第十一章 Matlab圖像處理應(yīng)用

第十一章圖像處理工具箱11.1圖像處理工具箱知識(shí)點(diǎn)搜索11.2圖像處理的基本概念11.3圖像的讀、寫(xiě)、顯示11.4圖像的幾何加工處理11.5圖像的線(xiàn)性過(guò)濾操作11.6圖像的函數(shù)變換11.7圖像的加工和分析

圖像作為一種特殊的數(shù)據(jù)近來(lái)已經(jīng)作為科學(xué)計(jì)算的對(duì)象，而近幾年的數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽也不斷出現(xiàn)有關(guān)的題目。例如2001年全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽的A題，給你一段血管的100個(gè)橫截面的圖像，讓你再現(xiàn)真實(shí)血管的中心曲線(xiàn)的公式。2002年美國(guó)數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽的C題，給你一張美國(guó)佛羅里達(dá)某類(lèi)蜥蜴的棲息地地圖讓你建立該種群的生存與棲息地的關(guān)系等等。MATLAB提供了一個(gè)強(qiáng)大的圖像處理功能，包括各種類(lèi)型圖像文件的讀入、輸出。圖像的各種加工命令等。本章介紹image圖像的基本概念和計(jì)算機(jī)上的存儲(chǔ)方式，各種對(duì)圖像進(jìn)行操作的命令，以及一些數(shù)學(xué)建模中的一些例子。

11.1圖像處理模塊知識(shí)點(diǎn)搜索在MATLAB的Help界面的左下的欄進(jìn)行搜索，在該欄中可以看到一個(gè)ImageProcessingToolbox即圖像處理工具箱，見(jiàn)圖11.1.1圖11.1.1打開(kāi)ImageProcessingToolbox，我們可以看到有關(guān)圖像處理的詳細(xì)資料、一個(gè)典型的例子、和對(duì)圖像進(jìn)行處理的所有命令的列表。11.2image圖像的基本概念圖像文件是以BMP、HDF、JPEG、PCX、BNG、TIFF、XWD為擴(kuò)展名的WINDOWS文件。MATLAB對(duì)于圖像的存儲(chǔ)形式大部分是用二維數(shù)組（矩陣）進(jìn)行的，矩陣中的一個(gè)元素對(duì)應(yīng)圖像的一個(gè)像素，例如：一個(gè)由200行300列不同顏色的點(diǎn)組成的圖像可以用200×300的矩陣來(lái)表示。而有些圖像例如RGB即真彩色的圖像需要三維的數(shù)組來(lái)表示，第一維是紅色像素的深度，第二維是綠色像素的深度，第三維是蘭色像素的深度。圖像分三種類(lèi)型索引圖像強(qiáng)度圖像真彩（RGB）圖像11.2.1索引圖像（Indexed）索引圖像是由一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣X和一個(gè)顏色映像矩陣Map組成。其中Map是一個(gè)m×3的數(shù)據(jù)矩陣，其每一個(gè)元素是[0，1]之間的雙精度浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，每一行是一個(gè)有紅、綠、藍(lán)調(diào)色成的一個(gè)點(diǎn)。這樣矩陣X的行定位了一個(gè)像素的平面位置，Map矩陣相應(yīng)的行定義了該點(diǎn)的顏色。我們可以用以下命令顯示一幅索引圖像【例11.2.1】讀入一個(gè)圖像文件并顯示出來(lái)loadclown%輸入一個(gè)圖形文件clims=[1060];image(X)colormap(map)則索引圖像為圖11.2.111.2.2強(qiáng)度圖像（Intensity）MATLAB中的強(qiáng)度圖像也就是Windows下的灰度圖像。一幅強(qiáng)度圖像有一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣I，其元素代表了該點(diǎn)的顏色強(qiáng)度值。矩陣中的元素可以是雙精度的浮點(diǎn)類(lèi)型、8位或16位無(wú)符號(hào)的整數(shù)類(lèi)型。在多數(shù)情況下，強(qiáng)度圖像很少和顏色映像表一起保存。顯示一幅強(qiáng)度圖像時(shí)需要函數(shù)imagesc。