《圖像處理基礎(chǔ)》課件

第7講Matlab圖像處理基礎(chǔ)主要介紹圖像的數(shù)據(jù)類型及類型，圖像和視頻文件的讀寫與顯示，圖像的運(yùn)和幾何操作視頻文件轉(zhuǎn)換等。

Matlab圖像處理工具箱———ImageProcessingToolbox提高圖像質(zhì)量，使模糊的圖像變得清晰；提取圖像的有效特征，以便進(jìn)行模式識(shí)別；通過圖像變換和有效編碼來壓縮其頻帶或數(shù)據(jù)，以便傳輸或存儲(chǔ)。一、圖像處理工具箱函數(shù)包含一百余個(gè)函數(shù)，按其內(nèi)容劃分為以下幾類：⑴、圖像顯示函數(shù)；⑵、圖像文件輸入、輸出函數(shù)；⑶、圖像幾何操作函數(shù)；⑷、圖像像素值及統(tǒng)計(jì)函數(shù)；⑸、圖像分析函數(shù)；⑹、圖像增強(qiáng)函數(shù)；⑺、線性濾波函數(shù)；⑻、二維線性濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)；⑼、圖像變換函數(shù)；⑽、圖像鄰域及塊操作函數(shù)；⑾、二值圖像操作函數(shù)；⑿、基于區(qū)域的圖像處理函數(shù)；⒀、顏色圖操作函數(shù)；⒁、顏色空間轉(zhuǎn)換函數(shù)；⒂、圖像類型和類型轉(zhuǎn)換函數(shù)。一、圖像處理工具箱函數(shù)在缺省的情況下，Matlab將圖像中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為雙精度類型（double），即64bit浮點(diǎn)數(shù)。這種存儲(chǔ)方法的優(yōu)點(diǎn)在于，使用中不需要數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，因?yàn)閹缀跛械腗atlab及其工具箱函數(shù)都可以使用double作為參數(shù)類型。然而對(duì)于圖像存儲(chǔ)來說，用64bit表示圖像數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致巨大的存儲(chǔ)量，Matlab還支持圖像數(shù)據(jù)的另一種類型無符號(hào)整型（uint8），即圖像矩陣中的每個(gè)數(shù)據(jù)占用1個(gè)字節(jié)。

Matlab及工具箱中的大多數(shù)操作及函數(shù)（比如最基本的矩陣相加）都不支持uint8類型。uint8的優(yōu)勢(shì)僅在于節(jié)省存儲(chǔ)空間，在涉及運(yùn)算時(shí)將其轉(zhuǎn)換成double型。

二、圖像和圖像的數(shù)據(jù)類型圖像數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換函數(shù)im2double():將圖像數(shù)組轉(zhuǎn)換成double精度類型有效輸入數(shù)據(jù)類型：logical,uint8,uint16,double

im2uint8():將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成unit8類型有效輸入數(shù)據(jù)類型：logical,uint8,uint16,double

im2uint16():將圖像數(shù)組轉(zhuǎn)換成unit16類型有效輸入數(shù)據(jù)類型：logical,uint8,uint16,double圖像處理工具箱所支持的圖像類型圖像處理工具箱支持5種圖像類型真彩色圖像（RGBimages）索引色圖像（indeximages）灰度圖像（intensityimages）二值圖像（binaryimages）多幀圖像組成的圖像序列。圖像類型1.真彩色圖像

