數(shù)字圖像處理實驗

數(shù)字圖像處理實驗第1頁/共69頁數(shù)字圖像處理實驗第2頁/共69頁課程安排

學(xué)時：8考核方式：考試+上機+考勤教材：《數(shù)字圖象處理實驗指導(dǎo)書》第3頁/共69頁

課程任務(wù)

通過本課程的教學(xué)，應(yīng)使同學(xué)們熟練掌握常用的數(shù)學(xué)軟件，培養(yǎng)學(xué)生運用數(shù)學(xué)軟件分析和解決數(shù)學(xué)問題和實際問題的能力。通過對實際問題的數(shù)學(xué)處理與計算機求解，完成建模和求解的任務(wù)，使同學(xué)們真正體驗到數(shù)學(xué)及計算機的實際應(yīng)用。

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數(shù)字圖像處理是論述數(shù)字圖像處理的基本理論、方法及其在通信領(lǐng)域中應(yīng)用的學(xué)科，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，其理論和方法進一步完善，已經(jīng)在宇宙探測、遙感、生物醫(yī)學(xué)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、公安、辦公自動化、視頻和多媒體系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并顯示出廣闊的應(yīng)用前景。數(shù)字圖象處理是電子信息工程專業(yè)重要的專業(yè)課，是信息與通信行業(yè)的重要分支，因此作為電子信息工程專業(yè)的大學(xué)生，有必要學(xué)習(xí)和掌握數(shù)字圖像處理的基本理論、技術(shù)與方法。第5頁/共69頁實驗一圖像輸入與輸出基本操作

一、實驗?zāi)康?/p>

學(xué)習(xí)在MATLAB環(huán)境下對圖像文件的I/O操作，為讀取各種格式的圖像文件和后續(xù)進行圖像處理打下基礎(chǔ)。

第6頁/共69頁二、實驗內(nèi)容利用MATLAB為用戶提供的專門函數(shù)從圖像格式的文件中讀/寫圖像數(shù)據(jù)、顯示圖像，以及查詢圖像文件的信息。

第7頁/共69頁二、實驗原理及步驟（1）圖像文件的讀取利用imread函數(shù)可以完成圖像文件的讀取操作。常用語法格式為：

I=imread(‘filename’,‘fmt’)或I=imread(‘filename.fmt’)；第8頁/共69頁‘bmp’Windows位圖格式‘jpg’or‘jpeg’聯(lián)合圖像專家組格式‘tif’or‘tiff’標(biāo)志圖像文件格式‘gif’圖形交換格式‘pcx’Windows畫刷格式‘png’可移動網(wǎng)絡(luò)圖形格式‘xwd’XWindowDump格式第9頁/共69頁（2）圖像文件的寫入（保存）利用imwrite完成圖像的輸出和保存操作，也完全支持也完全支持上述各種圖像文件的格式。其語法格式為：imwrite(I,‘filename’,‘fmt’)或imwrite(I,‘filename.fmt’)；

第10頁/共69頁（3）圖像文件的顯示圖像的現(xiàn)實過程是將數(shù)字圖像從一組離散數(shù)據(jù)還原為一幅可見圖像的過程。①圖像的顯示imshow函數(shù)是最常用的顯示各種圖像的函數(shù)，其調(diào)用格式如下：imshow(I,N)；imshow(I,N)用于顯示灰度圖像，其中I為灰度圖像的數(shù)據(jù)矩陣，N為灰度級數(shù)目，默認(rèn)值為256。例如下面的語句用于顯示一幅灰度圖像：>>I=imread('cameraman.tif');>>imshow(I);如果不希望在顯示圖像之前裝載圖像，那么可以使用以下格式直接進行圖像文件的顯示：imshowfilename其中，filename為要顯示的圖像文件的文件名。實例1-1顯示一幅在當(dāng)前目錄下的.bmp格式的圖像：>>imshowcameraman.tif;第11頁/共69頁顯示結(jié)果如圖所示。第12頁/共69頁添加色帶colorbar函數(shù)可以給一個坐標(biāo)軸對象添加一條色帶。如果該坐標(biāo)軸對象包含一個圖像對象，則添加的色帶將指示出該圖像中不同顏色的數(shù)據(jù)值。這對于了解被顯示圖像的灰度級特別有用。其調(diào)用格式為：colorbar實例1-2>>I=imread('cameraman.tif');>>imshow(I);>>colorbar;第13頁/共69頁顯示圖像并加入顏色條

