數(shù)字灰度圖像的基本運(yùn)算處理正文(共21頁)

1、西華大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書 1前言(qin yn)介紹一種用可視化數(shù)值計(jì)算軟件MATLAB實(shí)現(xiàn)的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)平臺,系統(tǒng)使用MATLAB中提供的GUI設(shè)計(jì)(shj)系統(tǒng)可視化的用戶界面，下拉式的菜單方便用戶選擇對圖像的處理。用戶可以隨意選擇要處理的圖片。但是該系統(tǒng)只支持灰度圖片，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)容主要包括灰度圖像的代數(shù)運(yùn)算、幾何運(yùn)算?；跀?shù)字圖像處理的一些基本原理，利用MATLAB設(shè)計(jì)程序進(jìn)行對灰度圖像的處理。有部分處理運(yùn)算(yn sun)有很多種方法，我選擇了最簡單、最明了的方法。數(shù)字圖像處理又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，它是指將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行處理的過程。理論上講，圖像是一種二維的

2、連續(xù)函數(shù)，然而在計(jì)算機(jī)上對圖像進(jìn)行數(shù)字處理的時(shí)候，首先必須對其在空間和亮度上進(jìn)行數(shù)字化，這就是圖像的采樣和量化的過程。二維圖像進(jìn)行均勻采樣，就可以得到一幅離散化成MN樣本的數(shù)字圖像，該數(shù)字圖像是一個(gè)整數(shù)陣列，因而用矩陣來描述該數(shù)字圖像是最直觀最簡便的了。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展,圖像處理技術(shù)在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，用于圖像處理的軟件也很多，如PHOTOSHOP、PAINTSHOP、GIMP、SaperaProcessing、MATLAB等,其中大部分軟件都是基于廣告策劃和圖像修飾處理而設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件，進(jìn)行圖像處理時(shí)并不是很方便。而MATLAB(矩陣實(shí)驗(yàn)室) 它在矩陣運(yùn)算上有自己獨(dú)特的特點(diǎn)，在矩陣運(yùn)算

3、處理具有很大的優(yōu)勢，因此用MATLAB處理數(shù)字圖像非常的方便。不僅如此，MATLAB提供了豐富的圖形命令和圖形函數(shù)，而且其面向?qū)ο蟮膱D形系統(tǒng)具有強(qiáng)大的用戶界面(GUI)生成能力。這樣，用戶就可以充分利用系統(tǒng)提供的 GUI 特性，編寫自己需要的圖形界面，從而可以高效地進(jìn)行圖像處理。MATLAB支持五種圖像類型，即索引圖像、灰度圖像、二值圖像、RGB圖像和多幀圖像陣列；支持BMP、GIF、HDF、JPEG、PCX、PNG、TIFF、XWD、CUR、ICO等圖像文件格式的讀，寫和顯示。MATLAB對圖像的處理功能主要集中在它的圖像處理工具箱（Image Processing Toolbox）中。圖像

4、處理工具箱是由一系列支持圖像處理操作的函數(shù)組成，可以對圖像進(jìn)行諸如幾何操作、線性濾波和濾波器設(shè)計(jì)、圖像變換、圖像分析與圖像增強(qiáng)、二值圖像操作以及形態(tài)學(xué)處理等圖像處理操作。 2方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)基本(jbn)方案本系統(tǒng)利用MATLAB語言設(shè)計(jì)程序進(jìn)行灰度圖像處理，主要功能包括灰度圖像的代數(shù)(dish)運(yùn)算、幾何運(yùn)算，基本上包含了圖像的所有變換和運(yùn)算。菜單式選擇圖像處理運(yùn)算清晰方便，可視化的界面形象生動、使用方便、交互性強(qiáng)、具有無限的擴(kuò)展能力。2.2系統(tǒng)(xtng)流程圖幾何運(yùn)算打開代數(shù)運(yùn)算文件選 擇 操 作開 始2.3 MATLAB的語言特點(diǎn)（1）語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數(shù)極其豐富。運(yùn)算