真彩色圖像用R、G、B3個(gè)分量表示1個(gè)像素的顏色，所以對(duì)1個(gè)尺寸為m×n的真彩色圖像來說，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就是一個(gè)m×n×3的多維數(shù)組。如果要讀取圖像中(100，50)處的像素值，可以查看三元組(100,50,1∶3).真彩色圖像可用雙精度存儲(chǔ)，此時(shí)亮度值的范圍是［0,1］。比較符合習(xí)慣的存儲(chǔ)方法是用無符號(hào)整型存儲(chǔ)，亮度值的范圍為［0,255］。圖1真彩色圖像的結(jié)構(gòu)2.索引色圖像Matlab中的索引色圖像包含2個(gè)結(jié)構(gòu)，一個(gè)是調(diào)色板；另外一個(gè)是圖像數(shù)據(jù)矩陣。調(diào)色板是一個(gè)有3列和若干行的色彩映像矩陣，矩陣的每行都代表一種色彩，通過3個(gè)分別代表紅、綠、藍(lán)顏色強(qiáng)度的雙精度數(shù)，形成一種特定的顏色。需要注意的是Matlab中的調(diào)色板的色彩強(qiáng)度是［0,1］中的浮點(diǎn)數(shù)，0代表最暗，1代表最亮。圖2索引色圖像的結(jié)構(gòu)圖3.灰度圖像

存儲(chǔ)灰度圖像只需要一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，數(shù)據(jù)類型可以是double，值域?yàn)閇0,1]，也可以是uint8，值域[0,255]。4.二值圖像又稱黑白圖像，二值圖像只需一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，每個(gè)像素只有2個(gè)灰度值。二值圖像可以采用uint8或double類型存儲(chǔ)，工具箱中以二值圖像作為返回結(jié)果的函數(shù)都使用uint8類型。

圖5是一幅二值圖像的結(jié)構(gòu)圖5二值圖像的結(jié)構(gòu)5.圖像序列圖像處理工具箱支持將多幀圖像連接成圖像序列。圖像序列是一個(gè)四維的數(shù)組，圖像幀的序號(hào)在圖像的長(zhǎng)、寬、顏色深度之后構(gòu)成第四維。比如一個(gè)包含了5幅400×300真彩色圖像的序列，其大小為400×300×5。要將分散的圖像合并成圖像序列可以使用Matlab的cat函數(shù)，前提是各圖像的尺寸必須相同，如果是索引色圖像，調(diào)色板也必須是一樣的。圖像序列比如要將A1、A2、A3、A4、A5五幅圖像合并成一個(gè)圖像序列A，Matlab語句為

A=cat(4，A1，A2，A3，A4，A5)

也可以從圖像序列中抽出1幀，比如語句

FRM3=MULTI(：、：、：、3)是將序列MULTI中的第3幀抽出來賦給矩陣FRM3。Matlab圖像類型轉(zhuǎn)換函數(shù)

工具箱中提供了許多圖像類型轉(zhuǎn)換的函數(shù)，從這些函數(shù)的名稱就可以看出它們的功能。1.gray2ind函數(shù)功能：將灰度圖像轉(zhuǎn)換成索引圖像。格式：[X,map]=gray2ind(I,n)Matlab圖像類型轉(zhuǎn)換2.grayslice函數(shù)功能：通過設(shè)定閾值將灰度圖像轉(zhuǎn)換成索引色圖像。格式：X=grayslice(I,n)X=grayslice(I,v)3.imb2bw函數(shù)功能：將灰度圖像、索引色圖像和真彩色圖像轉(zhuǎn)化成二值圖像。格式：BW=im2bw(I,level)BW=im2bw(X,map,level)BW=im2bw(RGB,level)Matlab圖像類型轉(zhuǎn)換

4.ind2gray函數(shù)功能：將索引圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像。格式：I=Ind2gray(X,map)5.ind2rgb函數(shù)功能：將索引色圖像轉(zhuǎn)換成真彩色圖像。格式：RGB=ind2rgb(X,map)Matlab圖像類型轉(zhuǎn)換6.mat2gray函數(shù)功能：將一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)換成一幅灰度圖像。格式：I=mat2gray(A,［aminamax］)I=mat2gray(A)