我們來(lái)看一個(gè)例子【例11.2.2】讀入并顯示灰度圖像loadclownclims=[1060];imagesc(X,clims)colormap(gray)結(jié)果見(jiàn)圖11.2.211.2.3真彩圖像(RGB)真彩圖像在MATLABZH中存儲(chǔ)為n×m×3的超立體數(shù)組，它定義了圖像像素的平面位置和該點(diǎn)的顏色。顏色元素中紅、綠、藍(lán)分別為8位數(shù)，這樣可以調(diào)制成上千萬(wàn)種顏色。在MATLAB中可以用image（RGB）命令來(lái)顯示真彩圖像，例如：【例11.2.3】讀入并顯示真彩色圖像X=imread('flowers.tif'); %讀取TIFF格式的圖象文件imwrite(X,'ff.jpg','Quality',100)%圖象以JPG格式文件保存imfinfo('ff.jpg') %讀取圖象文件特征信息image(imread(‘ff.jpg’))%讀取JPG格式文件，并顯示圖像axisimageoff %保持寬高比和隱去坐標(biāo)

結(jié)果圖像為圖11.2.311.3圖像的讀、寫(xiě)、顯示

要對(duì)圖形進(jìn)行加工，首先就需要將圖像文件從存儲(chǔ)設(shè)備上讀入計(jì)算機(jī)內(nèi)存。對(duì)加工后的圖像按某種格式進(jìn)行輸出等等，圖像輸入輸出和有關(guān)的命令列表如下：11.3.1圖像文件的讀入讀入文件命令的一般格式為：A=imread(filename,fmt)[X,map]=imread(filename,fmt)[...]=imread(filename)[...]=imread(...,idx)(CUR,ICO,andTIFFonly)[...]=imread(...,ref)(HDFonly)[...]=imread(...,'BackgroundColor',BG)(PNGonly)[A,map,alpha]=imread(...)(PNGonly)這里：Filename：文件的路徑和名字Fmt：為讀入的圖形文件的格式X：輸出的文件Map：為顏色矩陣可讀入的圖形格式為：clc;img=imread('f:\zhang\a_test_bmp\38.bmp');%在指定的路徑下將指定的文件讀入計(jì)算機(jī)imgEdgeMatrix=edge(img,'roberts');[imgEdgeX,imgEdgeY]=find(imgEdgeMatrix==1);edgesize=size(imgEdgeX)maxCircle=0;imgsize=size(img);figure(1);imshow(img);【例11.3.1】2001年全國(guó)大學(xué)生數(shù)學(xué)建模中，我們要把血管的橫截面圖像文件讀入內(nèi)存，在進(jìn)行各種加工，MATLAB程序如下：11.3.2圖形的顯示一般語(yǔ)法為：imshow(I,n)%顯示強(qiáng)化圖形，及其強(qiáng)度。imshow(I,[lowhigh])imshow(BW)%顯示黑白圖形imshow(X,map)%顯示索引圖形X，并伴隨圖形矩陣mapimshow(RGB)%顯示真彩圖形imshow(...,display_option)imshow(x,y,A,...)imshowfilenameh=imshow(...)【例11.3.3】讀入地球氣象圖，并用強(qiáng)度圖顯示出來(lái)。loadearthimage(X，map)11.3.3圖像的輸出圖像輸出的一般命令格式下：imwrite(A,filename,fmt)imwrite(X,map,filename,fmt)imwrite(...,filename)imwrite(...,Param1,Val1,Param2,Val2...)這里：filename：輸出的文件fmt：為輸出文件的格式X=imread('flowers.tif');imwrite(X,'fbmp.bmp','bmp')imwrite(X,'fjpg.jpg','jpg')image(imread('fbmp.bmp'))figure(2)image(imread('fjpg.jpg'))注意：fbmp.bmp的大小為65kb，fjpg.jpg為2kb文件名文件格式文件格式的版本號(hào)文件修改時(shí)間文件的大小圖像的寬度圖像的長(zhǎng)度每個(gè)像素的位數(shù)圖像的類(lèi)型，如是否為真彩色或強(qiáng)度圖像等。