【正文】 處理已經(jīng)成為可能，由于數(shù)字圖像處理的各種算法的出現(xiàn)，使得其處理速度越來(lái)越快，能更好的為人們服務(wù)。數(shù)字圖像處理是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)采用一定的算法對(duì)圖形圖像進(jìn)行處理的技術(shù)。數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域上都有了比較廣泛的應(yīng)用。圖像處理的信息量很大，對(duì)處理速度的要求也比較高。 MATLAB 強(qiáng)大的運(yùn)算和圖形展示功能，使圖像處理變得更加的簡(jiǎn)單和直觀。本文介紹了 MATLAB 語(yǔ)言的特點(diǎn) ,基于 MATLAB 的數(shù)字圖像處理環(huán)境，介紹了如何利用MATLAB 及其圖像處理工具箱進(jìn)行數(shù)字圖像處理，并通過(guò)一些例子來(lái)說(shuō)明利用 MATLAB 圖像處理工具箱進(jìn)行圖像處理的方法。主要論述了利用 MATLAB 實(shí)現(xiàn)圖像編碼等圖像處理。 關(guān)鍵詞： MATLAB；數(shù)字圖像處理；圖像統(tǒng)計(jì)編碼；霍夫曼編碼 1 MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 概述 MATLAB 是 MATrix LABoratory（“矩陣實(shí)驗(yàn)室”）的縮寫(xiě)，是由美國(guó)MathWorks 公司開(kāi)發(fā)的集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算和圖形可視化三大基本功能于一體的，功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單的語(yǔ)言。是國(guó)際公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一。 MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué) ,工程中常用的形式十分相似 ,故用 MATLAB 來(lái)解算問(wèn)題要比用 C,FORTRAN 等語(yǔ)言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多。 MATLAB 包括擁有數(shù)百個(gè)內(nèi)部函數(shù)的主包和三十幾種工具包 (Toolbox).工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包 .功能工具包用來(lái)擴(kuò)充 MATLAB 的符號(hào)計(jì)算 ,可視化建模仿真 ,文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能 .學(xué)科工具包是專(zhuān)業(yè)性比較強(qiáng)的工具包 ,控制工具包 ,信號(hào)處理工具包 ,通信工具包等都屬于此類(lèi) . 第 2 頁(yè) 共 19 頁(yè) 開(kāi)放性使 MATLAB 廣受用戶(hù)歡迎 .除內(nèi)部函數(shù)外 ,所有 MATLAB 主 包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件 ,用戶(hù)通過(guò)對(duì)源程序的修改或加入自己編寫(xiě)程序構(gòu)造新的專(zhuān)用工具包 . MATLAB 在數(shù)字圖像處理中的應(yīng)用 圖像處理工具包是由一系列支持圖像處理操作的函數(shù)組成的。所支持的圖像處理操作有 :圖像的幾何操作、鄰域和區(qū)域操作、圖像變換、圖像恢復(fù)與增強(qiáng)、線(xiàn)性濾波和濾波器設(shè)計(jì)、變換 (DCT 變換等 ) 、圖像分析和統(tǒng)計(jì)、二值圖像操作等。下面就 MATLAB 在圖像處理中各方面的應(yīng)用分別進(jìn)行介紹。 （ 1） 圖像文件格式的讀寫(xiě)和顯示。 MATLAB 提供了圖像文件讀入函數(shù) imread()， 用來(lái)讀取如 :bmp、 tif、 tiffpcx 、 jpg 、 gpeg 、 hdf、 xwd 等格式圖像文；圖像寫(xiě)出函數(shù) imwrite() ，還有圖像顯示函數(shù) image()、 imshow()等等。 （ 2） 圖像處理的基本運(yùn)算。 