基于MATLAB平臺(tái)的圖像增強(qiáng)技術(shù)

湘南學(xué)院畢業(yè)論文作者：學(xué)號(hào)：學(xué)系：軟件與通信工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)：通信工程題目：基于MATLAB平臺(tái)的圖像增強(qiáng)技術(shù)指導(dǎo)者：2015年5月湖南

畢業(yè)論文中文摘要圖像增強(qiáng)是指依據(jù)圖像所存在的問(wèn)題，按特定的需要突出一幅圖像中的某些信息，同時(shí)，削弱或去除某些冗餘信息的處理方法。其主要目的是使得處理後的圖像對(duì)給定的應(yīng)用比原來(lái)的圖像更加有效同時(shí)可以有效的改善圖像質(zhì)量。圖像增強(qiáng)技術(shù)主要包含直方圖修改處理、圖像平滑化處理、圖像尖銳化處理和彩色處理技術(shù)等。本文先對(duì)圖像增強(qiáng)的原理進(jìn)行概述，然後對(duì)圖像增強(qiáng)的方法分類(lèi)並給出直方圖增強(qiáng)、平滑和銳化等幾種常用的增強(qiáng)方法、彩色圖像增強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，通過(guò)MATLAB實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)際處理效果來(lái)對(duì)比各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，討論不同的增強(qiáng)算法的技術(shù)要點(diǎn)，並對(duì)其圖像增強(qiáng)方法進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞：MATLAB圖像增強(qiáng)直方圖增強(qiáng)平滑銳化彩色圖像增強(qiáng)

畢業(yè)論文外文摘要Title：ImageenhancementtechnologybasedonMATLABAbstractTheimageintensificationisrefersspecificlyaccordingtoneedstohighlightinanimagecertaininformations,simultaneously,weakenstheinformationprocessingmethodwhichorremovescertaindoesnotneed.Afteritsmainpurposeistheprocessingimageismoreeffectivethantocertainspecificapplicationstheoriginalimage.Theimageintensificationtechnologymainlycontainshistogramrevisionprocessing,imagesmoothprocessing,imageintensificationprocessingandthecoloredprocessingtechnologyandsoon.Thisarticlefirstintroducestheprincipleofimageenhancementandclassification，andthenfocusonseveralmethodstostudysuchasandhistogramenhancement,smoothingandsharpening,andothercommonlyusedinlearningthebasicdigitalimageWiththeapproach,throughMatlabexperimentthattheactualeffectofvariousalgorithmstocomparetheadvantagesanddisadvantagestodiscussthedifferentenhancementalgorithm.Theapplicationofoccasions,anditsimageenhancementmethodofperformanceevaluation.Keywords：matlabimageenhancementhistogramenhancementsmoothingsharpeningimageenhancementofcolorlove目次1緒論 52Matlab簡(jiǎn)介 62.1 MATLAB主要功能 72.2 MATLAB優(yōu)勢(shì) 72.2.1 工作平臺(tái)和編程環(huán)境 72.2.2 實(shí)用的程序語(yǔ)言 72.2.3 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力 72.2.4 圖形處理功能 82.2.5 應(yīng)用的模塊集合工具箱 82.3MATLAB常用工具箱 82.4 小結(jié) 83圖像增強(qiáng) 103.1圖像增強(qiáng)技術(shù)概述 103.2直方圖增強(qiáng) 103.2.1直方圖 103.2.2直方圖均衡化 113.2.3圖像二值化 123.3平滑 133.3.1線(xiàn)性濾波 133.3.2非線(xiàn)性濾波 143.3.3巴特沃斯低通 163.4 銳化 173.4.1拉普拉斯算子 173.4.2巴特沃斯高通 183.5彩色圖像增強(qiáng) 193.5.1偽彩色增強(qiáng) 193.5.2真彩色增強(qiáng) 203.5.3假彩色增強(qiáng) 203.5.4 RGB模型三大轉(zhuǎn)換 21結(jié)論 24致謝 25參考文獻(xiàn) 261緒論隨著人類(lèi)社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，圖像增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了初創(chuàng)期、發(fā)展期、普及期和應(yīng)用期4個(gè)階段。