天津理工大學(xué)數(shù)字圖像實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、數(shù)字圖像處理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書電子信息工程學(xué)院2013年 8月天津理工大學(xué)電信學(xué)院1 學(xué)生必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)參加實(shí)驗(yàn)，不得遲到、早退。2 學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，不準(zhǔn)隨地吐痰、抽煙和亂拋雜物，保持室內(nèi)清潔和安靜。3 實(shí)驗(yàn)前應(yīng)認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，復(fù)習(xí)有關(guān)理論并接受教師提問檢進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4 實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)真執(zhí)行操作規(guī)程，注意人身和設(shè)備安全。學(xué)生要以科學(xué)的態(tài)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，細(xì)心觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、認(rèn)真記錄各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不得馬虎從事，不得抄襲他人實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。5 如儀器發(fā)生故障，應(yīng)立即報(bào)告教師進(jìn)行處理，不得自行拆修。不得動(dòng)用和觸摸與本次實(shí)驗(yàn)無關(guān)的儀器與設(shè)備。6 凡損壞儀器設(shè)備、器皿、工具者，應(yīng)主動(dòng)說明原因，書寫損壞情況報(bào)告，根據(jù)具體情節(jié)

2、進(jìn)行處理。7 實(shí)驗(yàn)完畢后， 將計(jì)量器具和被測工件整理好， 認(rèn)真填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告（包括數(shù)據(jù)記錄、分析與處理，以及繪制必要的圖形） 。天津理工大學(xué)電信學(xué)院前 言與系統(tǒng)等專業(yè)基礎(chǔ)課的具體應(yīng)用。以圖像為載體，進(jìn)行算法開發(fā)、數(shù)所裨益。本書與數(shù)字圖像處理基礎(chǔ)教材配套使用，結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為像處理程序設(shè)計(jì)與調(diào)試方法，鞏固所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)實(shí)際能力。2013 年 8 月天津理工大學(xué)電信學(xué)院 1 8 天津理工大學(xué)電信學(xué)院 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 了解圖像代數(shù)運(yùn)算的基本函數(shù)和用法2、 熟悉圖像的基本讀入和輸出3、 了解數(shù)字圖像的路徑搜索二、 實(shí)驗(yàn)儀器1、計(jì)算機(jī)2、MATLAB 軟件環(huán)境三、 實(shí)驗(yàn)原理圖像的代數(shù)運(yùn)算是基本代數(shù)運(yùn)算

3、在圖像上的實(shí)現(xiàn)，要求參與運(yùn)算的圖像類型和大小必須一致，且運(yùn)算符類型相符。1，絕對(duì)值差函數(shù)原理：函數(shù)，計(jì)算兩圖像 X和 Y 的絕對(duì)值差。條件：圖像 X與 Y數(shù)據(jù)類型相同，大小相同。返回值 Z與 X 和 Y同類型，同大小，結(jié)果取對(duì)應(yīng)位差的絕對(duì)值。例： X=uint8(2505 10 75;44 225 100); Y =uint8(550 50; 50 50 50); Z=imabsdiff(X,Y)Z = 205 40 256 175 50實(shí)驗(yàn)： I=imread(cameraman.tif); J=uint8(dct2(I); K=imabsdiff(I,J); imshow(K,)1天津理工

4、大學(xué)電信學(xué)院圖 1.1. 原圖像圖 1.2. 絕對(duì)值差函數(shù)處理例2，疊加函數(shù)原理：Z=imadd(X,Y)函數(shù)，計(jì)算兩圖像 X和 Y 的疊加效果。條件：圖像 X與 Y數(shù)據(jù)類型相同，大小相同。返回值 Z與 X 和 Y同類型，同大小，結(jié)果取對(duì)應(yīng)位差的絕對(duì)值。例： X=uint8(255 0 75;44 225 100);2天津理工大學(xué)電信學(xué)院 Y=uint8(50 50 50; 50 50 50); Z=imadd(X,Y)Z = 255 50 12594 255 150實(shí)驗(yàn)： I=imread(cameraman.tif); J=uint8(dct2(I); K=imadd (I,J); ims