MATLAB 提供了圖像的和、差等線(xiàn)性運(yùn)算 ，以及卷積、相關(guān)、濾波等非線(xiàn)性算。例如， conv2(I， J)實(shí)現(xiàn)了 I， J 兩幅圖像的卷積。 （ 3） 圖像變換。 MATLAB 提供了一維和二維離散傅立葉變換 (DFT) 、快速傅立葉變換 (FFT) 、離散余弦變換 (DCT) 及其反變換函數(shù)，以及連續(xù)小波 變換(CWT)、離散小波變換 (DWT)及其反變換。 （ 4） 圖像的分析和增強(qiáng)。針對(duì)圖像的統(tǒng)計(jì)計(jì)算 MATLAB 提供了校正、直方圖均衡、中值濾波、對(duì)比度調(diào)整、自適應(yīng)濾波等對(duì)圖像進(jìn)行的處理。 （ 5） 圖像的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理。針對(duì)二值圖像， MATLAB 提供了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算函數(shù)；腐蝕 (Erode)、膨脹 (Dilate)算子，以及在此基礎(chǔ)上的開(kāi) (Open)、閉 (Close)算子、厚化 (Thicken) 、薄化 (Thin) 算子等豐富的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算。 以上所提到的 MATLAB在圖像中的應(yīng)用都是由相應(yīng)的 MATLAB函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 第 3 頁(yè) 共 19 頁(yè) 使用時(shí)，只需按照函數(shù)的調(diào)用語(yǔ)法正確輸入?yún)?shù)即可。具體的用法可參考 MATLAB豐富的幫助文檔。圖像邊緣對(duì)圖像識(shí)別和計(jì)算機(jī)分析十分有用，在 MATLAB 中，函數(shù) edge()用于灰度圖像邊緣的提取，它支持六種不同的邊緣提取方法，即Sobel 方法、 Prewitt 方法、 Robert 方法， Laplacian2Gaussian 方法、過(guò)零點(diǎn)方法和 Canny 方法。 2 數(shù)字圖像處理 概述 圖像處理就是對(duì)圖像信息進(jìn)行加工處理，以滿(mǎn)足人得視覺(jué)心理和實(shí)際應(yīng)用的需求。圖像處理可以應(yīng)用光學(xué)方法、電子學(xué)方法， 從 60 年代開(kāi)始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字圖像處理獲得了飛躍的發(fā)展。所謂數(shù)字圖像處理，就是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)或其他高速、大規(guī)模集成數(shù)字硬件，對(duì)從圖像信息轉(zhuǎn)換來(lái)的數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行某些數(shù)字運(yùn)算或處理，一起提高圖像質(zhì)量或達(dá)到人們要求的某些與預(yù)期的結(jié)果。如對(duì)被噪聲污染的圖像去除噪聲；對(duì)信息微弱的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理；對(duì)失真的圖像進(jìn)行幾何校正；從遙感圖片中辨別農(nóng)作物、森林、琥珀和軍用設(shè)施等等。應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理圖像精度高，改變軟件即可變換處理方法，靈活方便。但由于計(jì)算機(jī)是順序處理技術(shù)，因此對(duì)信息量較大的圖像，運(yùn)算處理速度不如光學(xué)方 法快。 圖像統(tǒng)計(jì)編碼 統(tǒng)計(jì)編碼又稱(chēng)熵編碼，他建立在圖像統(tǒng)計(jì)特征基礎(chǔ)之上的數(shù)據(jù)壓縮方法。根據(jù)香農(nóng)的觀點(diǎn)，信息冗余來(lái)自信息源數(shù)據(jù)本身的相關(guān)性和信源內(nèi)事件的概率分布不均，只要找到去除相關(guān)性和改變概率分布不均的方法，也就找到了信源數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)編碼方法。 熵編碼即編碼過(guò)程中按熵原理不丟失任何信息的編碼。信息熵為信源的平均信息量（不確定性的度量）。