数字图像处理与MATLAB实现

MATLAB数字图像处理

1 概述

BW=dither(I)灰度转成二值图；

X=dither(RGB,map)RGB转成灰度图，用户需要提供一个Colormap；

[X,map]=gray2ind(I,n)灰度到索引；

[X,map]=gray2ind(BW,n)二值图到索引，map可由gray(n)产生。灰度图n默认64，二值图默认2；

X=graylice(I,n)灰度图到索引图，门限1/n,2/n,…,(n-1)/n，X=graylice(I,v)给定门限向量v；

BW=im2bw(I,level)灰度图I到二值图；

BW=im2bw(X,map,level)索引图X到二值图；level是阈值门限，超过像素为1，其余置0，level在[0,1]之间。

BW=im2bw(RGB,level)RGB到二值图；

I=ind2gray(X,map)索引图到灰度图；

RGB=ind2rgb(X,map)索引图到RGB；

I=rgb2gray(RGB)RGB到灰度图。

2 图像运算

2.1 图像的读写

MATLAB支持的图像格式有bmp,gif,ico,jpg,png,cur，pcx,xwd和tif。

读取（imread）：

[1] A=imread(filename,fmt)

[2] [X,map]=imread(filename,fmt)

[3] […]=imread(filename)

[4] […]=imread(URL,…)

说明：filename是图像文件名，如果不在搜索路径下应是图像的全路径，fmt是图像文件扩展名字符串。前者可读入二值图、灰度图、彩图(主要是RGB)；第二个读入索引图，map为索引图对应的Colormap,即其相关联的颜色映射表，若不是索引图则map为空。URL表示引自Internet URL中的图像。

写入（imwrite）：

[1] R=imwrite(A,filename,fmt);

[2] R=imwrite(X,map,filename,fmt);

[3] R=imwrite(…,filename);

[4] R=imwrite(…,Param1,Val1,Param2,Val2)

说明：针对第四个，该语句用于指定HDF,JPEG,PBM,PGM,PNG,PPM,TIFF等类型输出文件的不同参数。例如HDF的Quality,Compression,WriteMode;JPEG的BitDepth，Comment:Empty or not，Mode:lossy or lossless，Quality等。

2.2 图像的显示

方法1：使用Image Viewer(图像浏览器)，即运用imview函数。

同时显示多帧图像的所有帧，可用到montage 函数。

改变显示大小：imview （X,map,’IntialMagnificatition ’,’fit ’）, IntialMagnificatition 默认值为100，即100%显示，设置为fit 则全屏显示。

关闭：imview close all 。

Image Viewer 还提供了三个工具：全景查看窗口(导航功能)、像素区域工具、图像信息窗口。

方法2：使用图形图像视窗，即运用imshow 函数。 调用truesize 函数来设定图像到屏幕像点的映射关系。 可以运用getimage 函数来将当前显示的图像赋值给一个变量。 调用格式：

[1] imshow(I,n);\\n 为灰度级

[2] imshow(I,[low,high]);\\指定I 的数据围

[3] imshow(BW);\\显示二值图像BW ，0为黑色，1为白色 [4] imshow(X,map);\\索引图像 [5] imshow(RGB);

[6] imshow(…,display_option);\\显示图像的方式，选择‘notruesize ’或者‘turesize ’ [7] imshow(x,y,A,…);\\x,y 建立非默认的空间坐标系统 [8] imshow filename;

[9] h=imshow(…)\\h 表示被显示图像的句柄

2.3 图像的代数运算

[1] 相加（imadd ）： Z=imadd(X,Y)\\存为8位；

Z=imadd(X,Y,’uint 16’)\\存为16位。 [2] 求补（imcomplement ）： IM2=imcomplement(IM1)。 [3] 减法（imsubtract 或者imabsdiff ）： Z=imsubtract(X,Y)\\差值结果小于0的赋值为0； Z=imabsdiff(X,Y)\\ 差值结果取绝对值。 [4] 乘法（immultiply ）： Z=immultiply(X,Y)。 [5] 除法（imdivide ）： Z=imdivide(X,Y)。

2.4 点运算

灰度变换函数GST ：B(x,y)=f[A(x,y)]。其中有：

[1]线性点运算B ()f A A αβ==+； [2]非线性点运算； [3]直方图修正。

2.5 图像的集合运算

改变大小imresize ：Y=imresize(X,M,method)，其中M 为放大的倍数，method 有

如下几种插值方式nearest，bilinear，bicubic。也可以规定输出图像大小，[heng,zong]。

图像旋转imrotate：Y=imrotate(X,angle,method,’crop’)，angle表示逆时针旋转，method同imresize的用法，crop表示将旋转以后的图像取与原图像大小相同的中心部分取出。

