第14章基于SIMULINK的視頻和圖像處理

1、第14章 基于SIMULINK的視頻和圖像處理MATLAB/SIMULINK中的Video and Image Processing Blockset模塊庫是MATLAB為方便用戶進(jìn)行視頻和圖像處理而設(shè)置，它包含了很多專門用于視頻和圖像處理的子模塊，用戶利用這些基本的子模塊，可實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜的視頻和圖像處理。本章主要介紹使用Video and Image Processing Blockset模塊庫進(jìn)行視頻和圖像處理的基本方法和步驟。14.1 Video and Image Processing Blockset子模塊庫在Command Window窗口的工作區(qū)中，鍵入simulink后，回車即

2、可啟動(dòng)Simulink；或單擊MATLAB窗體上的Simulink的快捷鍵也可啟動(dòng)Simulink。啟動(dòng)Simulink后，將出現(xiàn)Simulink所有的仿真模塊工具箱，選擇Video and Image Processing Blockset，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)載入信號(hào)處理模塊工具箱，如圖所示的信號(hào)處理模塊庫。具體包括：分析和增強(qiáng)（Analysis & Enhancement）、轉(zhuǎn)換（Conversions）、濾波（Filtering）、幾何變換（Geometric Transformations）、形態(tài)學(xué)操作（Morphological Operations）、接收器（Sinks）、輸入源（Sou

3、rces）、統(tǒng)計(jì)（Statistics）、文本和圖形（Text & Graphics）、變換（Transforms）、工具（Utilities）。14.1.1 分析和增強(qiáng)模塊庫分析和增強(qiáng)（Analysis & Enhancement）模塊庫共包含十個(gè)子模塊：塊匹配（Block Matching）、對比度調(diào)節(jié)（Contrast Adjustment）、角點(diǎn)檢測（Corner Detection）、反交錯(cuò)處理（Deinterlacing）、邊緣檢測（Edge Detection）、直方圖均衡化（Histogram Equalization）、中值濾波（Median Filter）、光流法（Opti

4、cal Flow）、絕對誤差和（SAD）、邊界跟蹤（Trace Boundaries），如圖所示。14.1.2 轉(zhuǎn)換模塊庫轉(zhuǎn)換（Conversions）模塊庫包含七個(gè)子模塊庫：自動(dòng)閾值（Autothreshold）、色度重采樣（Chroma Resampling）、色彩空間轉(zhuǎn)換（Color Space Conversion）、去馬賽克（Demosaic）、伽馬校正（Gamma Correction）、圖像求補(bǔ)（Image Complement）、圖像數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換（Image Data Type Conversion），如圖所示。14.1.3 濾波模塊庫濾波（Filtering）模塊庫包含四個(gè)子

5、模塊庫：二維卷積（2-D Convolution）、二維FIR數(shù)字濾波（2-D FIR Filter）、卡爾曼濾波（Kalman Filter）、中值濾波（Median Filter），如圖所示。14.1.4 幾何變換模塊庫幾何變換（Geometric Transformations）模塊庫包含七個(gè)子模塊庫：應(yīng)用幾何變換（Apply Geometric Transformation）、估算幾何變換（Estimate Geometric Transformation）、投影變換（Projective Transformation）、縮放（Resize）、旋轉(zhuǎn)（Rotate）、切變（Shear）、

6、平移（Translate），如圖所示。14.1.5 形態(tài)學(xué)操作模塊庫形態(tài)學(xué)操作（Morphological Operations）模塊庫包含七個(gè)子模塊庫：底帽濾波（Bottom-hat）、閉合（Closing）、膨脹（Dilation）、腐蝕（Erosion）、標(biāo)記（Label）、開啟（Opening）、頂帽濾波（Top-hat），如圖所示。14.1.6 接收器模塊庫接收器（Sinks）模塊庫包含六個(gè)子模塊庫：幀頻顯示（Frame Rate Display）、輸出多媒體文件（To Multimedia File）、輸出視頻顯示器（To Video Display）、像工作空間輸出視頻（Vide

7、o To Workspace）、視頻顯示器（Video Viewer）、寫二進(jìn)制文件（Write Binary File），如圖所示。14.1.7 輸入源模塊庫輸入源（Sources）模塊庫包含五個(gè)子模塊庫：來自多媒體文件（From Multimedia File）、圖像文件（Image From File）、工作空間圖像（Image From Workspace）、讀二進(jìn)制文件（Read Binary File）、視頻來自工作空間（Video From Workspace），如圖所示。14.1.8 統(tǒng)計(jì)模塊庫統(tǒng)計(jì)（Statistics）模塊庫包含十二個(gè)子模塊庫：二階自相關(guān)系數(shù)（2-D Aut