5、符豐富。（2） MATLAB既具有(jyu)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(yj)），又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。?）程序限制不嚴(yán)格(yng)，程序設(shè)計(jì)自由度大。（4）MATLAB的圖形功能強(qiáng)大。（5）MATLAB的缺點(diǎn)是，它和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。（6）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。2.4 設(shè)計(jì)最終方案決定雖然可用高級編程語音（比如c#、delphi等），但實(shí)現(xiàn)工具選用matlab較為方便。、3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理3.1各模塊功能及圖像處理原理3.1.1代數(shù)運(yùn)算代數(shù)運(yùn)算是指兩幅輸入圖

6、象之間進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的加、減、乘、除運(yùn)算得到輸出圖象的過程。如果記輸入圖象為A(x,y)和B(x,y)，輸出圖象為C(x,y)，則有如下四種簡單形式： C(x,y) = A(x,y)+B(x,y) C(x,y) = A(x,y)-B(x,y) C(x,y) = A(x,y)B(x,y) C(x,y) = A(x,y)/ B(x,y) 對于圖像的代數(shù)運(yùn)算應(yīng)注意以下問題：(1)代數(shù)運(yùn)算的結(jié)果很容易超出數(shù)據(jù)類型允許的范圍，有些運(yùn)算(如除法)會產(chǎn)生分?jǐn)?shù)結(jié)果，這個(gè)結(jié)果是不能用整數(shù)類型描述的，所以在圖像代數(shù)運(yùn)算中會采用以下的截取規(guī)則： = 1 * GB3 超出數(shù)據(jù)類型允許的范圍的值用數(shù)據(jù)類型的最大值代替； =

7、 2 * GB3 分?jǐn)?shù)的結(jié)果采用四舍五入的方法整取。(2)在使用Matlab中代數(shù)運(yùn)算函數(shù)時(shí)，不用進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，這些函數(shù)可以接受uint8和uint16數(shù)據(jù)類型，并返回相同格式的圖象結(jié)果。(3)可以使用+、-、*、/等基本算術(shù)運(yùn)算符來進(jìn)行圖像的算數(shù)操作(cozu)運(yùn)算，但是不同于Matlab中提供的運(yùn)算函數(shù)，必須在運(yùn)算前將圖像轉(zhuǎn)換為適合進(jìn)行算數(shù)(sun sh)運(yùn)算的雙精度數(shù)據(jù)類型。(4)任何一個(gè)代數(shù)(dish)運(yùn)算，都必須保證輸入圖像的大小相等，且數(shù)據(jù)類型一致。在該功能模塊中主要設(shè)計(jì)了圖像的求補(bǔ)、疊加、減法、線性組合、乘法、除法運(yùn)算。3.1.2幾何運(yùn)算在該功能模塊中主要包含了改變圖像大小

8、、圖像水平鏡像、垂直鏡像、圖像轉(zhuǎn)置、圖象旋轉(zhuǎn)、圖像裁剪。1.放縮操作：MATLAB影像工具箱中的immersize函數(shù)可以通過一種特定的插補(bǔ)方法來改變圖像的大小。該函數(shù)的語法如下面所述：B=immersize（A,m，method）。如果用戶沒有指定插補(bǔ)方法，則該函數(shù)將采用缺省的近鄰插補(bǔ)方法。另外，我們還可以根據(jù)指定的放大系數(shù)來改變圖像的大小。例如，下面的代碼可以將X中的像素?cái)?shù)目增加一倍。Y=immersize（X，2）。其中2為放大的系數(shù)。如果希望縮小系數(shù)，只需將放大系數(shù)設(shè)置在0到1之間即可。2.旋轉(zhuǎn)操作：在MATLAB處理工具箱中的imrotate函數(shù)可以通過一種特定的插補(bǔ)方法來改變圖像顯

