基于MATLAB的数字图像处理技术及应用

DOI：10．3969／j．issn．1001--8972．2011．005．032 基于MATLAB的 数字图像处理技术及应用 丛 波 沈阳体育学院 体育信息技术 系，沈阳 i1 01 02 简述了数字图像处理技术、MATLAB数字图 像处理技术，介绍了MATLAB数字图像处理 工具箱 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 。通过 图像 处理 实例说 明 MATLAB语言编程及工具箱进行数字图像 处理的方法，验证MATLAB语言具有强大的 图像 处理 能力。 1 数字图像处理技术简介 数字图像处理 (Digital Image Processing)又称为计算机图像处理， 它是指将 图像信号转换 成数字信号 并利用计算机对其进行处理的过程。 数字图像处理最早出现于 2 0世 纪 5 0年代，当时的电子计算机已经 发展到一定水平 ，人们开始利用计 算机来处理图形和图像信息。 数字图像处理作为一门学科大约 形成于20世纪60年代初期。早期的图 像处理的目的是改善图像的质量，它以 人为对象，以改善人的视觉效果为目 的。图像处理中，输入的是质量低的图 像，输出的是改善质量后的图像，常用 的图像处理方法有图像增强、复原、编 码、压缩等。首次获得实际成功应用的 是美国喷气推进实验室，他们对航天探 测器 “徘徊者 7号”在 l 964年发回的 几千张月球照片使用了图像处理技术， 如几何校正、灰度变换、去除噪声等方 法进行处理，并考虑了太阳位置和月球 环境的影响，由计算机成功地绘制出月 球表面地图，获得了巨大的成功。随后 又对探测飞船发回的近十万张照片进行 更为复杂的图像处理，以致获得了月球 的地形图、彩色图及全景镶嵌图，获得 了非凡的成果，为人类登月创举奠定了 坚实的基础，也推动了数字图像处理这 门学科的诞生。在以后的宇航空间技 术，如对火星、土星等星球的探测研究 中，数字图像处理技术都发挥了巨大的 作用。 数字图像处理取得的另一个巨大 成就是在医学上获得的成果。1 972年 英国EMI公司工程师 Housfield发明了 用于头颅诊断的 x射线计算机断层摄 影装置，也就是我们通常所说的 C T (COmputer Tomograph)。CT的 基本方法是根据人的头部截面的投影， 经计算机处理来重建截面图像，称为图 像重建。l 975年EMI公司又成功研制 出全身用的 CT装置，获得了人体各个 部位鲜明清晰的断层图像。1979年，这 项无损伤诊断技术获得了诺贝尔奖，说 明它对人类作出了划时代的贡献。 另外，图像处理技术在许多应用 领域受到广泛重视并取得了重大的开拓 性成就，这些领域的有航空航天、生 物 医学工程 、工业检测 、机 器人视 觉 、公安司法、军事 制导 、文化艺 术等 ，使 图像处理成 为一 门引人注 目、前景远大的新型学科。随着图像 处理技术的深入发展，从 70年代中期 开始，随着计算机技术和人工智能、思 维科学研究的迅速发展，数字图像处理 向更高、更深层次发展。人们已开始研 究如何用计算机系统解释图像，实现类 似人类视觉系统理解外部世界，这被称 为图像理解或计算机视觉。很多国家， 特别是发达国家投入更多的人力、物力 到这项研究中，取得了不少重要的研究 成果。其中代表性的成果是 70年代末 MIT的Marr提出的视觉计算理论，这 个理论成为计算机视觉领域其后十多年 的主导思想。图像理解虽然在理论方法 研究上已取得不小的进展，但它本身是 一 个比较难的研究领域，存在不少困 难，因人类本身对自己的视觉过程还了 解甚少，因此计算机视觉是一个有待人 们进一步探索的新领域。 2 MATLAB数字图像处理技术简 介 MATLAB是 MathWorks公司开 发的一套高性能的用于数值计算和 可视化图形处理 的工程语言 ，它将 数值 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 、矩阵运算 、图形图像处 理、信号处理和仿真等集成于一体， 构成 了一个方便 、界面友好的用户 环境。MATLAB语言是一种简单、高 效、功能极强的编程语言，它可用于 数学、计算机、电子工程、信息工程、 机械工程等专业。 MATLAB的推出得到了各个领 域专家学者 的广泛关注 ，其强大的 扩展功 能为各个领域的应用提供 了 基础 。由各个领域的专家学者相继 推出了MATLAB工具箱，它的工具 箱主要有通信、控制系统、滤波器设 计、图像处理、非线性控制 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、系 统识别、神经网络、最优化、模糊逻 辑 、信号处理、鲁棒控制 、统计等 ， 而且工具箱还在不断地增加。