常見(jiàn)的熵編碼有： LZW 編碼、香農(nóng) (Shannon)編碼、霍夫曼 (Huffman)編碼和 算術(shù)編碼 (arithmetic coding)。 霍夫曼編碼 第 4 頁(yè) 共 19 頁(yè) 霍弗曼編碼完全依據(jù)信源字符出現(xiàn)的概率來(lái)構(gòu)造其碼字，對(duì)出現(xiàn)概率大的字符使用較短的碼字，面對(duì)出現(xiàn)概率低的字符使用較長(zhǎng)的碼字，從而達(dá)到壓縮數(shù)據(jù)的目的?；舴蚵幋a有時(shí)有稱(chēng)為最佳編碼（一般直接稱(chēng)為霍夫曼編碼），最初主要用于文本文件壓縮?；舴蚵幋a是一種變長(zhǎng)編碼（ VLC），同時(shí)也是一種無(wú)失真編碼。在具有相同信源概 率分布的前提下，他的平均碼字長(zhǎng)度比其他任何一種有效編碼方法都短。 霍夫曼編碼算法 霍夫曼編碼是以信源字符的概率分布為基礎(chǔ)的，若理論上并不知道信源字符的概率分布，那么可以根據(jù)對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)所得到的統(tǒng)計(jì)分布來(lái)近似代替。以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)代替實(shí)際概率分布，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用時(shí)霍夫曼編碼無(wú)法達(dá)到最佳編碼效果，應(yīng)用中可以根據(jù)輸入數(shù)據(jù)序列自適應(yīng)的匹配信源概率分布的方法，這樣能在一定程度上能改進(jìn)霍夫曼編碼的性能。 香農(nóng)編碼也是一種典型的可變字長(zhǎng)編碼。與霍夫曼編碼相似，當(dāng)信源符號(hào)出現(xiàn)的概率正好為 2 的負(fù)冪次方時(shí)，香農(nóng)編 碼的編碼效率可以達(dá)到 100% 從理論上分析，采用霍夫曼編碼可以獲得最佳信源字符編碼效果，但實(shí)際應(yīng)用中，由于信源字符出現(xiàn)的概率并非滿(mǎn)足 2 的負(fù)冪次方，因此往往無(wú)法達(dá)到理論上的編碼效率和信息壓縮比。為了提高編碼效率， Elias 等人提出了算術(shù)編碼算法。算術(shù)編碼是信息保持型編碼，他不像霍夫曼碼，無(wú)需為一個(gè)符號(hào)設(shè)定一個(gè)碼字。算術(shù)編碼可以分為固定方式編碼和自適應(yīng)方式編碼兩種。選擇不同的編碼方式，將直接影響到編碼效率。自適應(yīng)算術(shù)編碼的方式，無(wú)需先定義概率模型，適合于無(wú)法知道信源字符概率分布的情況。這也是算術(shù)編碼優(yōu)于霍夫曼編 碼的地方之一。同時(shí)，當(dāng)信源字符出現(xiàn)的概率比較接近時(shí)，算術(shù)編碼效率高于霍夫曼編碼的效率，在圖像通信中常用它來(lái)取代霍夫曼編碼。不足之處是實(shí)現(xiàn)算術(shù)編碼算法的硬件比霍夫曼編碼復(fù)雜。 第 5 頁(yè) 共 19 頁(yè) 3 圖像統(tǒng)計(jì)編碼程序設(shè)計(jì) 總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)運(yùn)行的環(huán)境 Windows XP、 功能模塊的劃分 ① Huffman 編碼中： 主程序調(diào)用 huffencode 函數(shù)對(duì)輸入矩陣 vector 進(jìn)行 Huffman 編碼，返回編碼后的向量（壓縮后數(shù)據(jù)）及相關(guān)信息； 再調(diào)用 huffdecode 函數(shù)對(duì)輸入矩陣 vector 進(jìn)行 Huffman 解碼，返回解壓后的圖像數(shù)據(jù)； 調(diào)用 addnode 函數(shù)添加節(jié)點(diǎn)； 調(diào)用 frequency 函數(shù)計(jì)算各符號(hào)出現(xiàn)的概率； 調(diào)用 decode 函數(shù)返回碼字對(duì)應(yīng)的符號(hào)。 Huffman 編碼的步驟： l）將信號(hào)源的符號(hào)按照出現(xiàn)概率遞減的順序排列。 2）將兩個(gè)最小出現(xiàn)概率進(jìn)行合并相加，得到的結(jié)果作為新符號(hào)的出現(xiàn)概率。 3）重復(fù)進(jìn)行步驟 1 和 2 直到概率相加的結(jié)果等于 1 為止。