9、示的角度。該函數(shù)的語法如下所示:B=imrotate（A,angle，method）該函數(shù)以圖像中心點(diǎn)為基準(zhǔn)，以角度angle逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。指定angle為負(fù)值，可實(shí)現(xiàn)圖像順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。該函數(shù)是旋轉(zhuǎn)圖像A，使用指定的差值方法，method是可以有下列值之一的一個(gè)文本字符串，默認(rèn)值是包含在大括號().如果用戶沒有指定插補(bǔ)方法，則該函數(shù)將采用缺省的近鄰插補(bǔ)方法。另外，用戶還需指定旋轉(zhuǎn)的角度。圖像的幾何變換可以看成是像素在圖像內(nèi)的移動過程，該移動過程可以改變圖像中物體對象（像素）之間的空間關(guān)系。完整(wnzhng)的幾何運(yùn)算需要由兩個(gè)算法來實(shí)現(xiàn)：空間變換算法和灰度插值算法?？臻g變換主要用來保持圖像中

10、曲線的連續(xù)性和物理的連通性，一般都采用數(shù)學(xué)函數(shù)形式來描述輸入、輸出圖像相應(yīng)像素間的空間關(guān)系?？臻g變換一般(ybn)定義為，其中，f便是輸入(shr)圖像，g表示輸出圖像，坐標(biāo)指的空間變換后的坐標(biāo)，要注意這時(shí)的坐標(biāo)已經(jīng)不是原來的坐標(biāo)了，和分別圖像的x和y坐標(biāo)的空間變換函數(shù)。灰度級插值主要是對空間變換后的像素賦予灰度值，使之恢復(fù)原位置處的灰度值，在幾何運(yùn)算中，灰度級插值是必不可少的組成部分。因?yàn)閳D像一般用整數(shù)位置處的像素來定義。而在幾何變換中，的灰度值一般由處在非整數(shù)坐標(biāo)上的的值來確定，即g中的一個(gè)像素一般對英語f中的幾個(gè)像素之間的位置，反過來看也是一樣，即f中的一個(gè)像素往往被映射到g中的幾個(gè)像素

11、之間的位置。3.2 MATLAB程序編寫及具體操作3.2.1界面設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)程序MainInterface.m主要運(yùn)用了Matlab GUI中的figure(圖形窗口)、uimenu(圖形窗口主菜單)兩個(gè)對象。在GUI中所有的對象創(chuàng)建都有著相同的格式：handle=function(propertyname, propertyvalue,)uimenu對象的一些常用屬性如表1所示：屬性說明Backgroundcoloruimenu背景色，是一個(gè)3元素的RGB向量或Matlab預(yù)定義的顏色名稱。默認(rèn)的背景色是亮灰色CallbackMatalab回調(diào)字符串，選擇菜單項(xiàng)時(shí)，回調(diào)字符串傳給函數(shù)

12、eval。初始值為空矩陣Checked被選項(xiàng)的校驗(yàn)標(biāo)記 on：校驗(yàn)標(biāo)記出現(xiàn)在所選項(xiàng)旁邊；off：不顯示Enable菜單式能狀態(tài) on：菜單項(xiàng)使能。選擇菜單項(xiàng)能將callback字符串傳給eval；off：菜單項(xiàng)不使能。選擇菜單項(xiàng)不起任何作用。Label含有菜單項(xiàng)標(biāo)志的文本串。在PC系統(tǒng)中，用“&”定義快捷鍵Positionuimenu對象的相對位置。頂層菜單從左到右編號，子菜單從上至下Separator分隔符線模式 on：分割線在菜單項(xiàng)之上；off：不畫分割線Visibleuimenu對象的可視性 on:uimenu在屏幕上可見；off：不可見表1 uimenu對象(duxing)的屬性列表在