5、how(K,)圖 1.3. 疊加函數(shù)處理例3，求補(bǔ)函數(shù)原理： RGB像素的最大值減去圖像的原始像素值，得到輸出圖像的相應(yīng)位置的值。調(diào)用格式：IM2=imcomplement（）IM和 IM2分別是原始圖像和輸出圖像，類型可以是 Matlab支持的各種圖像。例： X2=imcomplement(X)X2 =0 245 180211 30 1553天津理工大學(xué)電信學(xué)院實(shí)驗(yàn)： I=imread(cameraman.tif); J=imcomplement(I); imshow(J)圖 1.4. 求補(bǔ)函數(shù)處理例4，除法函數(shù)原理：圖像的除法運(yùn)算通常用于校正成像設(shè)備的非線性誤差，也可用于檢測兩張圖像之間的

6、差別，它給出的是相應(yīng)像素值的變化比率，而不是每個(gè)像素的絕對(duì)差異。調(diào)用格式：Z=imdivide（，）圖像 X與 Y數(shù)據(jù)類型相同，大小相同。返回值 Z與 X 和 Y同類型，同大小，結(jié)果取兩圖像 X和 Y相應(yīng)像素值的變化比率。例： X=uint8(255 10 75;44 225 100); Y=uint8(50 20 50;50 50 50); Z=imdivide(X,Y)Z =511522實(shí)驗(yàn)： I=imread(rice.png); blocks=blkproc(I,32 32,min(x(:); background=imresize(blocks,256 256,bilinear);4

7、天津理工大學(xué)電信學(xué)院 Ip=imdivide(I,background); imshow(Ip,) %=let imshow scale data automatically圖 1.5. 除法函數(shù)處理例 1若將參數(shù)改為常數(shù)，結(jié)果如下： I=imread(rice.png); J=imdivide(I,2); imshow(J)5天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 1.6. 除法函數(shù)處理例 25，減法函數(shù)原理：減法函數(shù)對(duì)兩張圖像進(jìn)行代數(shù)減法，通常用于檢測圖像變化以及運(yùn)動(dòng)物體的圖像處理。使用格式與加法類似。調(diào)用格式：Z=imsubtract（，）X和 Y是輸入圖像，Z 是輸出圖像，類型可以是 Matlab支持

8、的各種圖像。例： X=uint8(255 10 75;44 225 100); Y=uint8(50 50 50;50 50 50); Z=imsubtract(X,Y)Z =2050 250 175 50實(shí)驗(yàn)： I=imread(rice.png); blocks=blkproc(I,32 32,min(x(:); background=imresize(blocks,256 256,bilinear); Ip=imsubtract(I,background); imshow(Ip,)6天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 1.7. 減法處理例四、 注意事項(xiàng)注意常用操作命令和快捷鍵以及命令窗口中的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)

9、命令使用。五、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、熟悉數(shù)字圖像的絕對(duì)值差函數(shù)，疊加函數(shù)，求補(bǔ)函數(shù)，除法函數(shù)，減法函數(shù)的使用方法；2、熟悉數(shù)字圖像的路徑搜索；3、熟悉 MATLAB 的數(shù)據(jù)類型、表達(dá)式、函數(shù)、常用命令和快捷鍵。掌握指令窗的使用六、 實(shí)驗(yàn)思考題思考各種代數(shù)運(yùn)算在圖像處理中的作用。七、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求根據(jù)自己上機(jī)的內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容填寫在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。7天津理工大學(xué)電信學(xué)院 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆眨簣D像的縮小，放大，旋轉(zhuǎn)，剪裁的幾何運(yùn)算方法，及各個(gè)方法的函數(shù)調(diào)用。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、計(jì)算機(jī)2、MATLAB 軟件環(huán)境三、實(shí)驗(yàn)原理在 matlab 環(huán)境中創(chuàng)建二維數(shù)組（即數(shù)字圖像）及其運(yùn)算，關(guān)系操作和邏輯操作。在 matlab

10、 環(huán)境中矩陣的基本運(yùn)算運(yùn)算。四、注意事項(xiàng)在英文狀態(tài)下輸入。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1，圖像的縮放調(diào)用格式：Y=imresize（，M，method）X為需進(jìn)行操作的圖像，M 是放大倍數(shù)，通常 M 是大于 0 的實(shí)數(shù)，若 M1，則表示需對(duì)圖像進(jìn)行放大；若 M I=imread(circuit.tif); J=imresize(I,1.25); imshow(J) imshow(J)8天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 2.1.原圖像圖 2.2. 圖像放大例2，圖像的旋轉(zhuǎn)調(diào)用格式：Y=imrotate（，angle，method）X是原圖像，angleMethod 參數(shù)與 imresize9天津理工大學(xué)電信學(xué)院函數(shù)中的參