11.3.4圖形的信息命令利用imfinfo命令可以查詢(xún)圖像的有關(guān)信息，例如：【例11.3.2】讀入一個(gè)圖像文件并顯示的信息imread('flowers.tif')info=imfinfo('flowers.tif')則計(jì)算結(jié)果為：info=Filename:'D:\MATLAB6p1\toolbox\images\imdemos\flowers.tif'FileModDate:'26-Oct-1119606:11:10'FileSize:543962Format:'tif'FormatVersion:[]Width:500Height:362BitDepth:24ColorType:'truecolor'FormatSignature:[7373420]ByteOrder:'little-endian'NewSubfileType:0

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11.4圖像的幾何加工處理MATLAB提供了很多有效的命令來(lái)進(jìn)行對(duì)圖像的加工處理，例如我們可以對(duì)圖像進(jìn)行變換、可以獲得圖像的邊界、改變圖像的亮度和對(duì)比度等等。11.4.1圖像的縮放操作B=imresize(A,m,method)B=imresize(A,[mrowsncols],method)B=imresize(...,method,n)B=imresize(...,method,h)其中參數(shù)mathod含義如下：nearest系統(tǒng)內(nèi)定，最近鄰插值bilinear雙線(xiàn)性插值bicubic雙立方插值【例11.4.1】讀入一幅圖像，放大一倍并同時(shí)顯示出來(lái)I=imread('ic.tif')J=imresize(I,2,'bicubic')%利用雙立方插值放大一倍subplot(1,2,1),subimage(I)subplot(1,2,2),subimage(J)11.4.2圖像的旋轉(zhuǎn)對(duì)圖像旋轉(zhuǎn)的命令為：B=imrotate(A,angle,method)B=imrotate(A,angle,method,'crop')【例11.4.2】對(duì)讀入的圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并顯示I=imread(‘saturn.tif’)%讀入土星圖象數(shù)據(jù)J=imrotate(I,45,‘bicubic’)%旋轉(zhuǎn)45度subplot(1,2,1),subimage(I)subplot(1,2,2),subimage(J)11.4.3圖像的剪切圖像剪切命令為imcrop，這是一個(gè)交互命令，即當(dāng)執(zhí)行到該命令時(shí)拉動(dòng)鼠標(biāo)選擇一個(gè)區(qū)域后即可將該區(qū)域裁剪下來(lái)?！纠?.4.3】將所給的圖像進(jìn)行截取I=imread('saturn.tif')imshow(I)J=imcrop(I)subplot(1,2,1),subimage(I)subplot(1,2,2),subimage(J)11.5圖像的線(xiàn)性過(guò)濾操作在沖洗照片時(shí)，有時(shí)底片有一些瑕疵，專(zhuān)業(yè)人員可以通過(guò)對(duì)底片的修改來(lái)完善我們的照片，這就相當(dāng)于一次過(guò)濾。當(dāng)然我們這里對(duì)圖像的過(guò)濾是通過(guò)某種數(shù)學(xué)的方法，突出或忽略圖像的某些特征。11.5.1卷積濾波convolution對(duì)圖像矩陣施以一個(gè)矩陣的加工，即通過(guò)圖像矩陣與一個(gè)過(guò)濾矩陣的乘積生成一個(gè)新的圖形矩陣，這種變換即稱(chēng)卷積過(guò)濾操作?！纠?.5.1】對(duì)一個(gè)圖像矩陣進(jìn)行卷積濾波，A為圖像矩陣，h為一個(gè)卷積矩陣A=[17241815235714164613202210121921311182529]h=[816357492]則卷積的算法見(jiàn)圖11.5.1注意其中變換的部分為原矩陣與h的元素積。這樣我們就生成了一個(gè)變換過(guò)的矩陣了?！纠?1.5.2】讀入一個(gè)血液圖像，并造一個(gè)變換矩陣h對(duì)原圖像進(jìn)行變換。