8、ocorrelation）、二階互相關(guān)系數(shù)（2-D Correlation）、Blob分析（Blob Analysis）、求局部極大值（Find Local Maxima）、直方圖（Histogram）、最大值（Maximum）、平均值（Mean）、中值（Median）、最小值（Minimum）、峰值信噪比（PSNR）、標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation）、方差（Variance），如圖所示。14.1.9 文本和圖形模塊庫文本和圖形（Text & Graphics）模塊庫包含四個(gè)子模塊庫：合成（Compositing）、繪制標(biāo)記（Draw Markers）、繪圖（Draw Shape

9、s）、插入文本（Insert Text），如圖所示。14.1.10 變換模塊庫變換（Transforms）模塊庫包含七個(gè)子模塊庫：二維離散余弦變換（2-D DCT）、二維傅里葉變換（2-D FFT）、二維離散余弦逆變換（2-D IDCT）、二維傅里葉逆變換（2-D IFFT）、高斯金字塔（Gaussian Pyramid）、Hough線（Hough Lines）、Hough變換（Hough Transform），如圖所示。14.1.11 工具模塊庫工具（Utilities）模塊庫包含三個(gè)子模塊庫：塊處理（Block Processing）、圖像填補(bǔ)（Image Pad）、可變選擇器（Varia

10、ble Selector），如圖所示。14.2 圖像增強(qiáng)的SIMULINK實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)是指根據(jù)特定的需要有選擇地突出圖像中的某部分信息，并抑制某些不需要的信息的處理方法。其目的是為了改善圖像的視覺效果，便于觀看或做進(jìn)一步分析處理。目前圖像增強(qiáng)技術(shù)根據(jù)其處理的空間不同，可分為兩大類：空域方法和頻域方法。前者直接在圖像所在像素空間進(jìn)行處理；后者則是通過圖像進(jìn)行傅里葉變換后在頻域上間接進(jìn)行的，具體包括灰度變換增強(qiáng)、圖像平滑、圖像銳化、色彩增強(qiáng)、頻域增強(qiáng)等多種方法。利用Simulink視頻和圖像處理模塊集的分析和增強(qiáng)模塊庫以及其它相關(guān)模塊可對圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)操作。本節(jié)將以實(shí)例的方式介紹幾種常見的圖像增

11、強(qiáng)方法。14.2.1 灰度變換增強(qiáng)常見的灰度變換方法包括直接灰度變換和直方圖修正兩種，獲取的主要視覺效果是增強(qiáng)圖像的對比度。14.2.2 圖像平滑增強(qiáng)圖像平滑是指用于突出圖像的寬大區(qū)域、低頻成分、主干部分或抑制圖像噪聲和干擾高頻成分，使圖像亮度平緩漸變，減小突變梯度，改善圖像質(zhì)量的圖像處理方法。圖像平滑處理一般通過低通濾波實(shí)現(xiàn)的，例如線性平滑濾波器和中值濾波器。這兩種濾波器均能夠?qū)崿F(xiàn)平滑圖像細(xì)節(jié)，去除噪聲。14.2.3 圖像銳化增強(qiáng)與圖像平滑相反，圖像銳化是補(bǔ)償圖像的輪廓，增強(qiáng)圖像的邊緣及灰度跳變的部分，使圖像變得清晰；而圖像平滑往往使圖像的邊界、輪廓變得模糊。圖像在傳輸和變換過程中，因受到干

12、擾會(huì)退化，比較典型的是圖像模糊，這就需要利用圖像銳化技術(shù)使圖像的輪廓線及圖像的細(xì)節(jié)變的清晰。14.3 圖像轉(zhuǎn)換的SIMULINK實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理中，圖像轉(zhuǎn)換主要包括圖像類型轉(zhuǎn)換、色彩空間轉(zhuǎn)換、圖像求補(bǔ)以及圖像數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換等。實(shí)際應(yīng)用中，在進(jìn)行較復(fù)雜的圖像處理之前，往往都需要先進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換。利用Simulink視頻和圖像處理模塊集的轉(zhuǎn)換模塊庫以及其它相關(guān)模塊可對圖像進(jìn)行圖像轉(zhuǎn)換操作。14.3.1 圖像類型轉(zhuǎn)換圖像主要包括四種基本類型：RGB圖像、灰度圖像、二值圖像以及索引圖像。它們之間可以進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，讀者可以根據(jù)需要將圖像轉(zhuǎn)換成自己需要的類型。14.3.2 色彩空間轉(zhuǎn)換色彩空間轉(zhuǎn)換共有九種轉(zhuǎn)換

