《數(shù)字圖像處理》實驗

1、數(shù)字圖象處理實驗指導(dǎo)書電子工程實驗室編寫適用專業(yè)：電子信息工程電子信息科學(xué)與技術(shù)江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院2010年8月江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院數(shù)字圖象處理實驗指導(dǎo)書 圖象處理課程主要介紹圖像和圖像處理的基本概念，圖像的數(shù)學(xué)模型，數(shù)字圖像的獲取，數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和和各部分基本功能，圖像的基本處理方法（如圖像的變換技術(shù)、圖像平滑、圖像灰度變換、圖像銳化等），圖像的壓縮編碼、以及圖像的分割等理論。學(xué)生學(xué)習(xí)本課程應(yīng)在理解原理的基礎(chǔ)上掌握各種基本的圖像處理方法。圖象處理課程的實驗開設(shè)目的：首先是加深理解在課堂上獲得的理論知識，將理論知識形象化；同時學(xué)習(xí)各種圖像處理技術(shù)的實際編程實現(xiàn)，加強(qiáng)編程能

2、力，積累實際經(jīng)驗；另外通過一些綜合性實驗達(dá)到對已學(xué)過的其它課程知識融會貫通的效果。本實驗指導(dǎo)書適合電子信息工程專業(yè)以及電子信息科學(xué)技術(shù)專業(yè)使用。目錄.I、幾前實驗一二維變換技術(shù)TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark56 實驗二圖像增強(qiáng)4 HYPERLINK l bookmark80 實驗三灰度圖像分割8 HYPERLINK l bookmark92 實驗四二值圖像數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)11 HYPERLINK l bookmark108 實驗五彩色圖像處理13 HYPERLINK l bookmark114 實驗六數(shù)字水印15江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院數(shù)字圖象處理實驗指導(dǎo)書 實

3、驗一二維變換技術(shù)一、實驗?zāi)康?、了解圖像變換的意義和手段。2、熟悉DFT、DCT等變換的基本原理。3、了解二維圖像頻譜的分布特點。二、實驗內(nèi)容使用MATLAB編程語言，編寫DFT、DCT等變換程序，將圖像從時域換到頻域。分析圖像頻域分布的特點。三、實驗原理、方法和手段圖象處理的方法主要分為兩大類：一個是空間域處理法，一個是頻域法（或稱變換域法）。在頻域法處理中最為關(guān)鍵的預(yù)處理便是二維變換處理。通過二維變換技術(shù)，能把空間域的圖像轉(zhuǎn)變到頻域上進(jìn)行研究，從而能很容易的了解到圖像的頻域成分，進(jìn)行相應(yīng)的處理。二維變換現(xiàn)已被用于圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像編碼、圖像描繪和圖像特征抽取等各種圖像處理技術(shù)中。1、

4、二維離散傅立葉變換在圖像二維變換處理中廣泛使用的是二維離散傅立葉變換，它的輸入和輸出均為離散形式，有利于計算機(jī)處理，并且存在快速算法，即快速傅立葉變換FFT。(1)二維傅立葉變換的定義二維離散傅立葉變換：對于MxN圖象F(u,v)=丄置N-1f(x,y)expf-j2.f巴+竺MNflMN丿丿f(X,y)=勺1N乞1F(u,v)expj2nf巴+斗u=0v=0lMN丿對于NxN圖像:,卩)=丄炭N一1N2x=0y=0ux+vyN-1N-1f(x,y)=工工F(u,v)expj2.u=0v=0(2)MATLAB提供了fft()、fft2()、fftn()函數(shù)分別實現(xiàn)一維、二維、N維的離散傅立葉變

5、換的快速傅立葉算法。用ifft()、ifft2()、ifftn()函數(shù)來實現(xiàn)一維、二維、N維的快速傅立葉反變換。2、離散余弦變換DCT離散余弦變換是在離散傅立葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種新的實數(shù)域的變換，它的變換核為余弦函數(shù)。離散余弦變換的計算速度塊，有利于圖像壓縮核其他處理，是目前圖像處理中運(yùn)用的最多的一種變換。1)二維離散余弦變換的定義對于NxN圖像FC,v)=2炭N一1f(x,y)coscNx=0y=0f(x,y)=炎NlF(u,vcNu=0v=0丘u(2x+1)兀v(2y+1)、2N丿cos2N丿)兀u(2x+1)(kv(2y+1入丿coscos2N丿(2)MATLAB提供了dct2()