13、本系統(tǒng)菜單設(shè)計(jì)過程(guchng)中主要使用了figure、uimenu的Backgroundcolor、Callback、Label、 Position 、Separator、 Visible屬性(shxng)。在被處理圖片打開之前除“文件”、“幫助”菜單的visible屬性為“on”，即可見外其它均為“off”。3.2.2代數(shù)運(yùn)算函數(shù)函數(shù)名功能描述Imabsdiff兩幅圖像的絕對差值Imadd兩幅圖像的加法Imcomplement補(bǔ)足一幅圖像Imdivide兩幅圖像的除法Imlincomb計(jì)算兩幅圖像的線性組合Immultiply兩幅圖像的乘法imsubtract兩幅圖像的減法表2 圖像處

14、理工具箱中的代數(shù)運(yùn)算函數(shù)3.2.3圖像代數(shù)運(yùn)算 (1)圖像加法函數(shù)imadd語法格式Y(jié)=imadd (X)說明：imadd函數(shù)用于產(chǎn)生兩張圖像的疊加效果，其中X,Y是類型相同的數(shù)組。imadd函數(shù)還可以通過指定常數(shù)參數(shù)增強(qiáng)一張圖像的亮度。在本系統(tǒng)中就采用了此方法，指定常數(shù)參數(shù)增強(qiáng)灰度圖像的亮度。(2)圖像減法函數(shù)imsubtract語法格式：Y= imsubtract (X)說明(shumng)：說明：imadd函數(shù)用于產(chǎn)生兩張圖像的疊加效果，其中X,Y是類型(lixng)相同的數(shù)組。subtrac函數(shù)還可以通過指定(zhdng)常數(shù)參數(shù)降低一張圖像的亮度。在本系統(tǒng)中就采用了此方法，指定常數(shù)參

15、數(shù)降低灰度圖像的亮度。 (3)圖像乘法運(yùn)算immultiply和圖像除法運(yùn)算mdivide 圖像的乘法、除法、減法運(yùn)算類似于疊加運(yùn)算。乘法函數(shù)immultiply用于對兩張圖像進(jìn)行掩膜操作，即屏蔽掉圖像的某些部分。使用乘法函數(shù)時(shí)需指定縮放參數(shù)，如果大于1則增強(qiáng)圖像亮度，反之則減弱圖像亮度。除法函數(shù)imdivide通常用于校正成像設(shè)備的非線性誤差，也可以用于檢測兩張圖像之間的差別，它給出的是相應(yīng)像素值的變化比率，而不是每個(gè)像素值的絕對差異。減法函數(shù)imsubtract通常用于檢測圖像變化以及運(yùn)動物體的圖像處理。3.2.4圖像幾何運(yùn)算(1)改變圖像大小函數(shù)imresize語法格式：Y=imresi

16、ze(X,M,Method) 說明：其中X表示需要進(jìn)行操作的圖像，M是放大的倍數(shù)，一般來說M是大于0的實(shí)數(shù)，如果M大于1表示放大圖像，小于1則表示縮小圖像。Method參數(shù)用來選擇使用何種插值方法，其值及其含義如下：nearest最近鄰插值法、bilinear雙線性插值法、bicubic雙三次插值法，默認(rèn)為nearest。imresize還可以指定圖像輸出大小，即傳遞一個(gè)向量參數(shù)給imresize函數(shù)，其中參數(shù)的兩個(gè)分量分別指定輸出圖像的行數(shù)和列數(shù)。如要將原圖像X輸出為200480的圖像，命令為：Y=imresize(X,200 480)。在本系統(tǒng)中采用了后一種方法，并使用了隨機(jī)產(chǎn)生函數(shù)，使得

17、圖像改變大小隨機(jī)性。(2)圖像水平鏡像fliplr、垂直鏡像flipud、轉(zhuǎn)置ctranspose語法格式：Y=fliplr(X) Y=flipud(X) Y=ctranspose (X)說明：水平(shupng)鏡像函數(shù)fliplr是將圖像(t xin)沿垂直軸翻轉(zhuǎn)(fn zhun)矩陣，即將矩陣左右方向翻轉(zhuǎn)。垂直鏡像函數(shù)flipud是將圖像沿水平軸翻轉(zhuǎn)矩陣，即將矩陣水平方向翻轉(zhuǎn)。圖像轉(zhuǎn)置可以使用函數(shù)ctranspose ，也可以直接使用矩陣轉(zhuǎn)置Y=X。(3)圖像旋轉(zhuǎn)函數(shù)imrotate語法格式：Y=imresize(X,angle,method) Y=imresize(X,angle,me

