數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)

數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)第1頁(yè)/共69頁(yè)數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)第2頁(yè)/共69頁(yè)課程安排

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

課程任務(wù)

通過(guò)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(yùn)用數(shù)學(xué)軟件分析和解決數(shù)學(xué)問(wèn)題和實(shí)際問(wèn)題的能力。通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的數(shù)學(xué)處理與計(jì)算機(jī)求解，完成建模和求解的任務(wù)，使同學(xué)們真正體驗(yàn)到數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)的實(shí)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(guò)三十多年的發(fā)展，其理論和方法進(jìn)一步完善，已經(jīng)在宇宙探測(cè)、遙感、生物醫(yī)學(xué)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、公安、辦公自動(dòng)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(zhuān)業(yè)重要的專(zhuān)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(zhuān)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(yè)/共69頁(yè)實(shí)驗(yàn)一圖像輸入與輸出基本操作

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

學(xué)習(xí)在MATLAB環(huán)境下對(duì)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(jìn)行圖像處理打下基礎(chǔ)。

第6頁(yè)/共69頁(yè)二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容利用MATLAB為用戶提供的專(zhuān)門(mén)函數(shù)從圖像格式的文件中讀/寫(xiě)圖像數(shù)據(jù)、顯示圖像，以及查詢(xún)圖像文件的信息。

第7頁(yè)/共69頁(yè)二、實(shí)驗(yàn)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(yǔ)法格式為：

I=imread(‘filename’,‘fmt’)或I=imread(‘filename.fmt’)；第8頁(yè)/共69頁(yè)‘bmp’Windows位圖格式‘jpg’or‘jpeg’聯(lián)合圖像專(zhuān)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(huà)刷格式‘png’可移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)圖形格式‘xwd’XWindowDump格式第9頁(yè)/共69頁(yè)（2）圖像文件的寫(xiě)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(yǔ)法格式為：imwrite(I,‘filename’,‘fmt’)或imwrite(I,‘filename.fmt’)；

第10頁(yè)/共69頁(yè)（3）圖像文件的顯示圖像的現(xiàn)實(shí)過(guò)程是將數(shù)字圖像從一組離散數(shù)據(jù)還原為一幅可見(jiàn)圖像的過(guò)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(jí)數(shù)目，默認(rèn)值為256。例如下面的語(yǔ)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(jìn)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(shí)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(yè)/共69頁(yè)顯示結(jié)果如圖所示。第12頁(yè)/共69頁(yè)添加色帶colorbar函數(shù)可以給一個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)象添加一條色帶。如果該坐標(biāo)軸對(duì)象包含一個(gè)圖像對(duì)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(duì)于了解被顯示圖像的灰度級(jí)特別有用。其調(diào)用格式為：colorbar實(shí)例1-2>>I=imread('cameraman.tif');>>imshow(I);>>colorbar;第13頁(yè)/共69頁(yè)顯示圖像并加入顏色條

第14頁(yè)/共69頁(yè)

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

用兩排顯示四幅圖像，可以使用以下語(yǔ)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(yè)/共69頁(yè)

用兩排顯示四幅圖像，可以使用以下語(yǔ)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(yè)/共69頁(yè)在一個(gè)圖形窗口中顯示多幅圖像第18頁(yè)/共69頁(yè)

>>imfinfobubbles25.jpg會(huì)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(yè)/共69頁(yè)三、實(shí)驗(yàn)步驟（1）利用imread函數(shù)完成對(duì)圖像文件的讀取操作。（2）利用imwrite函數(shù)完成圖像的寫(xiě)入（保存）操作。（3）利用imshow函數(shù)顯示圖像。第20頁(yè)/共69頁(yè)四、注意事項(xiàng)當(dāng)利用imwrite函數(shù)保存圖像時(shí)，MATLAB默認(rèn)的保存方式是將其簡(jiǎn)化為uint8的數(shù)據(jù)類(lèi)型。與讀取文件類(lèi)型類(lèi)似，MATLAB在文件保存時(shí)還支持16位的PNG和TIFF圖像。所以，當(dāng)用戶保存這類(lèi)文件時(shí)，MATLAB就將其存儲(chǔ)在uint16中。