13、類型可供選擇，例如RGB轉(zhuǎn)換為灰度圖像，RGB轉(zhuǎn)換為HSV圖像等等。讀者可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。14.3.3 圖像求補(bǔ)所謂的圖像求補(bǔ)就是將原圖像灰度值翻轉(zhuǎn)，簡單來說就是使黑變白，白變黑。獲取的主要視覺效果則是一幅底片效果的圖像。14.4 圖像幾何變換的SIMULINK實(shí)現(xiàn)圖像的幾何變換是指圖像在大小、位置和幾何形狀上的變換處理。從變換的性質(zhì)分，圖像的幾何變換有圖像的位置變換（平移、鏡像、旋轉(zhuǎn)）和圖像的形狀變換（放大、縮小、錯(cuò)切）等基本變換以及圖像的復(fù)合變換等。利用Simulink視頻和圖像處理模塊集的幾何變換模塊庫以及其它相關(guān)模塊可對圖像進(jìn)行幾何變換操作。本節(jié)仍以實(shí)例的方式介紹幾種常見的圖像幾何

14、變換。14.4.1 圖像的旋轉(zhuǎn)圖像的旋轉(zhuǎn)可通過幾何變換模塊庫中的Rotate模塊實(shí)現(xiàn)。14.4.2 圖像的縮放利用幾何變換模塊庫中的Resize模塊，可實(shí)現(xiàn)圖像的縮放功能。14.4.3 圖像的切變利用幾何變換模塊庫中的Shear模塊，可對圖像實(shí)現(xiàn)水平和垂直兩個(gè)方向的線性切變功能。14.5 圖像形態(tài)學(xué)描述的SIMULINK實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是以幾何學(xué)為基礎(chǔ)對圖像進(jìn)行分析，其基本思想是用一個(gè)結(jié)構(gòu)元素作為基本工具來探測和提取圖像特征，看這個(gè)結(jié)構(gòu)元素是否能夠適當(dāng)有效地放入圖像內(nèi)部。形態(tài)學(xué)最基本的運(yùn)算是膨脹和腐蝕，利用膨脹和腐蝕運(yùn)算可以組成開啟和閉合等其他形態(tài)學(xué)運(yùn)算。 14.5.1 膨脹和腐蝕膨脹和腐蝕是數(shù)

15、學(xué)形態(tài)學(xué)中最基本的操作。經(jīng)過膨脹后，圖像將比原圖像所占像素更多；而腐蝕后的圖像則較原圖像有所收縮。14.5.2 開啟和閉合開啟和閉合是形態(tài)學(xué)中另外兩個(gè)重要操作。開啟通常起到平滑圖像輪廓的作用，去掉輪廓上突出的毛刺，截?cái)嗒M窄的山谷。而閉合操作雖然也能對圖像輪廓有平滑作用，但是結(jié)果相反，它能去除區(qū)域中的小孔，填平狹窄的斷裂、細(xì)長的溝壑以及輪廓的缺口。14.5.3 形態(tài)學(xué)對圖像的操作對于二值圖像，可以考慮用形態(tài)學(xué)對圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳎源藖硖崛D像的描述。14.6 圖像處理綜合實(shí)例的SIMULINK實(shí)現(xiàn)MATLAB/SIMULINK 視頻和圖像處理模塊集包括多個(gè)子模塊，前面幾個(gè)小節(jié)中已經(jīng)通過舉例詳細(xì)

16、介紹了各模塊的功能。在實(shí)際應(yīng)用中，讀者可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的需要，選取適當(dāng)?shù)哪K對視頻或圖像進(jìn)行處理。下面通過兩個(gè)實(shí)例介紹視頻和圖像處理模塊集對圖像的綜合處理。14.7 本章小結(jié)本章詳細(xì)介紹了在MATLAB/SIMULINK中進(jìn)行數(shù)字圖像處理的基本過程和方法。介紹了Video and Image Processing Blockset 中各個(gè)子模塊庫中基本組成，包括分析和增強(qiáng)模塊庫、轉(zhuǎn)換模塊庫、濾波模塊庫、幾何變換模塊庫、形態(tài)學(xué)操作模塊庫、接收器模塊庫和輸入源模塊庫等；在Simulink的基礎(chǔ)上，從工程技術(shù)應(yīng)用的角度出發(fā)，以靜態(tài)圖像為主要對象，著重討論視頻和圖像處理模塊在數(shù)字圖像處理中的基本應(yīng)用方法；最后按照數(shù)字圖像處理的功能介紹基于子模塊進(jìn)行圖像處理的實(shí)例。建議用戶參照示例，從實(shí)際問題出發(fā)，設(shè)計(jì)自己的圖像處理模型。習(xí) 題14.1在MATLAB/SIMULINK下，利