18、thod,crop)說明：其中X表示原圖像，angle表示旋轉(zhuǎn)的角度，這個(gè)角度是以逆時(shí)針方向計(jì)算的，負(fù)值表示順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。method參數(shù)與前面imresize中的參數(shù)意義相同。而crop參數(shù)表示將旋轉(zhuǎn)以后的圖像取與原圖像大小的中心部分輸出。本系統(tǒng)中采用了后一種方法，旋轉(zhuǎn)以后的圖像取與原圖像大小的中心部分輸出，并使用了隨機(jī)產(chǎn)生函數(shù)，使得旋轉(zhuǎn)角度隨機(jī)性。(4)圖像裁剪函數(shù)imcrop語法格式：Y=imcrop(X,rect)Y=imcrop(X,map,rect)說明：如果不指定原圖像，imcrop函數(shù)將當(dāng)前坐標(biāo)軸中的圖像作為待裁剪圖像，map參數(shù)表示原圖像為索引圖像時(shí)的調(diào)色板。rect參數(shù)定

19、義圖像裁剪區(qū)域的矩形坐標(biāo)，如果不指定坐標(biāo)，則可以在原圖像中使用拖放的方式來手動選擇一個(gè)矩形區(qū)域。本系統(tǒng)采用指定裁剪區(qū)域矩形坐標(biāo)的方法。4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)4.1系統(tǒng)各功能模塊演示4.1.1圖像的加法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)代碼：RGB=imread(haha.JPG);RGB2=imadd(RGB,50); imshow(RGB)figure,imshow(RGB2)RGB3=imadd(RGB,100);figure,imshow(RGB3)subplot(221),imshow(RGB),title(RGB);subplot(222),imshow(RGB2),title(RGB2);subplot(2

20、23),imshow(RGB3),title(RGB3);圖1 原圖(yun t) 圖2圖3 相加后的圖片(tpin)4.1.2圖像(t xin)的減法運(yùn)算(yn sun)實(shí)現(xiàn)(shxin)代碼：I=imread(kow.JPG);imshow(I)background = imopen(I,strel(disk,15); figure, imshow(background);I2=imsubtract(I,background); figure, imshow(I2)subplot(221),imshow(I),title(rice);subplot(222),imshow(backgrou

21、nd),title(background);subplot(223),imshow(I2),title(I2);圖4 原圖 圖5 圖6 圖像(t xin)的相減后4.1.3圖像(t xin)的乘法(chngf)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)代碼：I=imread(rice.JPG);J=immultiply(I,1.2); K=immultiply(I,0.5);imshow(I)figure,imshow(J)figure,imshow(K)subplot(131),imshow(I),title(I);subplot(132),imshow(J),title(J);subplot(133),imshow(K),

22、title(K);圖7 原圖(yun t) 圖8 圖9 相乘(xin chn)后的圖像4.1.4圖像(t xin)的除法運(yùn)算(yn sun)實(shí)現(xiàn)代碼：Rice = imread(rice.tif);I = double(rice);J= I * 0.43 + 90;Rice2 = uint8(J);Ip = imdivide(rice, rice2);Imshow(Ip, ); 圖10 圖像除法4.1.5圖像(t xin)的平移(pn y)實(shí)現(xiàn)(shxin)代碼：img1=imread(xixi.JPG);img1=rgb2gray(img1);figure,imshow(img1);imwr

23、ite(img1,a1.jpg);%平移 圖11原圖 圖12 平移后的圖4.1.6圖像的縮放運(yùn)算實(shí)現(xiàn)代碼：I=imread(lion.JPG);J=imresize(I,1.25); K=imresize(I,0.8); imshow(I),title(I)figure,imshow(J),title(J)figure,imshow(K),title(K)圖13原圖(yun t)圖14 圖像(t xin)放大至原圖(yun t)1.25倍 圖15圖像(t xin)縮小至原圖0.8倍4.1.7圖像的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)代碼：I=imread(trees.tif);J=imrotate(I,30,biline