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③顯示多幅圖像imshow(I1);figure,imshow(I2);figure,imshow(I3);第15頁/共69頁

用兩排顯示四幅圖像，可以使用以下語句：>>I1=imread(‘lena.bmp’);>>I2=imread(‘gs256.bmp’);>>I3=imread(‘lena.bmp’);>>I4=imread(‘gs256.bmp’);>>subplot（2,2,1）,imshow(I1);>>subplot（2,2,2）,imshow(I2);>>subplot（2,2,3）,imshow(I3);>>subplot（2,2,4）,imshow(I4);第16頁/共69頁

用兩排顯示四幅圖像，可以使用以下語句：>>I1=imread(‘lena.bmp’);>>I2=imread(‘gs256.bmp’);>>I3=imread(‘lena.bmp’);>>I4=imread(‘gs256.bmp’);>>subplot（2,2,1）,imshow(I1);>>subplot（2,2,2）,imshow(I2);>>subplot（2,2,3）,imshow(I3);>>subplot（2,2,4）,imshow(I4);第17頁/共69頁在一個圖形窗口中顯示多幅圖像第18頁/共69頁

>>imfinfobubbles25.jpg會輸出如下信息（注意，在這種情況下，有些域不包含信息）：Filename:‘bubbles25.jpg’FileModDate:‘04-Jan-200312:31:26’FileSize:13849Format:‘jpg’FormatVersion:‘’Width:714Height:682BitDepth:8ColorType:‘grayscale’FormatSignature:‘’Comment:{}第19頁/共69頁三、實驗步驟（1）利用imread函數(shù)完成對圖像文件的讀取操作。（2）利用imwrite函數(shù)完成圖像的寫入（保存）操作。（3）利用imshow函數(shù)顯示圖像。第20頁/共69頁四、注意事項當(dāng)利用imwrite函數(shù)保存圖像時，MATLAB默認(rèn)的保存方式是將其簡化為uint8的數(shù)據(jù)類型。與讀取文件類型類似，MATLAB在文件保存時還支持16位的PNG和TIFF圖像。所以，當(dāng)用戶保存這類文件時，MATLAB就將其存儲在uint16中。

第21頁/共69頁五、思考題

（1）請說明圖像的分辨率和圖像數(shù)字化過程的聯(lián)系。（2）利用imfinfo函數(shù)查詢圖像文件的有關(guān)信息，并回答該圖像的主要信息。第22頁/共69頁

謝謝大家！第23頁/共69頁實驗二圖像增強一、實驗?zāi)康?、在學(xué)習(xí)圖像直方圖的概念、計算方法、性質(zhì)和相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)上，生成、繪制圖像的直方圖。2、應(yīng)用MATLAB編程實現(xiàn)圖像直方圖均衡化和直方圖匹配（規(guī)定化）等程序。3、理解用直方圖均衡化和直方圖匹配（規(guī)定化）實現(xiàn)的圖像增強原理。第24頁/共69頁二、實驗內(nèi)容（1）計算并繪制圖像直方圖；（2）編程實現(xiàn)圖像的直方圖均衡化處理，顯示均衡前后的直方圖和圖像；（3）編程實現(xiàn)圖像的直方圖匹配（規(guī)定化）處理，顯示匹配（規(guī)定化）前后的直方圖和圖像。

第25頁/共69頁（1）生成并繪制圖像的直方圖假設(shè)一幅數(shù)字圖像的像素總數(shù)為N，在范圍[0，G]內(nèi)共有L個灰度級，其直方圖定義為離散函數(shù)，其中，rk是區(qū)間[0，G]內(nèi)的第K級的亮度，nk是灰度級為rk的圖像中的像素數(shù)。三、實驗原理及內(nèi)容