初創(chuàng)期開(kāi)始於20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)的圖像採(cǎi)用像素型光柵進(jìn)行掃描顯示，大多採(cǎi)用中、大型機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理。20世紀(jì)70年代進(jìn)入了發(fā)展期，開(kāi)始大量採(cǎi)用中、大型機(jī)進(jìn)行處理，圖像處理也逐漸改用光柵掃描顯示方式，特別是出現(xiàn)了CT和衛(wèi)星遙感圖像，對(duì)圖像增強(qiáng)處理提出了一個(gè)更高的要求。到了20世紀(jì)80年代，圖像增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)入普及期，此時(shí)的計(jì)算機(jī)已經(jīng)能夠承擔(dān)起圖形圖像處理的任務(wù)。20世紀(jì)90年代進(jìn)入了應(yīng)用期，人們運(yùn)用數(shù)字圖像增強(qiáng)技術(shù)處理和分析遙感圖像，以有效地進(jìn)行資源和礦藏的勘探、調(diào)查、農(nóng)業(yè)和城市的土地規(guī)劃、作物估產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)、災(zāi)害及軍事目標(biāo)的監(jiān)視等。在生物醫(yī)學(xué)工程方面，運(yùn)用圖像增強(qiáng)技術(shù)對(duì)X射線(xiàn)圖像、超聲圖像和生物切片顯微圖像等進(jìn)行處理，提高圖像的清晰度和分辨率。在工業(yè)和工程方面，主要應(yīng)用於無(wú)損探傷、質(zhì)量檢測(cè)和過(guò)程自動(dòng)控制等方面。在公共安全方面，人像、指紋及其他痕跡的處理和識(shí)別，以及交通監(jiān)控、事故分析等都在不同程度上使用了圖像增強(qiáng)技術(shù)。圖像增強(qiáng)是圖像處理的重要組成部分，傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)方法對(duì)於改善圖像質(zhì)量發(fā)揮了極其重要的作用。隨著對(duì)圖像技術(shù)研究的不斷深入和發(fā)展，新的圖像增強(qiáng)方法不斷出現(xiàn)。例如一些學(xué)者將模糊映射理論引入到圖像增強(qiáng)算法中，提出了包括模糊鬆弛、模糊熵、模糊類(lèi)等增強(qiáng)算法來(lái)解決增強(qiáng)算法中映射函數(shù)選擇問(wèn)題，並且隨著交互式圖像增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，可以主觀控制圖像增強(qiáng)效果。同時(shí)利用直方圖均衡技術(shù)的圖像增強(qiáng)也有許多新的進(jìn)展：例如提出了多層直方圖結(jié)合亮度保持的均衡算法、動(dòng)態(tài)分層直方圖均衡算法。這些算法通過(guò)分割圖像，然後在子層圖像內(nèi)做均衡處理，較好地解決了直方圖均衡過(guò)程中的對(duì)比度過(guò)拉伸問(wèn)題，並且可以控制子層灰度映射範(fàn)圍，增強(qiáng)效果較好。MATLAB名字由MATrix和LABoratory兩詞的前三個(gè)字母組合而成。那是20世紀(jì)七十年代後期的事：時(shí)任美國(guó)新墨西哥大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)系主任的CleveMoler教授出於減輕學(xué)生編程負(fù)擔(dān)的目的，為學(xué)生設(shè)計(jì)了一組調(diào)用LINPACK和EISPACK庫(kù)程序的“通俗易用”的接口，此為用FORTRAN編寫(xiě)的初期狀態(tài)的MATLAB。經(jīng)校園廣泛使用，由Little、Moler、SteveBangert合作，于1984年成立了MathWorks公司，並把MATLAB正式推向市場(chǎng)。從這時(shí)起，MATLAB的內(nèi)核採(cǎi)用C語(yǔ)言編寫(xiě)，而且除了原有的數(shù)值計(jì)算能力外，還添加了數(shù)據(jù)圖視功能。到九十年代初期，在國(guó)際上30幾個(gè)數(shù)字類(lèi)科技應(yīng)用軟件中，Matlab在數(shù)值計(jì)算方面獨(dú)佔(zhàn)鰲頭，而Mathematica和Maple則分居符號(hào)計(jì)算軟件的前兩名。Mathcad因其提供計(jì)算、圖形、文字處理的統(tǒng)一環(huán)境而深受學(xué)生歡迎。4.x版在繼承和發(fā)展其原有的數(shù)值計(jì)算和圖形可視能力的同時(shí)，出現(xiàn)了以下幾個(gè)重要變化：推出了SIMULINK，一個(gè)交互式操作的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真、分析集成環(huán)境。推出了符號(hào)計(jì)算工具包。一個(gè)以Maple為“引擎”的SymbolicMathToolbox1.0。