借助 于这些工具 ，各个 层次的研究人 员 可直观、方便地进行分析、计算及设 计工作，从而大大地节省了时间。为 此，MATLAB已经成为目前使用最 为广泛的工程应用软件。 图像是人类获取和交换信息、的主 要来源。数字图像处理利用数字计算机 或者其他数字硬件，对从图像信息转 换而得到的数字电信号进行某些数学运 算或处理 ，以期提高图像的质量或达 到人们所预期的结果。图像处理的应 用领域必然涉及人类生活和工作的方方 面面。随着人类活动范 围的不断扩 。 大，图像处理的应用领域也将随之不 断扩 大 。 MATLAB 6．X提供了20类图像 处理函数 ，涵盖了图像处理包括近 期研究成果在内的几乎所有的技 术 方法，是学 习和研 究图像处理的人 员难得的 宝贵 资料和加 工工具箱 。 这些 函数按 功能可分为 图像 显示 、 图像文件 I／O、图像算术运算、几 何变换 、图像登记、像素值与统计、 图像分析、图像增强、线性滤波、线 性二元滤波设计、图像去模糊、图像 变换、邻域与块处理、灰度与二值图 像的形态学运算、结 构元素创建与 处理、基于边缘的处理、色彩映射表 操作 、色彩空间变换及 图像类型 与 类型转换 。 MATLAB数字图像处理工具箱 函数包括以下几类 ：(1)图像显示函 数；(2)图像文件输入、输出函数； (3)图像几何操作函数 ；(4)图像像 素值及统计函数 ；(5)图像分析函 数；(6)图像增强函数；(7)线性滤 波函数；(8)二维线性滤波器设计函 数；(9)图像变换函数；(1 0)图像 邻域及块操作函数 ；(11)二值图像 操作函数 ；(1 2)基于区域的图像处 理函数；(1 3)颜色图操作函数；(14) 颜色空间转换函数 ；(1 5)图像类型 和类型转换 函数。 2．1图像类型的转换 MATLAB支持多种图像类型， 如索引图像、灰度图像、二进制图 像、R G B 图像等。但是在某些图像 操作中，对图像的类型有所要求，所 1年第5期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar．201 1 以 要对涉及的 图像 类型进行转 换。 MATLAB图像处理工具箱中提供了 不同图像类型相互转换的 函数 ，常 用的如 rgb2gray()函数转换真彩色图 像或彩色图像为灰度图像，gray2ind ()函数将灰度图像或二值图像转换成 索引图像。在 图像类型进行转换的 时候 ，经，常会遇到数据类型不 匹配 的情况，针对这种情况，MATLAB ’ 工具 箱中还提供 了各种数据类型之 间的转换函数，如double()就是把数 据转换为双精 度类型的函数。 2．2图像变换功能 在图像处理技术中，图像的 (正 交)变换技术有着广泛的应用，是图 像处理的重要工具。通过变换图像 ， 改变图像 的表示域及表示数据 ，可 以给后续 工作带来极大的方便 。常 运用于图像压缩、滤波、编码和后续 的特征抽取或信息分析过程 。例如 ， 傅立叶变换(Fourier Transform)可使 处理分析在频域中进 行，使运算简 单；而离散余弦变换(Di screteCosine Transform)可使能量集中在少数数据 上，从而实现数据压缩 ，便于图像传 输和存储。 。 2．3 图像增强 图像增强的作用主要是突 出图 像中重要 的信息 ，同时减弱或者去 除不需要 的信息。 图像增强技术不 考虑图像降质的原因 ，衰减掉不需 要的图像信息 。图像增强的方法主 要有两大类 ：空间域法和频率域法。 空 间域法主要是在空间域直接对 图 像的灰度系数进行处理 ；频率域法 是在 图像的某种变换域内 ，对图像 的变换系数值进行某种修正 ，然 后 通过逆变换获得增强 图像。频率域 法属于间接增强的方法 ，低通滤波、 图 1原图像 图2直方图均衡化图像 同态 图像增强均属于该类。空 间域 法属于直接增 强的方法，它又可分 为灰度级校正 、灰度变换和直方图 修正 ，直方图均衡属于空 间域单点 增强的直方图修正法。 2．4 边缘检／~ilfn图像分割功能 边缘检测是一种重要 的区域处 理方法 。边缘是所要提取 目标和背 景的分界线 ，提取 出边缘 才能将 目 标和背景区分开来。边缘 检测是利 用物体和背景在某种图像特性上的 差异来实现的，这些差异包括灰度、 颜色或者纹理特征。实际上，就是检 测 图像特性发生变化的位 置。边缘 检测包括两 个基本内容 ：一是抽取 出反映灰度变化的边缘点 ；二是剔 除某 些边界点或填 补边界 间断 点 ， 并将这些边缘连接成完整的线 。