6、、idct2()函數(shù)分別實現(xiàn)離散余弦變換核離散余弦反變換。四、實驗條件1、具有WINDOWS98/2000/NT/XP操作系統(tǒng)的計算機(jī)一臺2、MATLAB編程軟件五、實驗步驟1、圖像的離散傅立葉變換：首先在MATLAB中調(diào)用顯示函數(shù)顯示原始圖像，然后對圖像作二維離散傅立葉變換，顯示二維傅立葉變換的圖像。分析二維傅立葉變換圖像中所表現(xiàn)的原始圖像的頻域特性。2、圖像的離散余弦變換：首先在MATLAB中調(diào)用顯示函數(shù)顯示原始圖像，然后將圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像，對灰度圖像做離散余弦變換，將圖像離散余弦變換值小于10的置為0，然后進(jìn)行離散余弦反變換。最后顯示灰度圖像、離散余弦變換圖像及反變換后的圖像，并與原始

7、圖像進(jìn)行比較。分析兩幅圖像產(chǎn)生差異的原因。六、思考題在對圖像做離散傅立葉變換后，一般將變換數(shù)據(jù)取對數(shù)再顯示，這樣有什么好處？2、在離散余弦變換中將變換后值小于10的置為0，對原圖像產(chǎn)生了什么變化？七、實驗報告1、報告中要給出實驗的MATLAB程序，并對每個語句給出注釋，說明語句作用。2、將兩種變換中所有顯示的圖像截圖，附在程序后面。3、對實驗中的圖像變化進(jìn)行分析。4、在實驗中，你對思考題中問題的分析。實驗二圖像增強(qiáng)一、實驗?zāi)康?、掌握灰度變換、直方圖均衡、銳化、中值濾波等常見的圖像增強(qiáng)方法。2、熟悉各種方法不同的效果和使用環(huán)境。3、要求學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)書編寫MATLAB實驗程序。二、實驗內(nèi)容編寫M

8、ATLAB程序，對圖像進(jìn)行灰度變換、直方圖均衡、銳化、中值濾波等處理工作。三、實驗原理、方法和手段1、圖像灰度變換灰度變換就是通過線性變換對圖像進(jìn)行處理?；叶茸儞Q可使圖像動態(tài)范圍變大，對比度擴(kuò)展，圖像清晰，特征明顯，是圖像增強(qiáng)的重要手段。在爆光不足或過度的情況下，圖像灰度可能會局限在一個很小的范圍內(nèi)，這時將看到一個模糊不清、沒有灰度層次的圖像。用一個線性單值函數(shù)，對幀內(nèi)的每一個像素作線性擴(kuò)展，將有效的改善圖像的視覺效果。灰度變換有線性灰度變換、分段線性灰度變換和非線性灰度變換幾種。若f(x,y)為原始圖像、g(x,y)為灰度變換圖像。貝U0f(x,y)aaf(x,y)bcf(x,y)M0f(x

9、,y)aaf(x,y)bbf(x,y)e線性變換為：cdcg(x,y)=f(x,y)a+cbad分段線性變換為：-f(x,y)adg(x,y)=f(x,y)a+c二f(x,y)b+debba非線性變換采用非線性函數(shù)變換，如平方、指數(shù)、對數(shù)等。2、直方圖均衡化直方圖均衡化通過將圖像的原始灰度分布均勻散布于整個可能允許的灰度分布空間，以拉大灰度值之間的動態(tài)范圍，而在視覺上增強(qiáng)圖像的整體對比度。若原始圖象灰度級r歸一化在01之間，即0r1。p(r)為原始圖象灰度分布的概率密度函數(shù)，直方圖均衡化處理r實際上就是尋找一個灰度變換函數(shù)T，使變化后的灰度值s=TC),其中，歸一化為0sTmf(x,y)g(y