此舉結(jié)束了國(guó)際上數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算孰優(yōu)孰劣的長(zhǎng)期爭(zhēng)論，促成了兩種計(jì)算的互補(bǔ)發(fā)展新時(shí)代。構(gòu)作了Notebook。MathWorks公司瞄準(zhǔn)應(yīng)用範(fàn)圍最廣的Word，運(yùn)用DDE和OLE，實(shí)現(xiàn)了MATLAB與Word的無(wú)縫連接，從而為專(zhuān)業(yè)科技工作者創(chuàng)造了融科學(xué)計(jì)算、圖形可視、文字處理于一體的高水準(zhǔn)環(huán)境。從1997年春的5.0版起，後歷經(jīng)5.1、5.2、5.3、6.0、6.1等多個(gè)版本的不斷改進(jìn)，MATLAB“面向?qū)ο蟆钡奶攸c(diǎn)愈加突出，數(shù)據(jù)類(lèi)型愈加豐富，操作界面愈加友善。2002年初夏所推6.5版的最大特點(diǎn)是：該版本採(cǎi)用了JIT加速器，從而使MATLAB朝運(yùn)算速度與C程序相比肩的方向前進(jìn)了一大步。2MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是建立在向量、數(shù)組和矩陣基礎(chǔ)上的一種分析和仿真工具軟件包，包含各種能夠進(jìn)行常規(guī)運(yùn)算的“工具箱”，如常用的矩陣代數(shù)運(yùn)算、數(shù)組運(yùn)算、方程求根、優(yōu)化計(jì)算及函數(shù)求導(dǎo)積分符號(hào)運(yùn)算等；同時(shí)還提供了編程計(jì)算的編程特性，通過(guò)編程可以解決一些複雜的工程問(wèn)題；也可繪製二維、三維圖形，輸出結(jié)果可視化。目前，已成為工程領(lǐng)域中較常用的軟件工具包之一。2.1MATLAB主要功能它是一種用於算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。使用它，可以較使用傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言，如C、C++等，更快的解決技術(shù)計(jì)算問(wèn)題。高級(jí)語(yǔ)言可用於技術(shù)計(jì)算；開(kāi)發(fā)環(huán)境可對(duì)代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；數(shù)學(xué)函數(shù)可用於線(xiàn)性代數(shù)、統(tǒng)計(jì)、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等；二維和三維圖形函數(shù)可用於可視化數(shù)據(jù)；各種工具可用於構(gòu)建自定義的圖形用戶(hù)界面；各種函數(shù)可將基於MATLAB的算法與外部應(yīng)用程序和語(yǔ)言；其應(yīng)用範(fàn)圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通迅、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。2.2MATLAB優(yōu)勢(shì)2.2.1工作平臺(tái)和編程環(huán)境MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶(hù)使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具採(cǎi)用的是圖形用戶(hù)界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用於用戶(hù)瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶(hù)界面也越來(lái)越精緻，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的MATLAB提供了完整的連線(xiàn)查詢(xún)、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶(hù)的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。2.2.2程序語(yǔ)言MATLAB一個(gè)高級(jí)的矩陣語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶(hù)可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫(xiě)好一個(gè)較大的複雜的應(yīng)用程序（M文件）後再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語(yǔ)言是基於最為流行的C＋＋語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特徵與C＋＋語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單。使之更利於非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的科技人員使用。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。2.2.3科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力MATLAB是一個(gè)包含大量算法的集合。