如 果一个像素落在边界上，那 么它的 邻域将 成为一个灰 度级变化地带 。 对这种变化最有用的两个特征是灰 度的变化率和方 向。边缘检测算子 可以检查每个像素的邻域 ，并对灰 度变化率进行量化 ，也包括对方向 的确定 ，其中大多数是基 于方 向导 数掩模求卷积的方法。MATLAB工 具箱提供的edge()函数可针对sobel 算子、prewitt算子、RobertS算子、 LOG算子和 Ca12nY算子实现检测边 缘的功能。基于灰度的图像分割方 法也可以用简单的MATLAB代码实 现 。 3 MATLAB数字图像处理实例 一 一 灰度直方图均衡化 均匀量化的 自然 图像的灰度直 方图通常在低灰度区间上频率较大， 使得图像 中较暗区域 中的细节看不 清楚。采用直方图修整可使原图像 灰度集中的区域拉开或使灰度分布 均匀，从而增大反差，使图像的细节 清晰，达到增强目的。直方图均衡化 可用histeq()函数实现。 举例如下 ： I= imread(’p4．JPg’)} J=histeq(I)； 下转 第89页 } 其他资源组成。Bundle向用户提供功 能或者向其他bundle提供组件化的服 务。每一个bundle可以用基于ZIP文 件格式标准而压缩为 JAR文件。 在bundle这个 JAR文件中： (1) 包含提供 0个或者多个 bundle服务的资源。这些资源可以是 Java编程语言的类文件，也可以是其 他的数据，例如 H T M L文件、帮助 文件、图等等。 (2)包含一个装配表(manifest)文 件。这个装配表文件描述了 J A R 文 件的内容，并提供关于 bundle的一 些信息 。这个装配表文件中的信 息 被当做参数传递给 OSGI框架，从而 使得该 bundle能被0SGI框架正确地 装载和启动 。 (3)描述了该bundle所依赖的其 他资源。比如所需要的其他 J a v a包 等。只有bundle所依赖的资源都在 的情况下，该 bundle才能正确的启 动。 (4) 设计了一个特殊的类文件以 充当bundle启动者(bundleActivator) 的角色。在 b u n d 1 e启动者实现了 BundleActivator接口，它主要包含 两个操作：start()与stop()。OSGI框 架可以通过调用 b u n d l e启动者的 start()，stop()方法来启动与停止该 bundle。在start()方法中可以做一些 初始工作，比如向OSG I框架注册该 bundle所提供的bundle服务。在stop 方法中可以做一些清除工作。 (5) 包含一个可选的文档。这些 可选的文档必须放在 J A R 文件中的 OSGI-OPT目录或者其子目录下。这 些可选文档并不是运行该 bundle所 必 需 的 。这 些文 档 可能 有 助理 解 bundle的功能 ，比如说源代码文件 、 设计文档等。而在空 间紧缺的情况 下，我们可以将这些可选文档删除。 除了上面所说的一般 bundle外， 还有一个特殊而又重要的bundle被称 为系统bundle(System bundle)。OSGI 框架就是由这个特殊的系统bundle来 表示 的 。 这样的架构使得软件开发从一开 始就以模块化、 割 ： 组件化的形式进行分 薅芎 上接第86页 (1)在bundle的内部实现上，可 以由简单到复杂，不断的演进。单独 一 个 bundle就可以实现某一具体功 能。由于 bundle本身可以演进，所以 每一个 bundle都可以自然而然地采 用增量式的软件开发方法。 (2)当某一个bundle的功能通过 增量式的开发从而得到确定时，我们可 以发新bundle用以实现另一项功能。这 样通过 bundle数量上的增加，不断增 加和完善软件所需的功能。 通过上述的分析，OSGI 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 在 设计的时候 ，已经将模块化、组件 化、增量式演进等现代软件 开发方 法融 入到其架构 与具 体 的规 则 中， 确保了基于 OSGI规范的软件体可以 更好地支持需求的扩展与演进。 imshow(I)l imshow(J)； 4结 论 采用MATLAB实现图像处理和 分析，通过几条简单的MATLAB命 令就 可完成一大 串高级计算机语言 才能完成的任务，简洁明快。大多数 图 像 处 理 模 型 是 可 以 通 过 使 用 MATLAB的基本函数通过编程实现 的。MATLAB工具箱功能非常强大， 简化 了繁琐的数学计算工作 ，有效 地促进 了数字图像处理相关的研究 开发工作。