基于Matlab的圖像增強(qiáng)方法設(shè)計(jì)報(bào)告

PAGE1中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：08050641X學(xué)院：信息商務(wù)學(xué)院專業(yè)：電子信息工程題目：基于Matlab的圖像增強(qiáng)方法設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：楊風(fēng)暴職稱:教授2011年12月24日中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2011-2012學(xué)年第一學(xué)期學(xué)院：信息商務(wù)學(xué)院專業(yè)：電子信息工程學(xué)生姓名：學(xué)號(hào)：08050641X課程設(shè)計(jì)題目：基于Matlab的圖像增強(qiáng)方法設(shè)計(jì)起迄日期：2011年12月12日～2011年12月24日課程設(shè)計(jì)地點(diǎn)：系專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，201指導(dǎo)教師：楊風(fēng)暴系主任：王浩全下達(dá)任務(wù)書日期:2011年12月12目錄1 圖像增強(qiáng)概述 11.1圖像增強(qiáng)背景及意義 11.2圖像增強(qiáng)的應(yīng)用 11.3圖像增強(qiáng)的定義 11.4圖像增強(qiáng)的分類及方法 22偽彩色增強(qiáng)簡(jiǎn)述 42.1圖像增強(qiáng)背景及意義 42.2圖像增強(qiáng)的應(yīng)用 43 源程序 54運(yùn)行結(jié)果 55方法比較 55.1對(duì)比度增強(qiáng) 55.2彩色增強(qiáng) 65.3直方圖均衡化 76 圖像增強(qiáng)小結(jié)及個(gè)人感受 77 參考文獻(xiàn) 8PAGE11 圖像增強(qiáng)概述 1.1圖像增強(qiáng)背景及意義在一般情況下，經(jīng)過(guò)圖像的傳送和轉(zhuǎn)換，如成像、復(fù)制、掃描、傳輸和顯示等，經(jīng)常會(huì)造成圖像質(zhì)量的下降，即圖像失真。在攝影時(shí)由于光照條件不足或過(guò)度，會(huì)使圖像過(guò)暗或過(guò)亮；光學(xué)系統(tǒng)的失真、相對(duì)運(yùn)動(dòng)、大氣流動(dòng)等都會(huì)使圖像模糊，傳輸過(guò)程中會(huì)引入各種類型的噪聲?？傊斎氲膱D像在視覺效果和識(shí)別方便性等方面可能存在諸多問(wèn)題，這類問(wèn)題不妨統(tǒng)稱為質(zhì)量問(wèn)題。圖像增強(qiáng)是指根據(jù)特定的需要突出圖像中的重要信息，同時(shí)減弱或去除不需要的信息。從不同的途徑獲取的圖像，通過(guò)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)處理，可以將原本模糊不清甚至根本無(wú)法分辨的原始圖像處理成清晰的富含大量有用信息的可使用圖像，有效地去除圖像中的噪聲、增強(qiáng)圖像中的邊緣或其他感興趣的區(qū)域，從而更加容易對(duì)圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量。處理后的圖像是否保持原狀已經(jīng)是無(wú)關(guān)緊要的了，不會(huì)因?yàn)榭紤]到圖像的一些理想形式而去有意識(shí)的努力重現(xiàn)圖像的真實(shí)度。圖像增強(qiáng)的目的是增強(qiáng)圖像的視覺效果，將原圖像轉(zhuǎn)換成一種更適合于人眼觀察和計(jì)算機(jī)分析處理的形式。它一般要借助人眼的視覺特性，以取得看起來(lái)較好地視覺效果，很少涉及客觀和統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。增強(qiáng)的效果通常都與具體的圖像有關(guān)系，靠人的主觀感覺加以評(píng)價(jià)。1.2圖像增強(qiáng)的應(yīng)用目前圖像增強(qiáng)處理的應(yīng)用已經(jīng)滲透到醫(yī)學(xué)診斷、航空航天、軍事偵察、指紋識(shí)別、無(wú)損探傷、衛(wèi)星圖片的處理等領(lǐng)域。