第26頁/共69頁總數(shù)N所得到的圖形：P(rk)表示灰度級rk出現(xiàn)的頻數(shù)。MATLAB圖像處理工具箱提供了imhist函數(shù)來計算和顯示圖像的直方圖，其調(diào)用格式為：imhist(I,b)[COUNTS,X]=imhist(I)第27頁/共69頁(a)原圖(b)直方圖(c)歸一化直方圖第28頁/共69頁(2)直方圖均衡化直方圖均衡化也叫做直方圖均勻化，是將一已知灰度概率密度分布的圖像，經(jīng)過某種變換，變成一幅具有均勻灰度概率密度分布的新圖像，此時圖像的熵最大，圖像所包含的信息量最大，且擴展了像元取值的動態(tài)范圍，從而達(dá)到增強圖像整體對比度的效果。第29頁/共69頁MATLAB圖像處理工具箱提供了直方圖均衡函數(shù)histeq。其調(diào)用格式為：J=histeq(I,n);[J,T]=histeq(I,…);newmap=histeq(X,map);[new,T]=histeq(X,…);其中,n是均衡化后的灰度級數(shù)目，是一個可選參數(shù)，缺省值是64。[J,T]=histeq(I,…)返回能從圖像I的灰度直方圖變換成圖像J的直方圖的變換函數(shù)T。第30頁/共69頁

顯示圖像’RSImg.gif’的直方圖均衡化前后的圖像及對應(yīng)的直方圖，如圖2.3所示。第31頁/共69頁顯示圖像并加入顏色條

（3）直方圖匹配（規(guī)定化）直方圖均衡化生成了自適應(yīng)的變換函數(shù)，此時它是以已知圖像的直方圖為基礎(chǔ)的。圖像的變換函數(shù)一經(jīng)計算完畢，除非直方圖有所變動否則將不再改動。能夠指定想要的處理后的圖像的直方圖形狀在某些應(yīng)用中是非常有用的。第32頁/共69頁 MATLAB圖像處理工具箱提供了直方圖匹配（規(guī)定化）函數(shù)也是histeq。其調(diào)用格式為：

J=histeq(I,hgram) newmap=histeq(X,map,hgram)第33頁/共69頁其中，J=histeq(I,hgram)實現(xiàn)了直方圖規(guī)定化，即將原始圖像I的直方圖變換成用戶指定的向量hgram。對于雙精度類型圖像，hgram值的范圍在[0,1]之間，對于uint8類型圖像，hgram值的范圍在[0,255]之間。第34頁/共69頁

顯示圖像’RSImg.gif’的直方圖匹配（規(guī)定化）后的圖像及對應(yīng)的直方圖，如圖2.4所示。第35頁/共69頁四、實驗步驟（1）打開一幅灰度圖像，利用MATLAB工具箱所提供的函數(shù)計算并繪制圖像的直方圖和歸一化直方圖。（2）利用相應(yīng)的MATLAB函數(shù)對灰度圖像進行直方圖均衡化，顯示均衡化后的圖像及對應(yīng)的直方圖，分析均衡化后圖像有何變化，均衡化后的直方圖有何特點。（3）指定灰度變換函數(shù)，利用相應(yīng)的MATLAB函數(shù)對灰度圖像進行直方圖匹配（規(guī)定化），顯示結(jié)果，分析均衡化與規(guī)定化的區(qū)別及各自的特點。（4）請利用33模板完成對任意一幅灰度圖像進行鄰域平均法和中值濾波。第36頁/共69頁（1）生成并繪制灰度圖像的直方圖及歸一化直方圖clearall;I=imread('cameraman.tif');%打開一幅灰度圖像[m,n]=size(I);p=m*n;J=imhist(I)./p;%計算圖像的歸一化直方圖subplot(1,3,1),imshow(I);subplot(1,3,2),imhist(I,64);subplot(1,3,3),plot(J);五、實驗程序代碼第37頁/共69頁（2）直方圖均衡化clearall;I=imread('cameraman.tif');J=histeq(I);%對灰度圖像I進行直方圖均衡化subplot(1,2,1),imshow(I);%顯示原圖subplot(1,2,2),imshow(J);%顯示均衡化后的圖像figure,subplot(1,2,1),imhist(I,64);%顯示原圖的直方圖subplot(1,2,2),imhist(J,64);%顯示均衡化后的直方圖第38頁/共69頁（3）直方圖匹配（規(guī)定化）clearall;I=imread('cameraman.tif');hgram=0:255;%指定希望的灰度變換函數(shù)J=histeq(I,hgram);%利用指定的灰度變換函數(shù)對圖像進行直方圖規(guī)定化處理subplot(1,2,1),imshow(I);subplot(1,2,2),imshow(J);figure,subplot(1,2,1),imhist(I,64);subplot(1,2,2),imhist(J,64);第39頁/共69頁六、思考題