第21頁(yè)/共69頁(yè)五、思考題

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

謝謝大家！第23頁(yè)/共69頁(yè)實(shí)驗(yàn)二圖像增強(qiáng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、在學(xué)習(xí)圖像直方圖的概念、計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)的圖像增強(qiáng)原理。第24頁(yè)/共69頁(yè)二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1）計(jì)算并繪制圖像直方圖；（2）編程實(shí)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(shí)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(yè)/共69頁(yè)（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(gè)灰度級(jí)，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(jí)的亮度，nk是灰度級(jí)為rk的圖像中的像素?cái)?shù)。三、實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容

第26頁(yè)/共69頁(yè)總數(shù)N所得到的圖形：P(rk)表示灰度級(jí)rk出現(xiàn)的頻數(shù)。MATLAB圖像處理工具箱提供了imhist函數(shù)來(lái)計(jì)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(yè)/共69頁(yè)(a)原圖(b)直方圖(c)歸一化直方圖第28頁(yè)/共69頁(yè)(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(guò)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(shí)圖像的熵最大，圖像所包含的信息量最大，且擴(kuò)展了像元取值的動(dòng)態(tài)范圍，從而達(dá)到增強(qiáng)圖像整體對(duì)比度的效果。第29頁(yè)/共69頁(yè)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(jí)數(shù)目，是一個(gè)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(yè)/共69頁(yè)

顯示圖像’RSImg.gif’的直方圖均衡化前后的圖像及對(duì)應(yīng)的直方圖，如圖2.3所示。第31頁(yè)/共69頁(yè)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(shí)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(jì)算完畢，除非直方圖有所變動(dòng)否則將不再改動(dòng)。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(yè)/共69頁(yè) 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(yè)/共69頁(yè)其中，J=histeq(I,hgram)實(shí)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(duì)于雙精度類(lèi)型圖像，hgram值的范圍在[0,1]之間，對(duì)于uint8類(lèi)型圖像，hgram值的范圍在[0,255]之間。第34頁(yè)/共69頁(yè)

顯示圖像’RSImg.gif’的直方圖匹配（規(guī)定化）后的圖像及對(duì)應(yīng)的直方圖，如圖2.4所示。第35頁(yè)/共69頁(yè)四、實(shí)驗(yàn)步驟（1）打開(kāi)一幅灰度圖像，利用MATLAB工具箱所提供的函數(shù)計(jì)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(duì)灰度圖像進(jìn)行直方圖均衡化，顯示均衡化后的圖像及對(duì)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(diǎn)。（3）指定灰度變換函數(shù)，利用相應(yīng)的MATLAB函數(shù)對(duì)灰度圖像進(jìn)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(diǎn)。（4）請(qǐng)利用33模板完成對(duì)任意一幅灰度圖像進(jìn)行鄰域平均法和中值濾波。第36頁(yè)/共69頁(yè)（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(kāi)一幅灰度圖像[m,n]=size(I);p=m*n;J=imhist(I)./p;%計(jì)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(shí)驗(yàn)程序代碼第37頁(yè)/共69頁(yè)（2）直方圖均衡化clearall;I=imread('cameraman.tif');J=histeq(I);%對(duì)灰度圖像I進(jìn)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(yè)/共69頁(yè)（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(duì)圖像進(jìn)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(yè)/共69頁(yè)六、思考題

1．圖像增強(qiáng)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(yè)/共69頁(yè)

謝謝大家！第41頁(yè)/共69頁(yè)

實(shí)驗(yàn)三圖像分割

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)體會(huì)一些主要的分割算子對(duì)圖像處理的效果，以及各種因素對(duì)分割效果的影響；