如對(duì)x射線圖片、CT影像、內(nèi)窺鏡圖像進(jìn)行增強(qiáng)，使醫(yī)生更容易從中確定病變區(qū)域，從圖像細(xì)節(jié)區(qū)域中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；對(duì)不同時(shí)間拍攝的同一地區(qū)的遙感圖片進(jìn)行增強(qiáng)處理，偵查是否有敵人軍事調(diào)動(dòng)或軍事裝備及建筑出現(xiàn)；在煤礦工業(yè)電視系統(tǒng)中采用增強(qiáng)處理來(lái)提高工業(yè)電視圖像的清晰度，克服因光線不足、灰塵等原因帶來(lái)的圖像模糊、偏差等現(xiàn)象，減少電視系統(tǒng)維護(hù)的工作量。圖像增強(qiáng)技術(shù)的快速發(fā)展同它的廣泛應(yīng)用是分不開的，發(fā)展的動(dòng)力來(lái)自穩(wěn)定涌現(xiàn)的新的應(yīng)用，我們可以預(yù)料，在未來(lái)社會(huì)中圖像增強(qiáng)技術(shù)將會(huì)發(fā)揮更為重要的作用。1.3圖像增強(qiáng)的定義 為了改善視覺效果或者便于人和機(jī)器對(duì)圖像的理解和分析，根據(jù)圖像的特點(diǎn)或存在的問(wèn)題采取的簡(jiǎn)單改善方法或者加強(qiáng)特征的措施稱為圖像增強(qiáng)。一般情況下，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)削弱或去除某些不需要的信息的處理方法，也是提高圖像質(zhì)量的過(guò)程。圖像增強(qiáng)的目的是使圖像的某些特性方面更加鮮明、突出，使處理后的圖像更適合人眼視覺特性或機(jī)器分析，以便于實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的更高級(jí)的處理和分析。圖像增強(qiáng)的過(guò)程往往也是一個(gè)矛盾的過(guò)程：圖像增強(qiáng)希望既去除噪聲又增強(qiáng)邊緣。但是，增強(qiáng)邊緣的同時(shí)會(huì)同時(shí)增強(qiáng)噪聲，而濾去噪聲又會(huì)使邊緣在一定程度上模糊，因此，在圖像增強(qiáng)的時(shí)候，往往是將這兩部分進(jìn)行折中，找到一個(gè)好的代價(jià)函數(shù)達(dá)到需要的增強(qiáng)目的。傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)算法在確定轉(zhuǎn)換函數(shù)時(shí)常是基于整個(gè)圖像的統(tǒng)計(jì)量，如：ST轉(zhuǎn)換，直方圖均衡，中值濾波，微分銳化，高通濾波等等。這樣對(duì)應(yīng)于某些局部區(qū)域的細(xì)節(jié)在計(jì)算整幅圖的變換時(shí)其影響因?yàn)槠渲递^小而常常被忽略掉，從而局部區(qū)域的增強(qiáng)效果常常不夠理想，噪聲濾波和邊緣增強(qiáng)這兩者的矛盾較難得到解決。1.4 圖像增強(qiáng)的分類及方法 圖像增強(qiáng)可分成兩大類：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)行基于二維傅里葉變換的信號(hào)增強(qiáng)。采用低通濾波（即只讓低頻信號(hào)通過(guò)）法，可去掉圖中的噪聲；采用高通濾波法，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（取局部鄰域中的中間像素值）法等，它們可用于去除或減弱噪聲。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征或者抑制(掩蓋)圖像中某些不需要的特征，使圖像與視覺響應(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，處理后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，可分為基于空域的算法和基于頻域的算法兩大類?；诳沼虻乃惴ㄌ幚頃r(shí)直接對(duì)圖像灰度級(jí)做運(yùn)算基于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?；诳沼虻乃惴ǚ譃辄c(diǎn)運(yùn)算算法和鄰域去噪算法。點(diǎn)運(yùn)算算法即灰度級(jí)校正、灰度變換和直方圖修正等，目的或使圖像成像均勻，或擴(kuò)大圖像動(dòng)態(tài)范圍，擴(kuò)展對(duì)比度。鄰域增強(qiáng)算法分為圖像平滑和銳化兩種。平滑一般用于消除圖像噪聲，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。銳化的目的在于突出物體的邊緣輪廓，便于目標(biāo)識(shí)別。常用算法有梯度法、算子、高通濾波、掩模匹配法、統(tǒng)計(jì)差值法等。