1．圖像增強的目的是什么，有那些具體的方法？2．直方圖是什么概念？它反映了圖像的什么信息？第40頁/共69頁

謝謝大家！第41頁/共69頁

實驗三圖像分割

一、實驗?zāi)康?/p>

1、使學(xué)生通過實驗體會一些主要的分割算子對圖像處理的效果，以及各種因素對分割效果的影響；

2、能夠自行評價各主要算子在無噪聲條件下和噪聲條件下的分割性能；

3、能夠掌握分割條件(閾值等)的選擇；第42頁/共69頁

二、實驗內(nèi)容

1.使用MatLab軟件進行圖像的分割； 2.完成規(guī)定圖像的處理并要求正確評價處理結(jié)果，能夠從理論上作出合理的解釋。第43頁/共69頁

四、實驗原理

(1)使用Roberts算子的圖像分割實驗，調(diào)入并顯示一幅圖像*.gif或*.tif；使用Roberts算子對圖像進行邊緣檢測處理；Roberts算子為一對模板，相應(yīng)的矩陣為：

rh=[01;-10]; rv=[10;0-1];這里的rh為水平Roberts算子，rv為垂直Roberts算子。第44頁/共69頁 (2)使用Prewitt算子的圖像分割實驗

使用Prewitt算子進行內(nèi)容(1)中的全部步驟。

(3)使用Sobel算子的圖像分割實驗，使用Sobel算子進行內(nèi)容(1)中的全部步驟。

(4)使用LoG(拉普拉斯-高斯)算子的進行圖像分割實驗。

（5）使用Canny算子的進行圖像分割實驗。第45頁/共69頁

作圖像分割實驗的MATLAB程序語句如下：

I=imread(‘*.tif’); Imshow(I); BW1=edge(I,‘roberts’); BW2=edge(I,‘prewitt’); BW3=edge(I,‘sobel’); BW4=edge(I,‘log’); BW5=edge(I,‘canny’); Figure,imshow(BW1,[]); Figure,imshow(BW2,[]); Figure,imshow(BW3,[]); Figure,imshow(BW4,[]); Figure,imshow(BW5,[]);第46頁/共69頁1．調(diào)入“實驗一”中獲取的數(shù)字圖像，并進行圖像分割處理。2．請利用Robert算子，prewitt算子，sobel算子和拉普拉斯算子完成任一幅圖像的銳化。四、實驗步驟第47頁/共69頁

五、思考題1.請回答圖像分割和圖像銳化的區(qū)別與聯(lián)系。第48頁/共69頁

謝謝大家！第49頁/共69頁實驗四圖像壓縮一、實驗?zāi)康睦斫庥袚p壓縮和無損壓縮的概念。理解圖像壓縮的主要原則和目的。了解幾種常用的圖像壓縮編碼方式。利用MATLAB程序進行圖像壓縮。第50頁/共69頁二、實驗內(nèi)容

（1）編程實現(xiàn)圖像DCT變換編碼。 （2）圖像的行程（RLE）編碼壓縮處理。第51頁/共69頁

三、實驗原理1.圖像壓縮原理 圖像壓縮主要目的是為了節(jié)省存儲空間，增加傳輸速度。圖像壓縮的理想標(biāo)準(zhǔn)是信息丟失最少，壓縮比例最大。不損失圖像質(zhì)量的壓縮稱為無損壓縮，無損壓縮不可能達(dá)到很高的壓縮比；損失圖像質(zhì)量的壓縮稱為有損壓縮，高的壓縮比是以犧牲圖像質(zhì)量為代價的。壓縮的實現(xiàn)方法是對圖像重新進行編碼，希望用更少的數(shù)據(jù)表示圖像。第52頁/共69頁