其可以快捷的實(shí)現(xiàn)用戶(hù)所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和差錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言，如C和C++。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特徵向量、快速傅立葉變換的複雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問(wèn)題其大致包括矩陣運(yùn)算和線(xiàn)性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問(wèn)題、稀疏矩陣運(yùn)算、複數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。2.2.4圖形處理功能圖形處理功能MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，並且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖像處理、動(dòng)畫(huà)和表達(dá)式作圖?？捎渺犊茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線(xiàn)和三維曲面的繪製和處理等）方面更加完善，而且對(duì)於一些其他軟件所沒(méi)有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)話(huà)等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶(hù)不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶(hù)界面（GUI）的製作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶(hù)也可以得到滿(mǎn)足。2.2.5模塊集合工具箱MATLAB對(duì)許多專(zhuān)門(mén)的領(lǐng)域都開(kāi)發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來(lái)說(shuō)，它們都是由特定領(lǐng)域的專(zhuān)家開(kāi)發(fā)的，用戶(hù)可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫(xiě)代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線(xiàn)性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。2.4Matlab常用工具箱MATLAB包括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包。功能工具包用來(lái)擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)計(jì)算，可視化建模仿真，文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。學(xué)科工具包是專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)的工具包，控制工具包，信號(hào)處理工具包，通信工具包等都屬?此類(lèi)。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件。MatlabMainToolbox——matlab主工具箱SystemIdentificationToolbox——系統(tǒng)辨識(shí)工具箱ImageProcessingToolbox——圖像處理工具箱LMIControlToolbox——線(xiàn)性矩陣不等式工具箱OptimizationToolbox——優(yōu)化工具箱SimulinkToolbox——?jiǎng)討B(tài)仿真工具箱WaveleToolbox——小波工具箱它附加的工具箱，即單獨(dú)提供的專(zhuān)用matlab函數(shù)集，擴(kuò)展了matlab環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類(lèi)型的問(wèn)題。2.5小結(jié)對(duì)於MATLAB，在教學(xué)期間我們大量的運(yùn)用它來(lái)進(jìn)行編程學(xué)習(xí)，對(duì)於以上所敘，均比較瞭解，但是對(duì)於其圖像處理功能還是不十分熟悉，因此以下將著重從這方面介紹：圖像處理工具包是由一系列支持圖像處理操作的函數(shù)組成的。所支持的圖像處理操作有:圖像的幾何操作、鄰域和區(qū)域操作、圖像變換、圖像恢復(fù)與增強(qiáng)、線(xiàn)性濾波和濾波器設(shè)計(jì)、變換(DCT變換等)、圖像分析和統(tǒng)計(jì)、二值圖像操作等。下面就MATLAB在圖像處理中各方面的應(yīng)用分別進(jìn)行介紹。(1)圖像文件格式的讀寫(xiě)和顯示。MATLAB提供了圖像文件讀入函數(shù)imread(),用來(lái)讀取如:bmp、tif、jpg、pcx、tiff、gpeg、hdf、xwd、png等各種格式的圖像文件;圖像寫(xiě)出函數(shù)imwrite(),還有圖像顯示函數(shù)image()、imshow()等等。(2)圖像處理的基本運(yùn)算。MATLAB提供了圖像的和、差等線(xiàn)性運(yùn)算,以及卷積、相關(guān)、濾波等非線(xiàn)性運(yùn)算。