常用的圖像增強(qiáng)方法有（1）直方圖均衡化 有些圖像在低值灰度區(qū)間上頻率較大，使得圖像中較暗區(qū)域中的細(xì)節(jié)看不清楚。這時(shí)可以通過(guò)直方圖均衡化將圖像的灰度范圍分開，并且讓灰度頻率較小的灰度級(jí)變大，通過(guò)調(diào)整圖像灰度值的動(dòng)態(tài)范圍，自動(dòng)地增加整個(gè)圖像的對(duì)比度，使圖像具有較大的反差，細(xì)節(jié)清晰。（2）對(duì)比度增強(qiáng)法 有些圖像的對(duì)比度比較低，從而使整個(gè)圖像模糊不清。這時(shí)可以按一定的規(guī)則修改原來(lái)圖像的每一個(gè)象素的灰度，從而改變圖像灰度的動(dòng)態(tài)范圍。（3）平滑噪聲 有些圖像是通過(guò)掃描儀掃描輸入、或傳輸通道傳輸過(guò)來(lái)的。圖像中往往包含有各種各樣的噪聲。這些噪聲一般是隨機(jī)產(chǎn)生的，因此具有分布和大小不規(guī)則性的特點(diǎn)。這些噪聲的存在直接影響著后續(xù)的處理過(guò)程，使圖像失真。圖像平滑就是針對(duì)圖像噪聲的操作，其主要作用是為了消除噪聲，圖像平滑的常用方法是采用均值濾波或中值濾波，均值濾波是一種線性空間濾波，它用一個(gè)有奇數(shù)點(diǎn)的掩模在圖像上滑動(dòng)，將掩模中心對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值用掩模內(nèi)所有像素點(diǎn)灰度的平均值代替，如果規(guī)定了在取均值過(guò)程中掩模內(nèi)各像素點(diǎn)所占的權(quán)重，即各像素點(diǎn)所乘系數(shù)，這時(shí)就稱為加權(quán)均值濾波；中值濾波是一種非線性空間濾波，其與均值濾波的區(qū)別是掩模中心對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值用掩模內(nèi)所有像素點(diǎn)灰度值的中間值代替。（4）銳化 平滑噪聲時(shí)經(jīng)常會(huì)使圖像的邊緣變的模糊，針對(duì)平均和積分運(yùn)算使圖像模糊，可對(duì)其進(jìn)行反運(yùn)算采取微分算子使用模板和統(tǒng)計(jì)差值的方法，使圖像增強(qiáng)銳化。圖像邊緣與高頻分量相對(duì)應(yīng)，高通濾波器可以讓高頻分量暢通無(wú)阻，而對(duì)低頻分量則充分限制，通過(guò)高通濾波器去除低頻分量，也可以達(dá)到圖像銳化的目的。2、偽彩色增強(qiáng)簡(jiǎn)述2.1彩色增強(qiáng)概述用于增強(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)視覺效果明顯，常用于醫(yī)學(xué)、遙感圖像顯示。 真彩色圖像增強(qiáng)需要考慮彩色特征空間的選擇，同樣的運(yùn)算在不同的特征空間效果不同。2.2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，更便于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)圖像亮度范圍進(jìn)行分割，使一定亮度間隔對(duì)應(yīng)于某一類地物或幾類地物從而有利于圖像的增強(qiáng)和分類。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，然后用它們分別去控制彩色顯示器的紅、綠、藍(lán)電子槍，便可以在彩色顯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，然后對(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），最后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)。3、源程序I=imread('C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\新建文件夾\ss.JPG');I=rgb2gray(I);figure;imshow(I);title('原圖');X=grayslice(I,16);figure;imshow(X,hot(16));title('偽彩色增強(qiáng)');4、運(yùn)行結(jié)果