編碼壓縮方法有許多種，從不同的角度出發(fā)有不同的分類方法，從信息論角度出發(fā)可分為兩大類。

（1）.冗余度壓縮方法，也稱無損壓縮、信息保持編碼或嫡編碼。具體說就是解碼圖像和壓縮編碼前的圖像嚴(yán)格相同，沒有失真，從數(shù)學(xué)上講是一種可逆運算。

（2）信息量壓縮方法，也稱有損壓縮、失真度編碼或煙壓縮編碼。也就是說解碼圖像和原始圖像是有差別的，允許有一定的失真。第53頁/共69頁

應(yīng)用在多媒體中的圖像壓縮編碼方法，從壓縮編碼算法原理上可以分為以下3類：（1）無損壓縮編碼種類 哈夫曼（Huffman）編碼，算術(shù)編碼，行程（RLE）編碼，Lempelzev編碼。（2）有損壓縮編碼種類第54頁/共69頁

預(yù)測編碼，DPCM，運動補償； 頻率域方法：正交變換編碼(如DCT)，子帶編碼； 空間域方法：統(tǒng)計分塊編碼； 模型方法：分形編碼，模型基編碼； 基于重要性：濾波，子采樣，比特分配，向量量化；第55頁/共69頁（3）混合編碼。 有JBIG，H261，JPEG，MPEG等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本實驗主要利用MATLAB程序進行離散余弦變換（DCT）壓縮和行程編碼（RunLengthEncoding，RLE）。第56頁/共69頁

離散余弦變換(DCT)圖像壓縮原理 離散余弦變換DCT在圖像壓縮中具有廣泛的應(yīng)用，它是JPEG、MPEG等數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)的重要數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。和相同圖像質(zhì)量的其他常用文件格式(如GIF(可交換的圖像文件格式)，TIFF(標(biāo)簽圖像文件格式)，PCX(圖形文件格式))相比，JPEG是目前靜態(tài)圖像中壓縮比最高的。JPEG比其他幾種壓縮比要高得多，而圖像質(zhì)量都差不多(JPEG處理的圖像只有真彩圖和灰度圖)。正是由于其高壓縮比，使得JPEG被廣泛地應(yīng)用于多媒體和網(wǎng)絡(luò)程序中。JPEG有幾種模式，其中最常用的是基于DCT變換的順序型模式，又稱為基本系統(tǒng)(Baseline)。第57頁/共69頁用DCT壓縮圖像的過程為：(1)首先將輸入圖像分解為8×8或16×16的塊，然后對每個子塊進行二維DCT變換。(2)將變換后得到的量化的DCT系數(shù)進行編碼和傳送，形成壓縮后的圖像格式。第58頁/共69頁

用DCT解壓的過程為：

(1)對每個8×8或16×16塊進行二維DCT反變換。

(2)將反變換的矩陣的塊合成一個單一的圖像。顯示結(jié)果如圖所示。第59頁/共69頁3.圖像壓縮編碼的MATLAB程序語句利用DCT變換進行圖像壓縮的MATLAB程序RGB=imread(‘greens.jpg');I=rgb2gray(RGB);J=dct2(I);imshow(log(abs(J)),[]),colormap(jet(64)),colorbarJ(abs(J)<10)=0;K=idct2(J);figure,imshow(I)figure,imshow(K,[0255])第60頁/共69頁顯示圖像并加入顏色條

2）利用離散余弦變換進行JPEG圖像壓縮

clearall; I=imread('pout.tif'); I=im2double(I); T=dctmtx(8);%產(chǎn)生DCT變換矩陣

B=blkproc(I,[88],'P1*x*P2',T,T');%計算二維DCT mask=[11110000 11100000 11000000 10000000 00000000 00000000 00000000 00000000];第61頁/共69頁 %二值掩模，用來壓縮DCT的