11、數(shù)意義相同。實(shí)驗(yàn)： I=imread(circuit.tif); J=imrotate(I,-15,bilinear); imshow(J)圖 2.3. 圖像旋轉(zhuǎn)例3，圖像的剪裁Matlab提供 imcrop 域。實(shí)驗(yàn)： I=imread(circuit.tif); I2=imcrop(I,30 60 120 160); imshow(I2) imshow(I)10天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 2.4. 原圖像圖 2.5. 裁剪圖例六、實(shí)驗(yàn)思考題圖像的幾何運(yùn)算在圖像處理中的應(yīng)用。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求根據(jù)自己上機(jī)的內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容填寫在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。11天津理工大學(xué)電信學(xué)院 一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆眨簲?shù)字圖像的傅

12、里葉變換方法及函數(shù)調(diào)用和符號(hào)數(shù)字、符號(hào)表達(dá)式的操作。二、 實(shí)驗(yàn)儀器1、計(jì)算機(jī)2、MATLAB 軟件環(huán)境三、 實(shí)驗(yàn)原理空域變換到頻域，從另外一個(gè)角度來分析圖像的特征并進(jìn)行處理。頻域分析法在圖像增強(qiáng)，復(fù)原，編碼壓縮等方面用途廣泛。變換的數(shù)學(xué)問題。四、 注意事項(xiàng)注意常用操作命令和快捷鍵以及命令窗口中的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)命令使用。五、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)例：輸入一個(gè)圖像矩陣，并將其傅里葉函數(shù)可視化。 I=imread(cameraman.tif); I=im2double(I); F=fft2(I); F2=log(real(F); imshow(F2)12天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 3.1. 原圖像圖 3.2. 圖 1

13、 傅里葉變換結(jié)果六、 實(shí)驗(yàn)思考題書后第八題七、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求根據(jù)自己上機(jī)的內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容填寫在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。13天津理工大學(xué)電信學(xué)院 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握數(shù)字圖像的離散余弦變換（2）了解離散余弦變換在圖像處理中的作用二、實(shí)驗(yàn)儀器1、計(jì)算機(jī)2、MATLAB 軟件環(huán)境三、實(shí)驗(yàn)原理離散余弦變換的實(shí)現(xiàn)有兩種方法：(1) 基于 FFT的快速算法，工具箱中 dct2函數(shù)實(shí)現(xiàn)該算法。(2) 基于 DCT 變換矩陣的算法。工具箱 dctmtx 用以計(jì)算變換矩陣。詳見教材。四、注意事項(xiàng)函數(shù)調(diào)用基本指令間的區(qū)別。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.函數(shù) dct2功能：實(shí)現(xiàn)圖像的二維離散余弦變換：調(diào)用格式：B=dct2（A）B=dc

14、t2（A，M N）B=dct2（A，M，）A是原圖像，B是變換后的圖像。B與 A同大，且包含了余弦變換后的系數(shù)。M 和 N可選，表示變換前對(duì)圖像矩陣 A的填充或截取。若 M 或 N小于矩陣 A的對(duì)應(yīng)維，則截取 。若 M 或 N大于矩陣 A的對(duì)應(yīng)維，則變換前用0 把 A填充為 MxN 矩陣。實(shí)驗(yàn) 1：對(duì)圖像進(jìn)行 DCT 變換 RGB=imread(autumn.tif); I=rgb2gray(RGB); 將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像 J=dct2(I); imshow(J)離散余弦變換14天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 4.1. 原圖像圖 4.2. DCT 變換結(jié)果2. 函數(shù) idct2功能：實(shí)現(xiàn)圖像的二

15、維離散余弦反變換調(diào)用格式：B=idct2（A）B=idct2（A，M N）B=idct2（A，M，）A是原圖像，B是變換后的圖像。B與 A M 和 N可選，表示變換前對(duì)圖像矩陣 A 的填充或截取。若 M 或 N小于矩陣 A的對(duì)應(yīng)維，則截取 。若 M 或 N大于矩陣 A的對(duì)應(yīng)維，則變換前用 0 把 A填充為 MxN 矩陣。實(shí)驗(yàn) 2：將實(shí)驗(yàn) 1 中 DCT 變換后的矩陣中小于 10 的系數(shù)設(shè)為 0，然后重構(gòu)圖像。 RGB=imread(autumn.tif); I=rgb2gray(RGB); J=dct2(I);15天津理工大學(xué)電信學(xué)院 imshow(I) imshow(J) J(abs(J)

