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第24章圖像處理工具箱數(shù)字圖像處理的研究主要有兩個(gè)方面:其一是為了便于人工分析而對(duì)圖像信息的改進(jìn),包括圖像去噪、增強(qiáng)、圖像恢復(fù)等;其二是為了便于機(jī)器自動(dòng)理解,對(duì)圖像進(jìn)行的分割、理解等。本章主要針對(duì)數(shù)字圖像處理的前一個(gè)方面,目的是使讀者對(duì)利用MATLAB進(jìn)行圖像處理有一個(gè)初步的了解,引領(lǐng)讀者走過這個(gè)“門檻”。這里不準(zhǔn)備對(duì)MATLAB圖像處理工具箱的所有內(nèi)容逐項(xiàng)做介紹,而著重從基本概念、基本操作入手,抽取一些經(jīng)常使用的功能,使本章自成體系,主要內(nèi)容如下:MATLAB數(shù)字圖像處理中涉及的一些基本概念,基本的圖像數(shù)據(jù)操作;數(shù)字圖像的灰度變換;數(shù)字圖像的代數(shù)運(yùn)算;數(shù)字圖像的幾何運(yùn)算,包括圖像縮放、旋轉(zhuǎn)、裁剪;數(shù)字圖像濾波。24.1數(shù)字圖像基礎(chǔ)本節(jié)介紹一些與數(shù)字圖像相關(guān)的概念,包括數(shù)字圖像的采樣和量化、數(shù)字圖像的類型及表示,這些概念以及相關(guān)的符號(hào)會(huì)在本章后續(xù)內(nèi)容中經(jīng)常用到。本節(jié)另一個(gè)重要的內(nèi)容是介紹MATLAB圖像數(shù)據(jù)的讀入、顯示、輸出等操作,這些操作是后續(xù)圖像處理的前提。24.1.1數(shù)字圖像的生成圖像是由“照射”源和形成圖像的“場(chǎng)景”元素對(duì)光能的反射或吸收相結(jié)合而產(chǎn)生的。照射可能由電磁能源引起,如雷達(dá)、紅外線或X射線,也可能是非傳統(tǒng)光源,如超聲波等。場(chǎng)景可能是熟悉的物體,也可能是分子、沉積巖、大腦等。圖顯示了數(shù)字圖像生成的典型過程,成像系統(tǒng)獲取場(chǎng)景反射的能量,并將其映射到圖像平面,經(jīng)過采樣和量化即得到數(shù)字圖像。24.1.2圖像的類型MATLAB圖像處理工具箱為多種類型的數(shù)字圖像提供了支持,它們不僅在存儲(chǔ)方式上存在差別,相應(yīng)的操作、處理也有所不同,這里著重從存儲(chǔ)方式的不同考慮各種圖像類型。MATLAB圖像處理工具箱支持的圖像類型有以下4種。24.1.3讀寫圖像數(shù)據(jù)函數(shù)imread從圖像文件中讀取圖像數(shù)據(jù),imread支持大多數(shù)常用的圖像格式,表列出了imread支持的圖像格式。24.1.4顯示圖像數(shù)據(jù)MATLAB圖像處理工具箱有兩個(gè)函數(shù),imshow和imtools可以用于數(shù)字圖像的顯示。imshow是基本的顯示函數(shù),例如,對(duì)前面已經(jīng)讀入的圖像數(shù)據(jù)I(pout圖像數(shù)據(jù)),在MATLAB命令窗口輸入以下代碼。>>imshow(I)24.1.5轉(zhuǎn)換圖像格式圖像格式的轉(zhuǎn)換是圖像處理過程中經(jīng)常要做的工作,往往需要將圖像從一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式,這樣才能完成某些圖像處理任務(wù),之后再將圖像轉(zhuǎn)換到原來的格式。圖像的轉(zhuǎn)換包括圖像類型的轉(zhuǎn)換,如灰度圖轉(zhuǎn)換為二值圖;以及圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的轉(zhuǎn)換,如uint8型灰度圖轉(zhuǎn)換為single型灰度圖。下面首先介紹圖像類型的轉(zhuǎn)換。函數(shù)dither將灰度圖轉(zhuǎn)換為二值圖或RGB圖轉(zhuǎn)換為索引圖。X=dither(RGB,map)將RGB圖轉(zhuǎn)換為灰度圖,這里需要提供一個(gè)Colormap;BW=dither(I)將灰度圖I轉(zhuǎn)換為二值圖。24.2圖像的灰度變換24.2.1圖像的直方圖灰度圖(包括二值圖)的直方圖表示每個(gè)灰度級(jí)范圍內(nèi)像素點(diǎn)的個(gè)數(shù),索引圖的直方圖表示每個(gè)色條(即Colormap矩陣的每一行)對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。圖像的直方圖有多種用途,如數(shù)字化參數(shù)的選擇邊界閾值的選擇(參見圖)等。MATLAB圖像處理工具箱利用imhist得到灰度圖、二值圖、索引圖的直方圖,其一般的調(diào)用格式為:imhist(I);imhist(I,n);imhist(X,map)。24.2.2灰度變換灰度變換用于改變圖像的對(duì)比度。例如,對(duì)灰度圖pout(圖24.32),其直方圖如圖所示。從直方圖上可以看到,pout的大部分像素分布在中間較窄的灰度范圍內(nèi),使得pout整體對(duì)比度較低。