5、方法比較5.1對(duì)比度增強(qiáng)對(duì)比度增強(qiáng)是圖像增強(qiáng)技術(shù)中一種比較簡(jiǎn)單但又十分重要的方法。這種方法是按一定的規(guī)則修改輸入圖像每一個(gè)像素的灰度，從而改變圖像灰度的動(dòng)態(tài)范圍。它可以是灰度動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展，也可以使其壓縮，或者是對(duì)灰度進(jìn)行分段處理，根據(jù)圖像特點(diǎn)和要求在某段區(qū)間中進(jìn)行壓縮在另外區(qū)間進(jìn)行擴(kuò)展。對(duì)數(shù)變化常用來(lái)擴(kuò)展低值灰度，壓縮高值灰度，這樣可以使低值灰度的圖像細(xì)節(jié)更容易看清。從圖像對(duì)數(shù)變換前后的效果比較，可以知道，對(duì)數(shù)變換確實(shí)能夠擴(kuò)展低值灰度，而壓縮高值灰度，使低值灰度的圖像細(xì)節(jié)更容易看清。5.2彩色增強(qiáng)用于增強(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)視覺效果明顯，常用于醫(yī)學(xué)、遙感圖像顯示。偽彩色，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，更便于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)圖像亮度范圍進(jìn)行分割，使一定亮度間隔對(duì)應(yīng)于某一類地物或幾類地物從而有利于圖像的增強(qiáng)和分類。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，然后用它們分別去控制彩色顯示器的紅、綠、藍(lán)電子槍，便可以在彩色顯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，然后對(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），最后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：5.3直方圖均衡化圖像對(duì)比度增強(qiáng)的方法可以分成兩類:一類是直接對(duì)比度增強(qiáng)方法;另一類是間接對(duì)比度增強(qiáng)方法。直方圖拉伸和直方圖均衡化是兩種最常見的間接對(duì)比度增強(qiáng)方法。直方圖拉伸是通過(guò)對(duì)比度拉伸對(duì)直方圖進(jìn)行調(diào)整，從而“擴(kuò)大”前景和背景灰度的差別，以達(dá)到增強(qiáng)對(duì)比度的目的，這種方法可以利用線性或非線性的方法來(lái)實(shí)現(xiàn);直方圖均衡化則通過(guò)使用累積函數(shù)對(duì)灰度值進(jìn)行“調(diào)整”以實(shí)現(xiàn)對(duì)比度的增強(qiáng)。直方圖均衡化處理的“中心思想”是把原始圖像的灰度直方圖從比較集中的某個(gè)灰度區(qū)間變成在全部灰度范圍內(nèi)的均勻分布。直方圖均衡化就是對(duì)圖像進(jìn)行非線性拉伸，重新分配圖像像素值，使一定灰度范圍內(nèi)的像素?cái)?shù)量大致相同。直方圖均衡化就是把給定圖像的直方圖分布改變成“均勻”分布直方圖分布。缺點(diǎn)：1）變換后圖像的灰度級(jí)減少，某些細(xì)節(jié)消失；2）某些圖像，如直方圖有高峰，經(jīng)處理后對(duì)比度不自然的過(guò)分增強(qiáng)。直方圖均衡化是圖像處理領(lǐng)域中利用圖像直方圖對(duì)對(duì)比度進(jìn)行調(diào)整的方法。這種方法通常用來(lái)增加許多圖像的局部對(duì)比度，尤其是當(dāng)圖像的有用數(shù)據(jù)的對(duì)比度相當(dāng)接近的時(shí)候。通過(guò)這種方法，亮度可以更好地在直方圖上分布。這樣就可以用于增強(qiáng)局部的對(duì)比度而不影響整體的對(duì)比度，直方圖均衡化通過(guò)有效地?cái)U(kuò)展常用的亮度來(lái)實(shí)現(xiàn)這種功能。6、圖像增強(qiáng)小結(jié)及個(gè)人感受增強(qiáng)圖象中的有用信息，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)某些感興趣的特征，擴(kuò)大圖像中不同物體特征之間的差別，抑制不感興趣的特征，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，滿足某些特殊分析的需要。圖像增強(qiáng)可分成兩大類：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)行基于二維傅里葉變換的信號(hào)增強(qiáng)