10、)=1f(:Gy)fGf(,y)mLGg(x,y)=g(x,y)=LGLBm其它Gf(,y)Tm其它Gf(,y)Tm其它f(,y)Tm其它其中，lg、lb是固定的灰度級。4、中值濾波中值濾波(Medianfiltering)是一種非常有用的非線性信號處理方法，在一定程度上可以克服采用諸如鄰域均值濾波等線性低通濾波器消除噪聲時，會將圖像邊緣模糊掉的缺點。中值濾波尤其對圖像中的脈沖噪聲、掃描噪聲等能有良好的去除效果，但是對含有過多細(xì)節(jié)的圖像，處理效果一般不好。中值濾波器根據(jù)器計算方法，可以稱為非線性濾波器中的排序統(tǒng)計濾波器，它不是簡單的加權(quán)求和，而是先把鄰域像素按灰度級進(jìn)行排序，然后再選擇該組的中

11、值作為模板輸出結(jié)果。由于中值濾波在算法設(shè)計上使與周圍像素灰度級相差較大的點處理后能和周圍的像素值比較接近，因此可以衰減隨機(jī)噪聲，尤其是脈沖噪聲等。但由于不是簡單的取均值，因此產(chǎn)生的模糊要少得多。下圖為中值濾波器得一維應(yīng)用示例，其中(a)為一疊加有1/4采樣頻率正弦震蕩得離散信號序列，在3點鄰域中進(jìn)行中值濾波，在得到得處理結(jié)果(b)中，完全消除了正弦波的干擾，而且保留了邊界。Fr(ri)Ff&i)四、實驗條件1、具有WINDOWS98/2000/NT/XP操作系統(tǒng)的計算機(jī)一臺2、MATLAB編程軟件五、實驗步驟1、圖像灰度變換：讀取一幅bmp圖像，調(diào)用MATLAB的imadjust函數(shù)，將圖像灰

12、度歸一化后0.30.7范圍的灰度值調(diào)整到01范圍。分別顯示調(diào)整前后的圖像，以及兩者的灰度直方圖。對兩幅圖像以及他們的直方圖進(jìn)行對比，分析變換前后的變化及其產(chǎn)生原因。2、直方圖均衡：讀取一幅bmp圖像，調(diào)用MATLAB的histeq函數(shù)，對圖像做直方圖均衡化處理，并顯示均衡化前后的圖像，以及兩者的灰度直方圖。對比兩幅圖像的直方圖，分析直方圖的差異對圖像產(chǎn)生的影響。3、圖像銳化：讀取一幅bmp圖像，調(diào)用MATLAB的梯度函數(shù)，按照前面的5種不同的圖像銳化方法實現(xiàn)圖像銳化處理，并顯示原始圖像和5種銳化處理后的圖像。對比各種銳化方法處理的效果。4、中值濾波：讀取一幅bmp圖像，首先給圖像加上椒鹽噪聲，

13、然后分別采用低通濾波法和中值濾波法對噪聲圖像進(jìn)行平滑處理，分別顯示原始圖像、噪聲圖像以及低通濾波和中值濾波處理后的圖像。對兩種濾波器的處理效果進(jìn)行比較。六、思考題1、圖像銳化處理除梯度法外還有哪些方法，它們與梯度法相比有什么優(yōu)缺點？2、分析最后一個實驗內(nèi)容，中值濾波和低通濾波相比，在對圖像進(jìn)行平滑處理時各有什么優(yōu)缺點？七、實驗報告1、報告中要給出實驗的MATLAB程序，并對每個語句給出注釋，說明語句作用。2、將實驗結(jié)果中所顯示的圖像截圖，附在程序后面。3、在實驗中，你對思考題中問題的分析。實驗三灰度圖像分割一、實驗?zāi)康?、掌握圖像分割的基本概念。2、掌握邊緣檢測法圖像分割、灰度閾值分割等常見的

14、圖像分割技術(shù)。3、根據(jù)指導(dǎo)書編寫MATLAB實驗程序。二、實驗內(nèi)容編寫MATLAB程序，對圖像進(jìn)行圖像邊緣檢測、閾值分割等圖像分割處理。三、實驗原理、方法和手段1、圖象邊緣檢測圖像理解是圖像處理的一個重要分支，研究為完成某一任務(wù)需要從圖像中提取哪些有用的信息，以及如何利用這些信息解釋圖像。邊緣檢測技術(shù)對于處理數(shù)字圖像非常重要，因為邊緣是所要提取目標(biāo)和背景的分界線，提取出邊緣才能將目標(biāo)和背景區(qū)分開來。在圖像中，邊界表明一個特征區(qū)域的終結(jié)和另一個特征區(qū)域的開始，邊界所分開區(qū)域的內(nèi)部特征或?qū)傩允且恢碌模煌膮^(qū)域內(nèi)部的特征或?qū)傩允遣煌?，邊緣檢測正是利用物體和背景在某種圖像特性上的差異來實現(xiàn)的，這