例如,conv2(I,J)實(shí)現(xiàn)了I,J兩幅圖像的卷積。(3)圖像變換。MATLAB提供了一維和二維離散傅立葉變換(DFT)、快速傅立葉變換(FFT)、離散余弦變換(DCT)及其反變換函數(shù),以及連續(xù)小波變換(CWT)、離散小波變換(DWT)及其反變換。(4)圖像的分析和增強(qiáng)。針對(duì)圖像的統(tǒng)計(jì)計(jì)算,MATLAB提供了校正、直方圖均衡、中值濾波、對(duì)比度調(diào)整、自適應(yīng)濾波等對(duì)圖像進(jìn)行的處理。以上所提到的MATLAB在圖像中的應(yīng)用都是由相應(yīng)的MATLAB函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,使用時(shí),只需按照函數(shù)的調(diào)用語(yǔ)法正確輸入?yún)?shù)即可。具體的用法可參考MATLAB豐富的幫助文檔。3圖像增強(qiáng)圖像增強(qiáng)是按特定的需要突出一幅圖像中的某些信息，同時(shí)，消弱或去除某些信息使得圖像更加實(shí)用。圖像增強(qiáng)技術(shù)主要包含直方圖修改處理、圖像平滑處理、圖像尖銳化處理和彩色技術(shù)等。3.1圖像增強(qiáng)技術(shù)概述圖像增強(qiáng)技術(shù)主要包括：直方圖修改處理，圖像平滑處理，圖像尖銳化處理，彩色圖像處理。從純技術(shù)上講主要有兩類(lèi)：頻域處理法和空域處理法。頻域處理法主要是卷積定理，採(cǎi)用修改圖像傅立葉變換的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的增強(qiáng)處理技術(shù)；空域處理法：是直接對(duì)圖像中的像素進(jìn)行處理，基本上是以灰度映射變換為基礎(chǔ)的。3.2直方圖增強(qiáng)灰度變換是圖像增強(qiáng)的一種重要手段，使圖像對(duì)比度擴(kuò)展，圖像更加清晰，特徵更加明顯。灰度級(jí)的直方圖給出了一幅圖像概貌的描述，通過(guò)修改灰度直方圖來(lái)得到圖像增強(qiáng)。3.2.1 直方圖圖像的直方圖是圖像的重要統(tǒng)計(jì)特徵，它可以認(rèn)為是圖像灰度密度函數(shù)的近似。圖像的灰度直方圖是反映一幅圖像的灰度級(jí)與出現(xiàn)這種灰度級(jí)的概率之間的關(guān)係的圖形?；叶戎狈綀D是離散函數(shù)，一般的來(lái)講，要精確的得到圖像的灰度密度函數(shù)是比較困難的，在實(shí)際中，可以使數(shù)字圖像灰度直方圖來(lái)代替。歸納起來(lái)，直方圖主要有一下幾點(diǎn)性質(zhì)：（1）直方圖中不包含位置信息。直方圖只是反應(yīng)了圖像灰度分佈的特性，和灰度所在的位置沒(méi)有關(guān)係，不同的圖像可能具有相近或者完全相同的直方圖分佈。（2）直方圖反應(yīng)了圖像的整體灰度。直方圖反應(yīng)了圖像的整體灰度分佈情況，對(duì)於暗色圖像，直方圖的組成集中在灰度級(jí)低（暗）的一側(cè)，相反，明亮圖像的直方圖則傾向於灰度級(jí)高的一側(cè)。直觀上講，可以得出這樣的結(jié)論，若一幅圖像其像素佔(zhàn)有全部可能的灰度級(jí)並且分佈均勻，這樣的圖像有高對(duì)比度和多變的灰度色調(diào)。（3）直方圖的可疊加性。一幅圖像的直方圖等於它各個(gè)部分直方圖的和。（4）直方圖具有統(tǒng)計(jì)特性。從直方圖的定義可知，連續(xù)圖像的直方圖是一位連續(xù)函數(shù)，它具有統(tǒng)計(jì)特徵，例如矩、絕對(duì)矩、中心矩、絕對(duì)中心矩、熵。（5）直方圖的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍。直方圖的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍是由計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的灰度級(jí)決定。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，灰度直方圖是灰度值的函數(shù)，描述的是圖像中具有該灰度值的像素的個(gè)數(shù)，如圖3.2.1所示，（b）為圖像（a）的灰度直方圖，其橫坐標(biāo)表示像素的灰度級(jí)別，縱坐標(biāo)表示該灰度出現(xiàn)的頻率（像素的個(gè)數(shù)）。圖3.2.1當(dāng)圖像對(duì)比度較小時(shí)，它的灰度直方圖只在灰度軸上較小的一段區(qū)間上非零，較暗的圖像由於較多的像素灰度值低，因此它的直方圖的主體出現(xiàn)在低值灰度區(qū)間上，其在高值灰度區(qū)間上的幅度較小或?yàn)榱?，而較亮的圖像情況正好相反。3.2.2直方圖均衡化直方圖均衡化過(guò)程如下：（1）計(jì)算原圖像的灰度直方圖；（2）計(jì)算原圖像的灰度累積分佈函數(shù)，進(jìn)一步求出灰度變換表；（3）根據(jù)灰度變換表，將原圖像各灰度級(jí)映射為新的灰度級(jí)。在MATLAB中，histeq函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化。該命令對(duì)灰度圖像I進(jìn)行變換，返回有N級(jí)灰度的圖像J，J中的每個(gè)灰度級(jí)具有大致相同的像素點(diǎn)，所以圖像J的直方圖較為平坦，當(dāng)N小於I中灰度級(jí)數(shù)時(shí)，J的直方圖更為平坦，缺省的N值為64。