24、ar); J1=imrotate(I,30,bilinear,crop); imshow(I)figure,imshow(J)figure,imshow(J1)subplot(121),imshow(I),title(I);subplot(122),imshow(J1),title(J1);J2=imrotate(I,-15,bilinear); %（寫出該命令(mng lng)的目的）figure,imshow(J2)I = imread(cameraman.tif);figure,imshow(I);theta = 30;K = imrotate(I,theta); % Try varyi

25、ng the angle, theta.figure, imshow(K) 圖16圖像(t xin)向左轉(zhuǎn) 圖17圖像(t xin)向右轉(zhuǎn)另：翻轉(zhuǎn)(fn zhun)和縮放的代碼也可用se=translate(strel(1),20 20);img2=imdilate(img1,se);figure,imshow(img2);imwrite(img2,a2.jpg);%旋轉(zhuǎn)(xunzhun)img3=imrotate(img1,90);figure,imshow(img3);imwrite(img3,a3.jpg);% %縮放img4=imresize(img1,2);figure,imshow

26、(img4);imwrite(img4,a4.jpg);5結(jié)束語通過(tnggu)這次“基于(jy)matlab的數(shù)字圖像處理”的課程設(shè)計(jì)，學(xué)到了很多很多，最基本的就是重新熟悉(shx)了matlab語言，不僅僅只是在matlab編程上面有所提高和對界面設(shè)計(jì)熟悉，對數(shù)字圖像處理也有了更深刻的認(rèn)識。 首先，明白了圖像對于matlab而言就是矩陣，灰度圖像和彩色圖像對應(yīng)于不同維數(shù)的矩陣，分別為二維和三維，其中三維矩陣每一位代表一種顏色。矩陣可以使實(shí)數(shù)，也可以使復(fù)數(shù)，不同的圖像矩陣的元素對應(yīng)于不同的類型，有double，uint8等類型。由于幾乎所有的matlab函數(shù)及其工具箱函數(shù)都可以使用doub

27、le作為參數(shù)類型，不過由于64bit來表示圖像數(shù)據(jù)存儲量特別巨大，所以matlab還支持圖像數(shù)據(jù)的無符號整型存儲，所以使用時(shí)還要注意輸出數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換。 最后，我們必須要明白理論指導(dǎo)實(shí)踐，要想實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，必須明白它實(shí)現(xiàn)的機(jī)制和相應(yīng)的算法，只有通過相應(yīng)的理論來指導(dǎo)，我們才能有所創(chuàng)新，才能有所突破，而不只是單純的引用相應(yīng)的處理函數(shù)。例如對于截圖函數(shù)，它只能是截取坐標(biāo)軸內(nèi)的圖像，對坐標(biāo)軸意外的圖像卻不能處理，而且對于同時(shí)顯示在坐標(biāo)軸上的幾張圖像，它只能處理最后顯示的那張，如果我們通過對它改進(jìn)，能實(shí)現(xiàn)像qq截圖那樣的功能就很強(qiáng)大了。不過通過這次的實(shí)現(xiàn)，我對圖像的模式，幾何變換的原理，圖像的平移，裁剪，鏡像，扭曲，縮放以及旋轉(zhuǎn)等原理都有了更清楚的認(rèn)識，也明白了它們的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。matlab還有很多很多新功能等待我們?nèi)ヌ剿鳌?通過這次的課程設(shè)計(jì)，我們受益匪淺。 6致謝(zh xi)在西華大學(xué)電氣信息學(xué)院的幾年學(xué)習(xí)時(shí)間即將過去，幾年時(shí)間并不算長，但對我而言，是磨礪青春、揮灑書生意氣的幾年，也是承受(chn