利用灰度變換,將pout直方圖中間部分拉伸至整個(gè)灰度范圍[0,255]能夠增強(qiáng)對(duì)比度,MATLAB圖像處理工具箱中實(shí)現(xiàn)該功能的函數(shù)是imadjust。24.2.3直方圖均衡第24.2.2小節(jié)的灰度變換實(shí)際上是指定了灰度變換函數(shù)的灰度變換,而對(duì)不同的圖像還需要設(shè)定不同的參數(shù),因此這種方法的效率是很低的。直方圖均衡能夠根據(jù)待處理圖像的直方圖自適應(yīng)地給出灰度變換函數(shù),使得調(diào)整后圖像的直方圖能盡可能地接近預(yù)先定義的直方圖。MATLAB圖像處理工具箱中利用函數(shù)histeq對(duì)灰度圖和索引圖作直方圖均衡,histeq一般的調(diào)用格式為:J=histeq(I,hgram);J=histeq(I,n);J=histeq(I);[J,T]=histeq(I,...);newmap=histeq(X,map,hgram);newmap=histeq(X,map);[newmap,T]=histeq(X,...)。24.3圖像的代數(shù)運(yùn)算圖像的代數(shù)運(yùn)算具有明顯的物理意義,例如對(duì)多幅圖像求和平均可用于去噪,圖像的差可用于緩變背景條件下的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等。一般地,圖像的代數(shù)運(yùn)算是像素對(duì)像素的運(yùn)算,因此上面的矩陣運(yùn)算是按位運(yùn)算。圖像代數(shù)運(yùn)算不改變圖像的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式,運(yùn)算過程中均以浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為原來的數(shù)據(jù)類型。用戶可以利用數(shù)組的加減乘除實(shí)現(xiàn)圖像的代數(shù)運(yùn)算,但是要注意灰度值的取值范圍,實(shí)際上,MATLAB圖像工具箱已經(jīng)為用戶提供了相關(guān)的函數(shù)用于圖像的加、減、乘、除,它們分別是imadd、imsubtract、immultiply、imdivide,這些函數(shù)將自動(dòng)處理圖像代數(shù)運(yùn)算過程中的溢出。24.3.1圖像加法對(duì)同一幅受加性噪聲污染的圖像求平均可以提高圖像的信噪比,從而實(shí)現(xiàn)圖像的去噪。24.3.2圖像乘法利用1、0組成的掩膜圖與待處理圖像相乘可以遮住圖像的指定部分。24.3.3圖像減法圖像減法可以用于去除背景和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等。假設(shè)圖中間的黑色小方塊是一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo),通過圖像的減法能夠檢測(cè)到該目標(biāo)。在MATLAB命令窗口輸入以下指令求上圖與圖的差圖像。>>imshow(imsubtract(I,J))24.3.4圖像除法圖像除法可以產(chǎn)生對(duì)彩色或多光譜圖像十分重要的比率圖像,關(guān)于這部分內(nèi)容,這里不做介紹,讀者如有興趣可以查閱相關(guān)的書籍和MATLAB幫助文檔。24.4圖像的幾何運(yùn)算圖像的幾何運(yùn)算用改變圖像的形狀,包括縮放、旋轉(zhuǎn)、扭曲等,如圖所示。圖像的幾何運(yùn)算涉及空間變換和灰度插值,空間變換防止圖像內(nèi)容支離破碎,灰度插值計(jì)算目標(biāo)圖像中對(duì)應(yīng)原圖像非整點(diǎn)的像素灰度值。本節(jié)將介紹幾種最基本的幾何運(yùn)算,包括圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)和裁剪。24.4.1縮放圖像MATLAB圖像處理工具箱利用函數(shù)imresize對(duì)圖像進(jìn)行縮放操作,其一般的調(diào)用格式為:B=imresize(A,m);B=imresize(A,m,method);B=imresize(A,[mrowsncols],method)。其中A、B分別為輸入、輸出圖像;method是縮放過程中使用的插值方法,可以是’nearest’(最近鄰插值)、’bilinear’(雙線性插值)或’bicubic’(雙立方插值),默認(rèn)的插值方法是最近鄰插值;m為放大因子,m大于1時(shí),圖像被放大,小于1時(shí),圖像被縮小,也可以分別設(shè)置變換后圖像的高度mrows和寬度ncols,這能克服放大因子只能對(duì)高度和寬度同比縮放的缺陷。24.4.2旋轉(zhuǎn)圖像MATLAB圖像處理工具箱利用函數(shù)imrotate對(duì)圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作,其一般的一般調(diào)用格式為:B=imrotate(A,angle);B=imrotate(A,angle,method)。其中A、B分別為輸入、輸出圖像;a

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