I=imread('blood1.tif');h=ones(5,5)/25;I2=imfilter(I,h);imshow(I),title('Originalimage')figure,imshow(I2),title('Filteredimage')【例11.5.3】利用事先提供的h進(jìn)行濾波變換I=imread('moon.tif');h=fspecial('unsharp');I2=imfilter(I,h);imshow(I),title('Originalimage')figure,imshow(I2),title('Filteredimage')11.5.2FIR有限脈沖過(guò)濾器FIR（finiteinpulseresponse）為MATLAB提供的一類(lèi)特殊的過(guò)濾器，該類(lèi)過(guò)濾器的主要特點(diǎn)為：FIR過(guò)濾器易于表征為系數(shù)二維FIR過(guò)濾器是一維FIR過(guò)濾器的自然擴(kuò)展有多種成熟的FIR的過(guò)濾器設(shè)計(jì)方法FIR過(guò)濾器易于實(shí)現(xiàn)頻率變換方法在MATLAB中，頻率變換是將一維FIR變換為二維FIR過(guò)濾的一種方法，該方法的特點(diǎn)是變換為二維FIR后仍保留一維時(shí)的許多屬性。該變換的命令為ftrans2【例11.5.4】利用頻率變換生成二維過(guò)濾器b=remez(10,[00.40.61],[1100]);h=ftrans2(b);[H,w]=freqz(b,1,64,'whole');colormap(jet(64))plot(w/pi-1,fftshift(abs(H)))figure,freqz2(h,[3232])2)頻率抽樣方法頻率抽樣方法建立一個(gè)基于期望頻率響應(yīng)的過(guò)濾器，根據(jù)給定的矩陣用響應(yīng)頻率進(jìn)行變換。其命令為fsamp2。【例11.5.5】先建立一個(gè)臺(tái)形矩陣數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行頻率變換。Hd=zeros(11,11);Hd(4:8,4:8)=1;[f1,f2]=freqspace(11,'meshgrid');mesh(f1,f2,Hd),axis([-11-1101.2]),colormap(jet(64))h=fsamp2(Hd);figure,freqz2(h,[3232]),axis([-11-1101.2])11.6函數(shù)變換對(duì)圖像的函數(shù)變換指的是數(shù)學(xué)變換，包括傅立葉變換（FourierTransform），離散余弦變換（DiscreteCosineTransform，DCT），和投影變換（RandonTransform）。11.6.1傅立葉變換傅立葉變換在圖像處理中有廣泛的應(yīng)用，如圖像效果的增強(qiáng)、圖像的分析、圖像復(fù)原和壓縮等。傅立葉變換的數(shù)學(xué)定義為：設(shè)是離散變量的函數(shù)，則該函數(shù)的二維傅立葉變換定義為：其中，為頻域變量，單位是：弧度/采樣單元。稱(chēng)為的表征函數(shù)。而二維傅立葉反變換為：在MATLAB中，頻率變換是將一維FIR變換為二維FIR過(guò)濾的一種方法，該方法的特點(diǎn)是變換為二維FIR后仍保留一維時(shí)的許多屬性。該變換的命令為ftrans2【例11.6.1】對(duì)土星衛(wèi)星圖像進(jìn)行傅立葉變換并顯示變換結(jié)果I=imread('saturn.tif')B=fftshift(fft2(I));imshow(log(abs(B)),[],'notruesize'),colormap(jet(64)),colorbarsubplot(1,2,1),subimage(I)subplot(1,2,2),imshow(log(abs(B)),[],'notruesize')變換結(jié)果為：11.6.2離散余弦變換命令dct2（DiscreteCosineTransform）用于進(jìn)行圖像的二維離散余弦變換。在多數(shù)情況下，離散余弦變換dct應(yīng)用于圖像的壓縮操作中。例如對(duì)于JEPG格式圖像即采用DCT壓縮法?！纠?1.6.1】例如我們對(duì)一個(gè)攝影人圖像進(jìn)行壓縮并輸出圖像I=imread('cameraman.tif');I=im2double(I);T=dctmtx(8);B=blkproc(I,[88],'P1*x*P2',T,T');mask=[11110000111000001100000