以下展示了直方圖均衡化的效果：圖3.2.2從直方圖統(tǒng)計(jì)可以看出，原始圖的灰度範(fàn)圍大約是0到100之間，灰度分佈的範(fàn)圍比較狹窄，所以整體上看對(duì)比度比較差，而直方圖均衡化後，灰度幾乎是均勻的分佈在0到255的範(fàn)圍內(nèi)，圖像明暗分明，對(duì)比度很大，圖像比較清晰明亮，很好的改善了原始圖的視覺(jué)效果。優(yōu)勢(shì)：能夠使得處理後圖像的概率密度函數(shù)近似服從均勻分佈，其結(jié)果擴(kuò)張了像素值的動(dòng)態(tài)範(fàn)圍，是一種常用的圖像增強(qiáng)算法。不足：不能抑制噪聲。3.2.3 圖像二值化圖像的二值化處理就是將圖像上的像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為0或255，也就是講整個(gè)圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果。將256個(gè)亮度等級(jí)的灰度圖像通過(guò)適當(dāng)?shù)拈y值選取而獲得仍然可以反映圖像整體和局部特徵的二值化圖像。在數(shù)字圖像處理中，二值圖像佔(zhàn)有非常重要的地位，首先，圖像的二值化有利於圖像的進(jìn)一步處理，使圖像變得簡(jiǎn)單，而且數(shù)據(jù)量減小，能凸顯出感興趣的目標(biāo)的輪廓。其次，要進(jìn)行二值圖像的處理與分析，首先要把灰度圖像二值化，得到二值化圖像。所有灰度大於或等於閥值的像素被判定為屬?特定物體，其灰度值為255表示，否則這些像素點(diǎn)被排除在物體區(qū)域以外，灰度值為0，表示背景或者例外的物體區(qū)域。下圖為圖像二值化的效果：圖3.2.33.3平滑 平滑技術(shù)用於平滑圖像中的噪聲。平滑噪聲可以在空間域中進(jìn)行，基本方法是求像素灰度的平均或中值。為了既平滑噪聲又保護(hù)圖像信號(hào)，也有一些改進(jìn)的技術(shù)，比如在頻域中運(yùn)用低通濾波技術(shù)。3.3.1 線(xiàn)性濾波輸出圖像的值等於輸入圖像濾波後值的局部平均，各個(gè)項(xiàng)具有相同的權(quán)。下面是平滑窗口分別為矩形和圓形的情況。對(duì)一些圖像進(jìn)行線(xiàn)性濾波可以去除圖像中某些類(lèi)型的噪聲，如採(cǎi)用鄰域平均法的均值濾波器就非常適用於去除通過(guò)掃描得到的圖像中的顆粒噪聲。鄰域平均法是空間域平滑噪聲技術(shù)。用一像素鄰域內(nèi)各像素灰度平均值來(lái)代替該像素原來(lái)的灰度，即是鄰域平均技術(shù)。另外，頻域處理的基礎(chǔ)是頻域?yàn)V波，例如，理想的低通濾波器：其中。

如圖3.3.1(a)為線(xiàn)性平滑濾波的例子：圖3.3.1(a)如圖4.8(b)為利用低通鄰域平均模板進(jìn)行平滑的例子：圖3.3.1(b)優(yōu)勢(shì)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，去噪效果明顯。不足：去噪的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)果圖像邊緣位置的改變和細(xì)節(jié)模糊甚至丟失。3.3.2 非線(xiàn)性濾波 中值濾波是一種最常用的圖像增強(qiáng)技術(shù)，是非線(xiàn)性濾波。對(duì)椒鹽噪聲有很好的去噪效果。下圖是加高斯噪聲後，中值濾波和平均濾波的濾波效果對(duì)比：圖3.3.2(a)如圖可見(jiàn)，對(duì)於高斯噪聲，均值濾波效果比中值濾波效果好。原因：(1)高斯噪聲是幅值近似正態(tài)分佈，但分佈在每點(diǎn)像素上。(2)因?yàn)閳D像中的每點(diǎn)都是污染點(diǎn)，所以中值濾波選不到合適的乾淨(jìng)點(diǎn)。(3)因?yàn)檎龖B(tài)分佈的均值為0，所以均值濾波可以消除噪聲。（實(shí)際上只能減弱，不能消除。）但對(duì)於椒鹽噪聲，中值濾波效果比均值濾波效果好。原因：(1)椒鹽噪聲是幅值近似相等但隨機(jī)分佈在不同位置上，圖像中有乾淨(jìng)點(diǎn)也有污染點(diǎn)。(2)中值濾波是選擇適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)來(lái)替代污染點(diǎn)的值，所以處理效果好。(3)因?yàn)樵肼暤木挡粸?，所以均值濾波不能很好地去除噪聲點(diǎn)。中值濾波是基於一個(gè)移動(dòng)窗口並計(jì)算輸入圖像在窗口內(nèi)的像素亮度值的中值作為輸出圖像窗口中心的像素值而產(chǎn)生的。給定的圖像f(x,y)中的每一個(gè)點(diǎn)（m,n），取其領(lǐng)域s。設(shè)s含有M個(gè)像素{a1，a2，?，aM}，將其按大小排序，若M是奇數(shù)時(shí)，則位於中間的那個(gè)象素值就是修改後圖像g(x,y)在點(diǎn)（m,n）處的像素值；若M是偶數(shù)則取中間兩個(gè)象素的平均值作為修改後圖像g(x,y)在點(diǎn)（m,n）處的象素值。我們?cè)谶@裡先人為的加上一些噪聲，然後在matlab中實(shí)現(xiàn)中值濾波的效果圖如下：圖3.3.2(b)比較經(jīng)過(guò)加入椒鹽噪聲的圖像和經(jīng)過(guò)中值濾波的圖像，可以發(fā)現(xiàn)，圖像的噪聲點(diǎn)被去除；但是比較原始圖像和經(jīng)過(guò)濾波的圖像後會(huì)發(fā)現(xiàn)，圖像的邊緣稍微的變得模糊，這是平滑算法不可避免的缺點(diǎn)。