16、K=idct2(J); imshow(K,0 255)16天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 4.3. 重構(gòu)后的圖像六、實(shí)驗(yàn)思考題離散余弦變換域傅里葉變換的區(qū)別與聯(lián)系。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求將實(shí)驗(yàn)命令、操作答案填寫與報(bào)告中。17天津理工大學(xué)電信學(xué)院 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握離散余弦變換壓縮圖像的方法。2根據(jù)已給算法，能夠進(jìn)行壓縮編碼的設(shè)計(jì)；3了解壓縮結(jié)果的測度方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1、計(jì)算機(jī)2、MATLAB 軟件環(huán)境三、實(shí)驗(yàn)原理離散余弦變換（DCT）的應(yīng)用之一是圖像壓縮。用 DCT 壓縮的過程為：（1） 將輸入圖像分解為 8x8 或 16x16 二維 DCT 變換。（2） 將變換后得到的量化 DCT 系數(shù)進(jìn)行編碼和傳送，

17、形成壓縮后的圖像格式。用 DCT 解壓的過程為：（1）對(duì)每個(gè) 8x8 或 16x16 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。實(shí)驗(yàn)：把輸入圖像分成 8x8 的圖像塊，計(jì)算它們的DCT 系數(shù)，并且只保留64 個(gè) DCT 系數(shù)中的 10 10 個(gè)系數(shù)進(jìn)行逆 DCT變換來重構(gòu)圖像。四、注意事項(xiàng)注意指令的使用并在英文狀態(tài)下輸入。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟I=imread(E:4cat.jpg);I1=im2double(I);m,n=size(I1);I1=I1(1:256,1:256);T=dctmtx(8);B=blkproc(I1,8,8,P1*x*P2,T,T);mask

18、=1 1 1 1 0 0 0 0;1 1 1 0 0 0 0 0;1 1 0 0 0 0 0 0;18天津理工大學(xué)電信學(xué)院1 0 0 0 0 0 0 0;0 0 0 0 0 0 0 0;0 0 0 0 0 0 0 0;0 0 0 0 0 0 0 0;0 0 0 0 0 0 0 0;B2=blkproc(B,8,8,P1.*x,mask);I2=blkproc(B2,8,8,P1*x*P2,T,T);figure,imshow(I1);title(Oringinal Image);figure,imshow(I2);title(Compressed Image);Oringinal Image圖

19、 5.1. 原圖像Compressed Image天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 5.2. 壓縮圖像對(duì)比原始圖像和壓縮后的圖像，雖然舍棄了 85%的 DCT 系數(shù)，圖像依然清六、實(shí)驗(yàn)思考題圖像數(shù)據(jù)壓縮率的計(jì)算七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求根據(jù)自己上機(jī)的內(nèi)容，將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容填寫在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。20天津理工大學(xué)電信學(xué)院 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握 sobel 算子邊緣檢測方法。2、 掌握 prewitt 算子邊緣檢測方法。3、 掌握 canny邊緣檢測方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器：1、計(jì)算機(jī)2、MATLAB 軟件環(huán)境三、實(shí)驗(yàn)原理圖像邊緣檢測是圖像高通濾波的處理目的，常用方法有一階算子和二階算緣輪廓線，便于編程控制跟蹤，及做各種特征分析。四

20、、注意事項(xiàng)1、注意常用操作命令和快捷鍵以及命令窗口中的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)命令使用。2、注意命令的輸入要在英文狀態(tài)下輸入（尤其是,和.五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn) 6.1：對(duì)比度擴(kuò)展 6 圖像增強(qiáng)I = imread(cameraman.tif);BW1 = edge(I,sobel);BW2 = edge(I,prewitt);BW3 = edge(I,canny);imshow(BW1);figure, imshow(BW2);figure,imshow(BW3);21天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 6.1 sobel 算子處理例六、實(shí)驗(yàn)思考題邊緣檢測在模式識(shí)別中的應(yīng)用。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求將實(shí)驗(yàn)命令和操作答案填寫與報(bào)告中。