比例缩放imresize：同改变大小。

空间变换imtransform：B=imtransform(A,TFORM,param1,val1,param2,val2),其中TFORM为makeform或者cp2tform产生的结果。如

findounds，makereample，tformarray，imtransform等。

2.6 图像的领域和块操作

领域操作分为滑动领域和分离领域两类。滑动领域函数nlfilter，用法如下：

[1] B=nlfilter(A,[m n],fun)\\[m n]表示滑动领域m*n，fun为图像领域上的处理函数；

[2] B=nlfilter(A,[m n],fun,P1,P2,…)\\可以传递参数P1,P2,…给函数fun；

[3] B=nlfilter(A,’indexed’)\\把图像作为索引色图像处理，double填补1，uint8补0。

而且fun可以是一个函数句柄或是一个联函数，返回类型由fun决定。但是nlfilter 处理时可能需要很长时间，这时可是考虑使用快速处理函数colfilt。用法类似，多一个参数bldck_tpye，表示块的移动方式，有distinc t和sliding两个取值，前者表示分离块操作，后者表示滑动块操作。而且有[mblock nblock]表示图像块的大小。

分离块操作是将图像划分为大小相同的矩形区域，不同图像块在图像中无重叠排列，其顺序从左上角开始，不足的地方可以在右下角补0。函数为blkproe，调用格式和nlfilter 类似。

2.7 几何畸形校正和图像配准

用到函数imtransform。

3 MATLAB二维与三维图形绘制及动画

3.1 基本绘图命令

3.2 绘图选项

常用的绘图选项：

线形：- -. -- ：

颜色：r g b c m y k w

点标记：+ o * . x s d h p > < ^ v

坐标轴标注：axis([xmin xmax,ymin ymax])，axis auto/square/xy/ij/normal/off/on等用法。

图形窗口保持：hold on…hold off。

给坐标加边框：box on…box off。

图形缩放：zoom on…zoom out…zoom off。

快速绘图：fplot(‘fun’,[ xmin xmax,ymin ymax])。

打印：print[filename][-device][-options],其中device决定打印机的类型。

3.3 特殊坐标二维图形

数，也可缺省，如fun1可以是plot等等。Plot(z)绘制复数z的实部与虚部的图形。

3.4 二维图形处理

图形标注：title，xlabel，ylabel，zlabel，text，gtext，legend。

图形窗口的分割：subplot(m,n,p)。

坐标系设定：axes，也可事后用gca(get current axes)获得当前坐标系的句柄。通过get和set函数获取和设置坐标轴对象的有关属性值。用法如：

属性值=get(句柄，属性)或者set(句柄，属性1，属性值1，属性2，属性值2，…)。

3.5 三维图形的绘制

说明：

[1]改变网格属性：set(axes_handle,’XGrid’,’on’)grid函数显示网格。

[2]网格图中用到函数hidden on和hidden off来显示或者不显示被遮住部分。

[3]waterfall函数在x轴方向产生水流效果。

[4]meshgrid函数产生一个x-y平面的网格，如：[x,y]=meshgrid(-3:0.1:3,-2:0.1:2)。

[5]绘制球面的函数是sphere，如：sphere(n)或者[x,y,z]= sphere(n)。也可以是函数cylinder，用法：cylinder(R,n)或者[x,y,z]= cylinder(R,n)。n为面数，R为一函数。

[6]colorbar命令的作用是在三维曲面图旁边绘制一个可以指示亮度的彩色条。

[9]quiver函数在等值线图上画出方向或速度箭头：quiver(X,Y,DX,DY)。求导：gradient。

[10]fill3用法类似于fill，对三维图形进行填充。

[11]clabel函数：添加等高线。

[12]bar和bar3参数说明：group同一行数据的方条靠一起，stack画在一个方条上。

[13]饼形图pie和pie3：参数explode指定某些片是否和整个图脱开，与x的维数相同的向量，其中非0的那一片脱离整体。加上标注如{属性1，属性2，…}。

[14]火柴杆图和瀑布图：stem，stem3和waterfall。

3.6 三维图形的控制

视角view：仰角(与z轴的夹角)el和方位角(与x轴的夹角)az，即view(az,el)。

控制光照light：参数有color，style（infinit和local）和position。函数lightangle 添加光照，并指定其方位角和仰角，可是使用函数shading增强表面。