15、些差異包括灰度，顏色或者紋理特征。邊緣檢測實際上就是檢測圖像特征發(fā)生變化的位置。圖象邊緣檢測必須滿足兩個條件：一能有效地抑制噪聲；二必須盡量精確確定邊緣的位置由于噪聲和模糊的存在，檢測到的邊界可能會變寬或在某些點處發(fā)生間斷，因此，邊界檢測包括兩個基本內(nèi)容：首先抽取出反映灰度變化的邊緣點，然后剔除某些邊界點或填補(bǔ)邊界間斷點，并將這些邊緣連接成完整的線。邊緣檢測的方法大多數(shù)是基于方向?qū)?shù)掩模求卷積的方法。導(dǎo)數(shù)算子具有突出灰度變化的作用，對圖像運(yùn)用導(dǎo)數(shù)算子，灰度變化較大的點處算得的值比較高，因此可將這些導(dǎo)數(shù)值作為相應(yīng)點的邊界強(qiáng)度，通過設(shè)置門限的方法，提取邊界點集。一階導(dǎo)數(shù)與是最簡單的導(dǎo)數(shù)算子，它們分

16、別求出了灰度在x和y方向上的變化率，而方向a上的灰度變化率可以用相應(yīng)公式進(jìn)行計算;對于數(shù)字圖像，應(yīng)該采用差分運(yùn)算代替求導(dǎo)。一幅數(shù)字圖像的一階導(dǎo)數(shù)是基于各種二維梯度的近似值。圖像f(x,y)在位置(x,y)的梯度定義為下列向量：在邊緣檢測中，一般用這個向量的大小，用Vf表示V/二Gx2+Gy21/2函數(shù)f在某點的方向?qū)?shù)取得最大值的方向是，方向?qū)?shù)的最大值是稱為梯度模。利用梯度模算子來檢測邊緣是一種很好的方法，它不僅具有位移不變性，還具有各向同性。為了運(yùn)算簡便，實際中采用梯度模的近似形式。VfqIGxI+1GyI或者Vf沁max(GxIGy傳統(tǒng)的邊緣檢測算法通過梯度算子來實現(xiàn)的，在求邊緣的梯度時

17、，需要對每個象素位置計算。在實際中常用小區(qū)域模板卷積來近似快速計算，簡單有效，即梯度算子一般采用濾波算子的形式來完成，因此應(yīng)用很廣泛。模板是N*N的權(quán)值方陣，經(jīng)典的梯度算子模板有：Sobel模板、Prewitt模板、Roberts模板、Laplacian模板等。在MATLAB中，使用edge函數(shù)，語法BW=edge(I,parameter卩用edge函數(shù)，通過實驗選擇一種較好的算子檢測圖像邊緣。2、閾值分割圖像閾值化分割是一種最常用，同時也是最簡單的圖像分割方法，它特別適用于目標(biāo)和背景占據(jù)不同灰度級范圍的圖像。它不僅可以極大的壓縮數(shù)據(jù)量，而且也大大簡化了分析和處理步驟，因此在很多情況下，是進(jìn)行

18、圖像分析、特征提取與模式識別之前的必要的圖像預(yù)處理過程。圖像閾值化的目的是要按照灰度級，對像素集合進(jìn)行一個劃分，得到的每個子集形成一個與現(xiàn)實景物相對應(yīng)的區(qū)域，各個區(qū)域內(nèi)部具有一致的屬性，而相鄰區(qū)域布局有這種一致屬性。這樣的劃分可以通過從灰度級出發(fā)選取一個或多個閾值來實現(xiàn)。在MATLAB中，使用T=graythresh(I)函數(shù)自動獲取分割閾值。四、實驗條件1、具有WINDOWS98/2000/NT/XP操作系統(tǒng)的計算機(jī)一臺2、MATLAB編程軟件五、實驗步驟1、圖像邊緣檢測讀取一幅圖像，調(diào)用MATLAB的edge函數(shù)，分別用sobel方法、prewitt方法、roberts方法、拉普拉斯方法、