21、22天津理工大學(xué)電信學(xué)院 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，了解圖像增強(qiáng)的作用。2，掌握空域像素增強(qiáng)的一般方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器：1、計(jì)算機(jī)2、MATLAB 軟件環(huán)境三、實(shí)驗(yàn)原理晰度；二是使圖像易于計(jì)算機(jī)處理，如銳化處理可以突出圖像邊緣輪廓線，便于編程控制跟蹤，及做各種特征分析。對(duì)比度擴(kuò)展增強(qiáng)是空域變換增強(qiáng)基于像素點(diǎn)調(diào)整的方法。四、注意事項(xiàng)1、注意常用操作命令和快捷鍵以及命令窗口中的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)命令使用。2、注意命令的輸入要在英文狀態(tài)下輸入（尤其是,和.五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn) 7.1：對(duì)比度擴(kuò)展圖像增強(qiáng)讀入圖像，并計(jì)算圖像直方圖。觀察可知，圖像的灰度過于集中，對(duì)比度不夠。即：灰度沒有低于40，或者大于 200 的。對(duì)比度擴(kuò)展

22、就是將圖像的灰度映射到整個(gè)灰度區(qū)間上，即 0 到 255，這樣，圖像的對(duì)比度就大大增強(qiáng)。 I=imread(rice.png); imhist(I) imshow(I);23天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 7.1. 原圖像10009008007006005004003002001000050100150200250圖 7.2. 原圖像直方圖 J=imadjust(I,0.15 0.9,0 1); imhist(J) imshow(J);24天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 7.3. 擴(kuò)展后的圖像10009008007006005004003002001000050100150200250圖 7.4. 擴(kuò)展后圖像

23、的直方圖25天津理工大學(xué)電信學(xué)院實(shí)驗(yàn) 7.2 直方圖均衡化圖像增強(qiáng)比度增加。步驟：（1）列出原始圖像灰度級(jí)。（2）統(tǒng)計(jì)原始圖像各灰度級(jí)的像素?cái)?shù)目。（3）計(jì)算原始圖像直方圖各灰度級(jí)的頻率數(shù)。（4）計(jì)算原始圖像的累計(jì)直方圖。（5）取整計(jì)算。（6）確定映像關(guān)系。（7）統(tǒng)計(jì)新直方圖哥哥灰度級(jí)的像素?cái)?shù)目。（8）計(jì)算新直方圖。圖 7.5. 直方圖均衡化圖像26天津理工大學(xué)電信學(xué)院120010008006004002000050100150200250圖 7.6. 均衡化后圖像的直方圖六、實(shí)驗(yàn)思考題直方圖均衡化的方法七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求將實(shí)驗(yàn)命令和操作答案填寫與報(bào)告中。27天津理工大學(xué)電信學(xué)院 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，

24、熟悉空域?yàn)V波增強(qiáng)的基本原理。2，掌握均值濾波方法。3，掌握中值濾波方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器：1、計(jì)算機(jī)2、MATLAB 軟件環(huán)境三、實(shí)驗(yàn)原理分量保持不變，從而改變輸出圖像的頻率分布，達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。模板運(yùn)算的數(shù)學(xué)涵義是一種卷積運(yùn)算。四、注意事項(xiàng)1、注意常用操作命令和快捷鍵以及命令窗口中的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)命令使用。2、注意命令的輸入要在英文狀態(tài)下輸入（尤其是,和.五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容步驟如下：（1） 合。（2） 將模板上的系數(shù)與模板下對(duì)應(yīng)的像素相乘。（3） 將所有乘積相加。（4） 將和（模板的輸出響應(yīng)）賦給圖中對(duì)應(yīng)模板中心位置。并比較結(jié)果。 I=imread(eight.tif); J=imnoise(I,salt & pepper,0.02); imshow(I) imshow(J)28天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 8.1. 原圖像圖 8.2. 加噪圖像 K=imfilter(J,fspecial(average,3); imshow(K)29天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 8.3. 3x3 均值濾波圖 8.4. 5x5 均值濾波30天津理工大學(xué)電信學(xué)院圖 8.5. 7x7 均值濾波六、實(shí)驗(yàn)思考題均值濾波的優(yōu)缺點(diǎn)。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求將實(shí)驗(yàn)命令和操作答案填寫與報(bào)告中。31天津理工大學(xué)電信學(xué)院 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，掌握頻域?yàn)V波的基本原理。2，掌握高通濾波的一般方法。3，掌握低通濾波的一