下圖為邊緣增強(qiáng)的例子：圖3.3.2(c)優(yōu)勢(shì)：去噪效果明顯，並且能夠較好的保持圖像邊緣位置和細(xì)節(jié)。不足：非線(xiàn)性濾波算法的實(shí)現(xiàn)相對(duì)線(xiàn)性濾波比較困難。3.3.3巴特沃斯低通巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為：D0為截止頻率，n為函數(shù)的階。一般取使H(u,v)最大值下降至原來(lái)的二分之一時(shí)的D(u,v)為截止頻率D0。圖3.3.3所示為巴特沃斯低通濾波器的剖面圖和三維透視圖特點(diǎn)：在通過(guò)頻率與截止頻率之間沒(méi)有明顯的不連續(xù)性，不會(huì)出現(xiàn)“振鈴”現(xiàn)象，其效果好於理想低通濾波器。下圖為巴特沃斯低通效果：3.4 銳化圖像銳化處理的作用是使灰度反差增強(qiáng)，從而使模糊圖像變得更加清晰。圖像模糊的實(shí)質(zhì)就是圖像受到平均運(yùn)算或積分運(yùn)算，因此可以對(duì)圖像進(jìn)行逆運(yùn)算，如微分運(yùn)算以突出圖像細(xì)節(jié)使圖像變得更為清晰。3.4.1拉普拉斯算子由於拉普拉斯是一種微分算子，它的應(yīng)用可增強(qiáng)圖像中灰度突變的區(qū)域，減弱灰度的慢變化區(qū)域。因此，銳化處理可選擇拉普拉斯算子對(duì)原圖像進(jìn)行處理產(chǎn)生描述灰度突變的圖像，再將拉普拉斯圖像與原始圖像疊加而產(chǎn)生銳化圖像。拉普拉斯銳化的基本方法可以由下式表示：這種簡(jiǎn)單的銳化方法既可以產(chǎn)生拉普拉斯銳化處理的效果，同時(shí)又能保留背景信息：將原始圖像疊加到拉普拉斯變換的處理結(jié)果中去，可以使圖像中的各灰度值得到保留、灰度突變處的對(duì)比度得到增強(qiáng)，最終結(jié)果是在保留圖像背景的前提下，突現(xiàn)出圖像中小的細(xì)節(jié)。圖3.4展示了在MATLAB中進(jìn)行圖像銳化的處理結(jié)果：圖3.4比較原始模糊圖像和經(jīng)過(guò)拉氏算子運(yùn)算的圖像，可以發(fā)現(xiàn)，圖像模糊的部分得到了銳化，特別是模糊的邊緣部分得到了增強(qiáng)，邊界更加明顯。但是，圖像顯示清楚的地方，經(jīng)過(guò)濾波發(fā)生了失真，這也是拉氏算子增強(qiáng)的一大缺點(diǎn)。3.4.2巴特沃斯高通為了消除模糊，突出邊緣。因此採(cǎi)用高通濾波器讓高頻成分通過(guò)，使低頻成分削弱，再經(jīng)傅立葉逆變換得到邊緣銳化的圖像。圖像的邊緣、細(xì)節(jié)主要在高頻，圖像模糊是由於高頻成分較弱產(chǎn)生的。為了消除模糊，突出邊緣，可以?huà)?cǎi)用高通濾波的方法，使低頻分量得到抑制，從而達(dá)到增強(qiáng)高頻分量，使圖像的邊沿或線(xiàn)條變得清晰，實(shí)現(xiàn)圖像的銳化。n階高通具有D0截止頻率的Butterworth高通濾波器濾波函數(shù)定義如下:下圖為巴特沃斯高通效果：3.5 彩色圖像增強(qiáng) 用於增強(qiáng)圖像對(duì)比度的方法很多，要根據(jù)應(yīng)用目的加以選擇。偽彩色變換是增強(qiáng)圖像顯示效果和提高視覺(jué)分辨率的一種常用的、最有效的手段，但偽彩色增強(qiáng)不可能增加圖像的有效信息；偽彩色增強(qiáng)的視覺(jué)效果由所選擇的彩色映射決定，在選擇映射函數(shù)時(shí)，盡可能使三通道的函數(shù)不相關(guān)。偽彩色處理增強(qiáng)視覺(jué)效果明顯，常用於醫(yī)學(xué)、遙感圖像顯示。 真彩色圖像增強(qiáng)需要考慮彩色特徵空間的選擇，同樣的運(yùn)算在不同的特徵空間效果不同。3.5.1 偽彩色增強(qiáng) 偽彩色（pseudocolor），非彩色圖像（灰度、二值）人為映射成彩色圖像。偽彩色增強(qiáng)是將一個(gè)波段或單一的黑白圖像變換為彩色圖像，從而把人眼不能區(qū)分的微小的灰度差別顯示為明顯的色彩差異，更便於解譯和提取有用信息。偽彩色增強(qiáng)的方法主要有以下三種：(1)密度分割法：密度分割或密度分層是偽彩色增強(qiáng)中最簡(jiǎn)單的一種方法，它是對(duì)圖像亮度範(fàn)圍進(jìn)行分割，使一定亮度間隔對(duì)應(yīng)於某一類(lèi)地物或幾類(lèi)地物從而有利於圖像的增強(qiáng)和分類(lèi)。它是把黑白圖像的灰度級(jí)從0（黑）到M0(白)分成N個(gè)區(qū)間Li,i=1,2,…,N。給每個(gè)區(qū)間Li指定一種彩色Ci，這樣，便可以把一幅灰度圖像變成一幅偽彩色圖像。此法比較直觀簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)使變換出的彩色數(shù)目有限。(2)空間域灰度級(jí)－彩色變換：空間域灰度級(jí)－彩色變換是一種更為常用的、比密度分割更有效的偽彩色增強(qiáng)法。它是根據(jù)色度學(xué)的原理，將原圖像的灰度分段經(jīng)過(guò)紅、綠、藍(lán)三種不同變換，變成三基色分量，然後用它們分別去控制彩色顯示器的紅、綠、藍(lán)電子槍?zhuān)憧梢栽诓噬@示器的屏幕上合成一幅彩色圖像。彩色的含量由變換函數(shù)的形狀而定。(3)頻率域偽彩色增強(qiáng)：頻率域偽彩色增強(qiáng)時(shí)先把黑白圖像經(jīng)傅立葉變換到頻率域，在頻率域內(nèi)三個(gè)不同傳遞特性的濾波器分離成三個(gè)獨(dú)立分量，然後對(duì)它們進(jìn)行逆傅立葉變換，便得到三幅代表不同頻率分量的單色圖像，接著對(duì)這三幅圖像作進(jìn)一步的處理（直方圖均衡化），最後將它們作為三基色分量分別加到彩色顯示器的紅、綠、藍(lán)顯示通道，從而實(shí)現(xiàn)頻率域分段的偽彩色增強(qiáng)。