19、canny方法對圖像進(jìn)行邊緣檢測，比較不同方法產(chǎn)生的結(jié)果的差異。2、閾值分割讀取一幅圖像，調(diào)用MATLAB的graythresh函數(shù)，對圖像進(jìn)行閾值分割。六、思考題1、說明邊緣檢測的原理。2、比較不同圖像邊緣檢測的差異，并分析原因。七、實驗報告1、報告中要給出實驗的MATLAB程序，并對每個語句給出注釋，說明語句作用。2、將實驗結(jié)果的圖像截圖，附在程序后面。3、在實驗中，你對思考題中問題的分析。實驗二值圖像數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)一、實驗?zāi)康?、理解數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)基本概念。2、掌握二值圖像的腐蝕、膨脹、開運(yùn)算、閉運(yùn)算等常見的形態(tài)學(xué)運(yùn)算方法。3、根據(jù)指導(dǎo)書編寫MATLAB實驗程序。二、實驗內(nèi)容編寫MATLAB程序

20、，對二值圖像進(jìn)行腐蝕、膨脹、開運(yùn)算、閉運(yùn)算等形態(tài)學(xué)運(yùn)算。三、實驗原理、方法和手段數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是一種應(yīng)用于圖像處理和模式識別領(lǐng)域的新的方法。它的基本思想是用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去度量和提取圖像中的對應(yīng)形狀以達(dá)到對圖像進(jìn)行分析和識別的目的。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和所用語言是集合論。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的應(yīng)用可以簡化圖像數(shù)據(jù)，保持它們基本的形狀特性，并除去不相干的結(jié)構(gòu)。另一方面，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的算法具有天然的并行實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的基本運(yùn)算有四個：膨脹、腐蝕、開啟和閉合?，F(xiàn)簡單介紹如下：如用A表示圖像集合，B表示結(jié)構(gòu)元素，形態(tài)學(xué)運(yùn)算就是用B對A進(jìn)行操作。A被B膨脹，記為AB,為膨脹算子，膨脹的定義為：AB=Ac

21、0BcA被B腐蝕，記為AOB,O為腐蝕算子，腐蝕的定義為：A0B=x:B+xuA膨脹和腐蝕并不互為逆運(yùn)算，所以它們可以級連結(jié)合使用。例如，利用同一個結(jié)構(gòu)元素B,先對圖像腐蝕然后膨脹其結(jié)果，或先對圖像膨脹然后腐蝕其結(jié)果，前一種運(yùn)算稱為開啟運(yùn)算，后一種運(yùn)算稱為閉合運(yùn)算。它們也是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的重要運(yùn)算。開啟的運(yùn)算符為,A用B來開啟寫作AB,其定義為：B=(A0B)B或AgB=U(B+x:B+xuA)閉合的運(yùn)算符為，A用B來閉合寫作AB,其定義為：AB二（AB血B或AB二（AcB）c開啟和閉合兩種運(yùn)算都可以去除比結(jié)構(gòu)元素小的特定圖像細(xì)節(jié)，同時保證不產(chǎn)生全局的幾何失真。開啟運(yùn)算可以把比結(jié)構(gòu)元素小的椒鹽噪聲濾除，切斷細(xì)長搭接而起到分離作用。閉合運(yùn)算可使比結(jié)構(gòu)元素小的缺口或孔填補(bǔ)上，搭接短的間斷而起到連通作用。四、實驗條件1、具有WINDOWS98/2000/NT/XP操作系統(tǒng)的計算機(jī)一臺2、MATLAB編程軟件五、實驗步驟1、調(diào)入并顯示圖像；2、選取合適的閾值，得到二值化圖像；3、設(shè)置結(jié)構(gòu)元素；4、對得到的二值圖像進(jìn)行腐蝕運(yùn)算；5、對得到的二值圖像進(jìn)行膨脹運(yùn)算；6、對得到的二值圖像進(jìn)行開運(yùn)算；7、對得到的二值圖像進(jìn)行閉運(yùn)算；六、思考題1、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)基本運(yùn)算之間有何聯(lián)系？各有什么特點？七、實驗報告1、報告中要給出實驗的MATLAB程序，