7.rgb2gray函數(shù)功能：將一幅真彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像。格式：I=rgb2gray(RGB)newmap=rgb2gray(map)8.rgb2ind函數(shù)功能：將真彩色圖像轉(zhuǎn)換成索引色圖像。格式：RGB=rgb2ind(X,map)例：轉(zhuǎn)換灰度圖像為索引圖像

clccloseallclearI=imread('tire.tif');X=grayslice(I,16);imshow(I)figure,imshow(X,jet(16))例：轉(zhuǎn)換圖像為二進(jìn)制圖像clccloseallclearloadtreesBW=im2bw(X,map,0.4);imshow(X,map)figure,imshow(BW)圖像文件的讀寫和顯示圖像文件的讀寫圖像文件的顯示特殊的圖像顯示技術(shù)圖像文件的讀寫和查詢圖形圖像文件的讀取

語法：A=imread(‘文件名’，’文件格式’)說明：讀取圖像語法：[M,N]=size(‘filename’)

說明：給出一幅圖像的行數(shù)和列數(shù)圖像文件的讀寫和查詢X=imread('moon.tif');whosNameSizeBytesClassX537x358192246uint8arrayX1=imread('peppers','png');NameSizeBytesClassX537x358192246uint8arrayX1384x512x3589824uint8array2.圖形圖像文件的寫入（保存）

利用imwrite函數(shù)可以完成圖形圖像文件的讀取操作，其語法如下語法：imwrite(f,‘filename’)說明：保存圖像當(dāng)利用imwrite函數(shù)保存圖像時(shí)，Matlab缺省的保存方式就是將其簡(jiǎn)化到uint8的數(shù)據(jù)格式。3.圖形圖像文件信息的查詢

Matlab提供了imfinfo函數(shù)用于從圖像文件中查詢其信息。所獲取的信息依文件類型的不同而不同。但是不管哪種類型的圖像文件，至少包含下面的內(nèi)容。文件名。(如果該文件不在當(dāng)前路徑下，還包含該文件的完整路徑。)文件格式。文件格式的版本號(hào)。文件修改時(shí)間。文件的字節(jié)大小。圖像的寬度（像素）。圖像的長(zhǎng)度（像素）。每個(gè)像素的位數(shù)。圖像類型。即該圖像是RGB(真彩)圖像、灰度圖像還是索引圖像。imfinfo('moon.tif')

圖像文件的顯示在Matlab中，顯示一幅圖像可以用image函數(shù)，這個(gè)函數(shù)將創(chuàng)建一個(gè)圖形對(duì)象句柄，語法格式為：

image(C)image(x,y,C)image(′PropertyName′,PropertyValue,image(′PropertyName′,PropetyValue,…)handle=image(…)

其中，x,y分別表示圖像顯示位置的左上角坐標(biāo)，C表示所需顯示的圖像。圖像文件的顯示>>X1=imread('peppers','png');>>image(X1)圖像文件的顯示loadclownimage(10,10,X)colormap(map)用image函數(shù)顯示的一幅小丑圖像,圖像的左上角坐標(biāo)為（10，10）。圖像文件的顯示Matlab圖像處理工具箱提供了一個(gè)高級(jí)的圖像顯示函數(shù)imshow。其語法格式為語法：imshow(f,G)imshow(f,[lowhigh])imshow(f,[])說明：G是顯示該圖像的灰度級(jí)數(shù)；小于或等于low的值都顯示為黑色，大于或等于high的值都顯示為白色。[]自動(dòng)將變量low設(shè)置為f的最小值，將high設(shè)置為f的最大值。圖像文件的顯示例如：

I=imread(′rice.png′)J=filter2(［12;-1-2］,I)%用模板［12;-1-2］對(duì)圖像濾波

imshow(I)figure,imshow(J,［］)用imshow顯示濾波前后的圖像圖像讀取顯示

clcclearcloseallf=imread('tire.tif');[M,N]=size(f);g=imread('trees.tif');imshow(f);figure,imshow(g);imwrite(f,'s2.jpg')圖像讀取顯示圖像讀取顯示使用圖像瀏覽器顯示imview()>>A=imread('moon.tif');>>imview(A)特殊圖像顯示技術(shù)添加顏色條colorbar()A=imread('moon.tif');imview(A,[]);colorbar('vert')colorbar('horz')不同類型的圖像顯示方法索引圖像及其顯示1、顯示一幅索引圖像：

image(X)colormap(map)