效果如圖：圖3.5.13.5.2 真彩色增強(qiáng) 真彩色(true-color)是指圖像中的每個(gè)像素值都分成R、G、B三個(gè)基色分量，每個(gè)基色分量直接決定其基色的強(qiáng)度，這樣產(chǎn)生的色彩稱(chēng)為真彩色。例如圖像深度為24，用R:G:B=8:8:8來(lái)表示色彩，則R、G、B各佔(zhàn)用8位來(lái)表示各自基色分量的強(qiáng)度，每個(gè)基色分量的強(qiáng)度等級(jí)為28=256種。圖像可容納224=16M種色彩。這樣得到的色彩可以反映原圖的真實(shí)色彩，故稱(chēng)真彩色。圖3.5.23.5.3 假彩色增強(qiáng) 假彩色:有三種形式第一，把真實(shí)景物圖像的象元逐個(gè)地映射為另一種顏色。第二，把多光譜圖像中任三個(gè)光譜圖像映射為可見(jiàn)光rgb，在合成為一幅彩色圖像第三，把黑白圖像，用灰度級(jí)映射或頻譜映射而成為類(lèi)似真實(shí)彩色的處理。 偽彩色，相當(dāng)於假彩色中的一個(gè)特例，即指定某灰度為某種彩色。相當(dāng)於第三種形式。圖3.5.33.5.4RGB模型三大轉(zhuǎn)換同一顏色可以用不同的彩色空間表示，自然可以相互轉(zhuǎn)換。下面介紹RGB三種轉(zhuǎn)換：（1）．從RGB轉(zhuǎn)換到HSVTemp1=max(R,G,B)（a）Temp2=min(R,G,B)（b）根據(jù)（a）與(b)得：又因?yàn)樗缘茫篐=60H1（c）S=(Temp1-Temp2)/Temp1（d）V=Temp1/255（e）下圖為RGB轉(zhuǎn)換為HSV效果：（2）．從RGB轉(zhuǎn)換到Y(jié)UVMATLAB代碼為：clearall;closeall;clcRGB1=imread('peppers.png');figure,imshow(RGB1),R=RGB1(:,:,1);G=RGB1(:,:,2);B=RGB1(:,:,3);Y=0.299*R+0.587*G+0.114*B;U=-0.169*R-0.332*G+0.5*B;V=0.5*R-0.419*G-0.081*B;yuv(:,:,1)=Y;yuv(:,:,2)=U;yuv(:,:,3)=V;figure,imshow(yuv)下圖為RGB轉(zhuǎn)換為YUV效果：（3）．從RGB轉(zhuǎn)換到HIS從RGB到HSI的變換是一個(gè)非線(xiàn)性變換。對(duì)任何三個(gè)在[0,1]範(fàn)圍內(nèi)的R，G，B值:其中：下圖為RGB轉(zhuǎn)換為HSI效果：

結(jié)論增強(qiáng)圖像中的有用信息，它可以是一個(gè)失真的過(guò)程，其目的是要改善圖像的視覺(jué)效果，針對(duì)給定圖像的應(yīng)用場(chǎng)合，有目的地強(qiáng)調(diào)圖像的整體或局部特性，將原來(lái)不清晰的圖像變得清晰或強(qiáng)調(diào)某些感興趣的特徵，擴(kuò)大圖像中不同物體特徵之間的差別，抑制不感興趣的特徵，使之改善圖像質(zhì)量、豐富信息量，加強(qiáng)圖像判讀和識(shí)別效果，滿(mǎn)足某些特殊分析的需要。圖像增強(qiáng)可分成兩大類(lèi)：頻率域法和空間域法。前者把圖像看成一種二維信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行基於二維傅裡葉變換的信號(hào)增強(qiáng)。採(cǎi)用低通濾波（即只讓低頻信號(hào)通過(guò)）法，可去掉圖中的噪聲；採(cǎi)用高通濾波法，則可增強(qiáng)邊緣等高頻信號(hào)，使模糊的圖片變得清晰。具有代表性的空間域算法有局部求平均值法和中值濾波法等，它們可用於去除或減弱噪聲。圖像增強(qiáng)的方法是通過(guò)一定手段對(duì)原圖像附加一些信息或變換數(shù)據(jù)，有選擇地突出圖像中感興趣的特徵或者抑制(掩蓋)圖像中某些不需要的特徵，使圖像與視覺(jué)響應(yīng)特性相匹配。在圖像增強(qiáng)過(guò)程中，不分析圖像降質(zhì)的原因，處理後的圖像不一定逼近原始圖像。圖像增強(qiáng)技術(shù)根據(jù)增強(qiáng)處理過(guò)程所在的空間不同，可分為基於空域的算法和基於頻域的算法兩大類(lèi)?；犊沼虻乃惴ㄌ幚頃r(shí)直接對(duì)圖像灰度級(jí)做運(yùn)算基於頻域的算法是在圖像的某種變換域內(nèi)對(duì)圖像的變換系數(shù)值進(jìn)行某種修正，是一種間接增強(qiáng)的算法?；犊沼虻乃惴ǚ譃辄c(diǎn)運(yùn)算算法和鄰域去噪算法。在本論文中點(diǎn)運(yùn)算算法用到的是直方圖修正，目的使圖像成像均勻，擴(kuò)大圖像動(dòng)態(tài)範(fàn)圍。鄰域增強(qiáng)算法分為圖像平滑和銳化兩種。平滑一般用於消除圖像噪聲，但是也容易引起邊緣的模糊。常用算法有均值濾波、中值濾波。銳化的目的在於突出物體的邊緣輪廓，便於目標(biāo)識(shí)別。常用算法有梯度法、算子、高通濾波、統(tǒng)計(jì)差值法等。在徐小梅老師的指導(dǎo)下，讓我順利的完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我從中學(xué)到了許多課本上沒(méi)有的知識(shí)，使我不僅僅在知識(shí)水平和解決實(shí)際問(wèn)題的能力上有了很大的提高。還從思想的深處體