強后圖像下圖是真彩

19、色圖像在不同顏色空間進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圖像從以上實驗仿真結(jié)果中可以看出: 對于偽彩色圖像來說，灰度分割法是一種最簡單、最直觀的一種。便于軟件和硬件實現(xiàn)的優(yōu)點。如果分層越多，人眼所能提取的信息也多，從而達到圖像增強的效果，但是同時

20、也存在變換出的彩色書目有限的缺點?；叶燃?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，在一定程度上達到圖像增強的效果。在不需要真實顏色的場合，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節(jié)。對于真彩色圖像增強來說，從轉(zhuǎn)換后圖像還是有所不同的。對于RGB空間圖像一般轉(zhuǎn)換到HSV空間進行處理，從圖3.3中可以看出對亮度I均衡后，圖像整體亮度增強，能得到更多的圖像信息，也更易被人眼接受。當(dāng)然對于灰度圖像也似一樣的效果。但是在RGB空間中若對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HSI模型中的亮度信息進行處理會得

21、到較好的圖像效果。對于圖像來說，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，它能夠濾除圖像中的噪聲，同時也使圖像變得模糊如圖3.7所示。HSI空間對I平滑處理要比RGB空間平滑效果更好更清晰。銳化是加強和突出高頻，從而使得圖像細節(jié)突出，輪廓清晰。如圖3.9所示。由于彩色圖像時由多個分量組成的，所以必須考慮適應(yīng)于多個分量的直方圖的灰度級技術(shù)。正如所料，獨立地進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。一個更符合邏輯的方法是均勻地擴展彩色強度，而保留自身（即色調(diào)和飽和度）不變。彩色圖像增強還有很多種方法，方法之間可以交互使用，從而使圖像更適合人眼的視覺系也更適合機器的信息提取。比如在進行偽彩色增強前，事先原圖像進行一些其他增強。例如，先進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)字圖像的理論知識與運用 MATLAB 來實現(xiàn)彩色圖像增強的方法研究。基于彩色圖像包含豐富的信息，介紹了如何利用圖像處理工具MATLAB 來進行彩色圖像增強來是有用信息加強，獲得更用價值的圖片和更好的視覺效果。分別從偽彩色圖像增強方法和真彩色圖像增強方法兩方面來進行理論原理描述并給出相關(guān)的圖像仿真結(jié)果。彩色圖像增強還有很多的方法待去研究和改進。4.2展望隨著計算機處理能力的不斷增強，數(shù)字圖像處理學(xué)科在飛速發(fā)展的同時，也越來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越重要。目前數(shù)字圖像處理的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)滲透到工業(yè)、醫(yī)療保健、航空航天、軍事等各個領(lǐng)域，在國民經(jīng)濟中發(fā)揮越來越大的作用。如偽彩色增強應(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：主要表現(xiàn)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中如：腎動脈造影上的應(yīng)用、乳腺腫瘤診斷上的應(yīng)用等。隨著彩色圖像增強在各種領(lǐng)域的應(yīng)用，彩色圖像增強的前景一定會非常廣闊