顏色映像表通常和索引圖像保存在一起。當(dāng)用戶調(diào)用函數(shù)imread時(shí)，Matlab自動(dòng)同時(shí)加載顏色映像表與圖像。2、使用imshow命令顯示索引圖像

imshow(X,map)灰度圖像及其顯示1、灰度圖像顯示最基本的調(diào)用格式如下：

imshow(I)多數(shù)情況下，灰度圖像很少和顏色映像表一起保存，但在顯示灰度圖像時(shí)，Matlab仍然在后臺(tái)使用系統(tǒng)預(yù)定義的缺省灰度顏色映像表。imshow函數(shù)通過將灰度值標(biāo)度為灰度級(jí)調(diào)色板的索引來顯示圖像。如果I是double型，若像素值為0.0，則顯示為黑色，1.0則顯示為白色，0.0和1.0之間的像素值將顯示為灰影。如果I為uint16類型，則像素值為65535將被顯示為白色?；叶葓D像及其顯示（2）imagesc函數(shù)顯示灰度圖像下面的代碼是用具有兩個(gè)輸入?yún)?shù)的imagesc函數(shù)顯示一幅灰度圖像。

imagese(1,［01］);colormap(gray);imagesc函數(shù)中的第二個(gè)參數(shù)確定灰度范圍?；叶确秶械牡谝粋€(gè)值（通常是0），對(duì)應(yīng)于顏色映像表中的第一個(gè)值（顏色），第二個(gè)值（通常是1）則對(duì)應(yīng)于顏色映像表中的最后一個(gè)值（顏色）。灰度范圍中間的值則線性對(duì)應(yīng)于顏色映像表中剩余的值（顏色）?；叶葓D像及其顯示

例如，用系統(tǒng)缺省的灰色顯示一幅灰度圖像loadclownclims=［1060］;imagesc(X,clims)colormap(gray)

而使用淺藍(lán)綠色顯示該圖像則是另外一番效果

loadclownclims=［1060］;imagesc(X,clims)colormap(winter)RGB圖像及其顯示1、用image函數(shù)顯示RGB圖像image(RGB)2、用imshow函數(shù)顯示RGB圖像imshow(RGB)

4.二進(jìn)制圖像及其顯示顯示二進(jìn)制圖像

BW=imread(‘circles.png’);imshow(BW);在Matlab中，二進(jìn)制圖像是一個(gè)邏輯類，僅包括0和1兩個(gè)數(shù)值，像素0顯示為黑色，像素1顯示為白色。在顯示時(shí)，也可以通過NOT(~)命令，對(duì)二進(jìn)制圖像進(jìn)行取反，使數(shù)值0顯示為白色，1顯示為黑色。