2、能夠自行評(píng)價(jià)各主要算子在無(wú)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(yè)/共69頁(yè)

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

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

四、實(shí)驗(yàn)原理

(1)使用Roberts算子的圖像分割實(shí)驗(yàn)，調(diào)入并顯示一幅圖像*.gif或*.tif；使用Roberts算子對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)處理；Roberts算子為一對(duì)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(yè)/共69頁(yè) (2)使用Prewitt算子的圖像分割實(shí)驗(yàn)

使用Prewitt算子進(jìn)行內(nèi)容(1)中的全部步驟。

(3)使用Sobel算子的圖像分割實(shí)驗(yàn)，使用Sobel算子進(jìn)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(jìn)行圖像分割實(shí)驗(yàn)。

（5）使用Canny算子的進(jìn)行圖像分割實(shí)驗(yàn)。第45頁(yè)/共69頁(yè)

作圖像分割實(shí)驗(yàn)的MATLAB程序語(yǔ)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(yè)/共69頁(yè)1．調(diào)入“實(shí)驗(yàn)一”中獲取的數(shù)字圖像，并進(jìn)行圖像分割處理。2．請(qǐng)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(shí)驗(yàn)步驟第47頁(yè)/共69頁(yè)

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

謝謝大家！第49頁(yè)/共69頁(yè)實(shí)驗(yàn)四圖像壓縮一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦斫庥袚p壓縮和無(wú)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(jìn)行圖像壓縮。第50頁(yè)/共69頁(yè)二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

（1）編程實(shí)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(yè)/共69頁(yè)

三、實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(chēng)為無(wú)損壓縮，無(wú)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(chēng)為有損壓縮，高的壓縮比是以犧牲圖像質(zhì)量為代價(jià)的。壓縮的實(shí)現(xiàn)方法是對(duì)圖像重新進(jìn)行編碼，希望用更少的數(shù)據(jù)表示圖像。第52頁(yè)/共69頁(yè)

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(lèi)方法，從信息論角度出發(fā)可分為兩大類(lèi)。

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

（2）信息量壓縮方法，也稱(chēng)有損壓縮、失真度編碼或煙壓縮編碼。也就是說(shuō)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(yè)/共69頁(yè)

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(lèi)：（1）無(wú)損壓縮編碼種類(lèi) 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(lèi)第54頁(yè)/共69頁(yè)

預(yù)測(cè)編碼，DPCM，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)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(jì)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(yè)/共69頁(yè)（3）混合編碼。 有JBIG，H261，JPEG，MPEG等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)主要利用MATLAB程序進(jìn)行離散余弦變換（DCT）壓縮和行程編碼（RunLengthEncoding，RLE）。第56頁(yè)/共69頁(yè)

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(chēng)為基本系統(tǒng)(Baseline)。第57頁(yè)/共69頁(yè)用DCT壓縮圖像的過(guò)程為：(1)首先將輸入圖像分解為8×8或16×16的塊，然后對(duì)每個(gè)子塊進(jìn)行二維DCT變換。(2)將變換后得到的量化的DCT系數(shù)進(jìn)行編碼和傳送，形成壓縮后的圖像格式。第58頁(yè)/共69頁(yè)

用DCT解壓的過(guò)程為：

(1)對(duì)每個(gè)8×8或16×16塊進(jìn)行二維DCT反變換。

(2)將反變換的矩陣的塊合成一個(gè)單一的圖像。顯示結(jié)果如圖所示。第59頁(yè)/共69頁(yè)3.圖像壓縮編碼的MATLAB程序語(yǔ)句利用DCT變換進(jìn)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(yè)/共69頁(yè)顯示圖像并加入顏色條

2）利用離散余弦變換進(jìn)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(jì)算二維DCT mask=[11110000 11100000 11000000 10000000 00000000 00000000 00000000 00000000];第61頁(yè)/共69頁(yè) %二值掩模，用來(lái)壓縮DCT的