3.7 动画

增量变化，需要用到对象的EraseMode属性。

4 MATLAB图像增强

4.1 原理、方法及体系结构

三个阶段：图像预处理、特征抽取阶段、识别分析阶段。

目的：改善图像的视觉效果，提高图像成分的清晰度；是图像变得有利于计算机处理。

方法：空间域增强方法、频域增强方法。

体系：

图像增强：空间域、频率域、彩色增强

空间域：像素点处理（图像灰度变换、直方图修正（中值滤波、均值滤波））、领域处理（图像平滑滤波、图像锐化滤波）

频率域：低通滤波、高通滤波、同态滤波

彩色处理：真彩色处理、伪彩色处理（灰度分层法、灰度变换法、频域伪彩色）

4.2 对比度增强

线性变换：(,)[(,)]N n

g x y f x y m n M m

-=

-+-。其中功能是把函数的灰度值(,)f x y 从

围[m,M]变为[n,N]。 非线性变换：分为对数变换和Gamma 变换。前者表达式为

(,)log[(,)1]g x y c f x y =+，其中c 为常数。后者表达式为r f cr =，r 为CCD 图像传感器或胶片等的入射光的强度，为常数，灰度与光强成正比，则有1

()r f g kr k c

==，k 为常

数通常为1，1/r 取0.4~0.8。 我们可以用一个函数imadjust 函数来实现： J=imadjust(I)；

J=imadjust(I,[low_in;high_in],[low_out;high_out]);

J=imadjust(I,[low_in;high_in],[low_out;high_out],gamma)。 其中灰度围用归一化灰度值，围[0,1]。整个图像的[low_in;high_in]可以用函数stretch 函数来获得。 MATLAB image toolbox5.4还提供一个手动调节的控制面板，调用函数imconstrast 。

4.3 空域变换增强

分为基于像素点和基于模板的两类方法。 像素选择：pixval 和impixel 。用法如下： Pixval(‘on/off ’)；pixval ；pixval(fig,option); [C,R,P]=impixel(X,MAP)。 说明：MAP 仅仅当是索引图的时候采用此参数。C 为像素的颜色，R,P 为像素的坐标。Pixval 可以得到更多的像素信息，impixel 可以返回指定像素的颜色值。 强度描述图：improfile ，用以描述图像一条线段或多条线段的强度值。格式：C=improfille(I,xi,yi)。参数xi ，yi 是两个向量，用以指定线段的端点。 图像轮廓图：imcontrour ，自动设置坐标轴，使输出图像在其方向和纵轴比上能够与显示的图像吻合。

直方图匹配

1

1

{}()c

c

R n

n F m m P g

b H m ====∑∑。从而可以得到直方图均衡化的公式如下：

max min min ()()f g g g p f g =-+。在MATLAB 中提供函数histep 来实现。用法histep(I,n)。

4.4 图像锐化

边界撮合锐化：边界提取函数edge ，以及fspecial （建预定义的二维过滤器），再者函

数imfilter （N-D 过滤的多维影像）。 锐化滤波器：分为拉普拉斯（Laplacian ）算子和Wallis 算子。 拉普拉斯算子具有各向同性和平移不变性，有时称为边界提取算子。其卷积模板为：

四领域0

01400ααααα-????-+-????-?? 八领域12α

αααααααα---??

??-+-????---??

规定α的大小后，可设置卷积模板为向量h ，并用函数imfilter （I,h ）即可。

Wallis 算子是一种改进的Laplacian 算子，有如下公式：

(,)[(1)(,)][(,)(,)]

(,)d

d d

A g i j am f i j f i j f i j A i j σασσ=+-+-+

式中：(,)f i j 是原始图像，它的局部均值和局部标准偏差分别为(,)f i j 和(,)i j σ，

d m 和d σ表示设计的平均值和标准偏差，A 为增益系数，α是控制增强图像中边缘和背景组成的比例常数，(,)g i j 为增强后的图像。

空间域图像锐化：空域高通滤波法、梯度法图像锐化、利用Sobel 算子对图像滤波、

利用拉普拉斯算子对模糊图像进行增强。 梯度法的5种方法如下： 【1】(,)([(,)])(,)g i j G f i j f i j ==?； 【2】|[(,)]||[(,)]|(,)(,)

G f i j G f i j T

g i j f i j ≥?=?

?其他；

【3】L |[(,)]|(,)(,)G

G f i j T g i j f i j ≥?=??

其他，L G 为固定灰度代替【2】中小于阈值T 时仍选

用原图像的像素点值； 【4】|[(,)]||[(,)]|(,)B

G f i j G f i j T

g i j L ≥?=?

?其他；

【5】|[(,)]|(,)G B

L G f i j T

g i j L ≥?=??其他。

频率域图像锐化：傅里叶变换等等。

4.5 图像伪色彩增强

图像伪色彩是指将黑白图像转化为彩色图像，或者是将单色图像变换成给定彩色分布的

图像。可以利用不同色彩变现不同灰度，还可以表示不同的频率成分。 彩色增强分为：假彩色增强(将一幅彩色图像映射为另一幅彩色图像)、伪彩色增强(将一幅黑白图像不同灰度级映射为一幅彩色)。 伪彩色处理的三种方法：灰度分层法(grayslice )、灰度变换法(对比度调整函数imadjust )、频域伪彩色处理(先做IFFT ，再做进一步处理，最后将它们作为三基色分量分