imshow(~BW);二進(jìn)制圖像顯示效果圖像運(yùn)算圖像的代數(shù)操作圖像的空間域和變換操作圖像的鄰域和塊操作圖像代數(shù)運(yùn)算相加運(yùn)算相減運(yùn)算絕對(duì)值差運(yùn)算乘法運(yùn)算除法運(yùn)算求補(bǔ)運(yùn)算線性組合運(yùn)算相加運(yùn)算imaddZ=imadd(X,Y)兩幅圖像疊加或一幅圖像加上一個(gè)常數(shù)X和Y必須是實(shí)數(shù)值，非稀疏矩陣，具有相同的維數(shù)和數(shù)據(jù)類型I=imread('rice.png');J=imread('cameraman.tif');K=imadd(I,J,'uint16');imshow(K,[])相加運(yùn)算圖像整體亮度增加加法運(yùn)算：增加亮度值RGB=imread(‘rice.png');RGB2=imadd(RGB,50);RGB3=imadd(RGB,100);subplot(3,1,1),imshow(RGB);subplot(3,1,2),imshow(RGB2);subplot(3,1,3),imshow(RGB3);減法運(yùn)算imsubtractZ=imsubtract(X,Y)兩幅圖像相減X和Y必須是實(shí)數(shù)值，非稀疏矩陣，具有相同的維數(shù)和數(shù)據(jù)類型示例：X=uint8([2551075;44225100]);Y=uint8([505050;505050]);Z=imsubtract(X,Y)Z=205025017550減法運(yùn)算圖像相減I=imread('rice.png');background=imopen(I,strel('disk',15));Ip=imsubtract(I,background);imshow(Ip,[])圖像整體亮度減小rice=imread('rice.png');rice2=imsubtract(rice,50);subplot(1,2,1),imshow(rice);subplot(1,2,2),imshow(rice2);絕對(duì)值差運(yùn)算imabsdiffZ=imabsdiff(X,Y)計(jì)算圖像插值的絕對(duì)值X和Y必須是實(shí)數(shù)值，非稀疏矩陣，具有相同的維數(shù)和數(shù)據(jù)類型示例：X=uint8([2551075;44225100]);Y=uint8([505050;505050]);Z=imabsdiff(X,Y)Z=205402561755絕對(duì)值差運(yùn)算絕對(duì)值差clcclearcloseallI=imread('a1.tif');J=imread('a2.tif');K=imabsdiff(I,J);imshow(K,[])乘法運(yùn)算immultiplyZ=immultiply(X,Y)亮度縮放，用于兩幅圖像相乘，或一幅圖像乘以一個(gè)常數(shù)i=imread(‘pears.png');j=immultiply(i,1.2);k=immultiply(i,2);subplot(1,3,1),imshow(i);subplot(1,3,2),imshow(j);subplot(1,3,3),imshow(k);乘法運(yùn)算除法運(yùn)算imdivide()Z=imdivide(X,Y)用于兩幅圖像相除，或一幅圖像除以一個(gè)常數(shù)X和Y必須是實(shí)數(shù)值，非稀疏矩陣，具有相同的維數(shù)和數(shù)據(jù)類型示例：I=imread('rice.png');background=imopen(I,strel('disk',15));Ip=imdivide(I,background);imshow(Ip,[])除法運(yùn)算除以常數(shù)clcclearcloseallI=imread('rice.png');J=imdivide(I,2);subplot(1,2,1),imshow(I)subplot(1,2,2),imshow(J)圖像求補(bǔ)運(yùn)算imcomplement()IM2=imcomplement(IM)計(jì)算圖像IM的補(bǔ)IM可以是二值、灰度或者彩色圖像IM為二值圖像時(shí)，0變成1，1變成0IM為灰度或者彩色圖像，每個(gè)像素值與該類型支持的最大值相減，輸出插值示例：X=uint8([2551075;44225100]);X2=imcomplement(X)X2=024518021130155圖像求補(bǔ)運(yùn)算clcclearcloseallw=imread('text.png');bw2=imcomplement(bw);subplot(1,2,1),imshow(bw)subplot(1,2,2),imshow(bw2)線性組合運(yùn)算imlincomb()用于多幅圖像進(jìn)行線性組合Z=imlincomb(K1,A1,K2,A2,...,Kn,An)計(jì)算Z=K1*A1+K2*A2+...+Kn*AnZ=imlincomb(K1,A1,K2,A2,...,Kn,An,K)計(jì)算Z=K1*A1+K2*A2+...+Kn*An+kA1，A2，An為實(shí)數(shù)值，非稀疏矩陣，具有相同的維數(shù)和數(shù)據(jù)類型k1，k2，kn為實(shí)值標(biāo)量線性組合運(yùn)算線性組合實(shí)現(xiàn)圖像的疊加功能clcclearcloseallI=imread('rice.png');J=imread('cameraman.tif');K=imlincomb(1,I,1,J,'uint16');figure,imshow(K,[])圖像的幾何操作圖像的縮放圖像的旋轉(zhuǎn)圖像的剪切圖像的二維空間變換圖像的縮放imresize按指定的插值方法進(jìn)行圖像的放大和縮小插值方法有：nearest,bilinear,bicubicB=imresize(A,m,method)按method指定的方法，將圖像A放大或縮小至原來的m倍。B=imresize(A,[mrowncols],method)按method指定的方法，將圖像A調(diào)整為mrow*ncols的圖像。圖像的縮放clcclearcloseallI=imread('circuit.tif');I2=imresize(I,0.6,'bilinear');imshow(I);figureimshow(I2);圖像旋轉(zhuǎn)imrotate()按指定的插值方法對(duì)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)B=imrotate(A,angel,method)B=imrotate(A,angel,method,’crop’)Method為nearest,bilinear,bicubicangel旋轉(zhuǎn)角度crop表示旋轉(zhuǎn)后是否實(shí)現(xiàn)裁剪圖像旋轉(zhuǎn)clcclearclosealli=imread('eight.tif');j=imrotate(i,60,'bilinear');j1=imrotate(i,60,'bilinear','crop');subplot(1,3,1),imshow(i);subplot(1,3,2),imshow(j);subplot(1,3,3),imshow(j1);圖像裁剪imcrop()實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的裁剪I=imcrop(A)I2=imcrop(RGB)X2=imcrop(X,map)對(duì)灰度圖像、真彩圖像和索引圖像的剪切I=imcrop(A,rect)I2=imcrop(RGB,rect)X2=imcrop(X,map,rect)rect是一個(gè)四元向量[xminymaxwidthheight]旋轉(zhuǎn)角度圖像裁剪clcclearcloseallI=imread('circuit.tif');I2=imcrop(I,[7568130112]);imshow(I)；figure；imshow(I2)圖像的二維空間變換imtransform()對(duì)圖像進(jìn)行空間變換，包括放射變換和透視投影變換。B=imtransform(A,TFORM)B=imtransform(A,TFORM,INTERP)A為待變換圖像B為圖像的變換結(jié)果TFORM由makeform函數(shù)定義變換類型，INTERP

為插值類型包括nearest,bilinear,bicubic圖像的二維空間變換放射變換示例：clcclearcloseallI=imread('cameraman.tif');tform=maketform('affine',[100;.510;001]);J=imtransform(I,tform);imshow(I),figure,imshow(J)圖像的二維空間變換透視投影變換示例：clcclearcloseallI=imread('cameraman.tif');udata=[01];vdata=[01];%inputcoordinatesystemtform=maketform('projective',[00;10;11;01],...[-42;-8-3;-3-5;63]);[B,xdata,ydata]=imtransform(I,tform,'bicubic',...'udata',udata,...'vdata',vdata,...'size',size(I),...'fill',128);subplot(1,2,1),imshow(udata,vdata,I),axisonsubplot(1,2,2),imshow(xdata,ydata,B),axison圖像的鄰域和塊操作塊操作鄰域操作塊操作blkproc()實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的分塊處理B=blkproc(A,[mn],fun)將A分成m*n的互不重疊矩形塊，若A不能被m和n整除，則補(bǔ)充0然后對(duì)每個(gè)塊按函數(shù)fun進(jìn)行處理示例：I=imread('cameraman.tif');fun=@dct2;J=blkproc(I,[88],fun);imshow(J)鄰域操作nlfilter()實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的滑塊鄰域操作B=nlfilter(A,[mn],fun)一次運(yùn)算只處理圖像的一個(gè)像素輸出圖像的像素值由其對(duì)應(yīng)輸入圖像像素點(diǎn)的鄰域內(nèi)的像素采用有關(guān)運(yùn)算來決定當(dāng)操作從一個(gè)元素移動(dòng)到另一個(gè)元素時(shí)，矩陣塊也以相同的方向移動(dòng)鄰域操作clcclearcloseallA=imread('cameraman.tif');fun=@median;B=nlfilter(A,[33],fun);imshow(A),