【正文】 本文主要研究圖像處理技術(shù)在不可控環(huán)境下的應(yīng)用，并利用MATLAB軟件開發(fā)一個(gè)簡單的針對(duì)學(xué)習(xí)和研究的“數(shù)字圖像處理系統(tǒng)”，為初學(xué)者提供一個(gè)圖像處理技術(shù)的算法演示及模擬開發(fā)的圖形用戶界面平臺(tái),供大家學(xué)習(xí)并研究圖像處理的技術(shù)方法。 本文的主要內(nèi)容如下：1．研究圖像處理技術(shù)，包括圖像處理技術(shù)的分類、數(shù)字圖像處理的特點(diǎn)、主要內(nèi)容以及在不可控環(huán)境下的應(yīng)用。2．分析MATLAB軟件及其在圖像處理與分析中的作用。3．完成系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，各功能模塊設(shè)計(jì)。由于篇幅的原因，本文只對(duì)圖像增強(qiáng)部分的原理算法進(jìn)行了分析（最后在附錄部分給出所有模塊的程序代碼）。利用MATLAB軟件完成了算法的實(shí)現(xiàn)，最后通過實(shí)例說明處理效果。4．設(shè)計(jì)友好的、易于操作的圖形用戶界面，方便用戶對(duì)結(jié)果的觀察以及對(duì)已有算法的比較研究和新算法的開發(fā)。5．通過圖像處理與分析系統(tǒng)的各個(gè)模塊，對(duì)一個(gè)簡單的實(shí)例進(jìn)行分析，來說明在不可控環(huán)境下圖像處理和分析的應(yīng)用。第二章 數(shù)字圖像處理技術(shù)及MATLAB軟件簡介167。 圖像處理技術(shù)基本可以分成兩大類：模擬圖像處理(Analog Image Processing)和數(shù)字圖像處理(Digital Image Processing)，數(shù)字圖像處理是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理的過程。數(shù)字圖像處理技術(shù)主要包括如下內(nèi)容：幾何處理(Geometrical Processing)、算術(shù)處理(Arithmetic processing)、圖像增強(qiáng)(Image Enhancement)、圖像復(fù)原(Image Restoration)、圖像重建(Image Reconstruction)、圖像編碼(Image Encoding)、圖像識(shí)別(Image Recognition)、圖像理解(Image Understanding)。數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展涉及信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)以及生物學(xué)等學(xué)科，因此數(shù)理及相關(guān)的邊緣學(xué)科對(duì)圖像處理科學(xué)的發(fā)展有越來越大的影響。近年來，數(shù)字圖像處理技術(shù)日趨成熟，它廣泛應(yīng)用于航空，軍事，基礎(chǔ)科學(xué)、工業(yè)檢測、人工智能以及生物醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域，并促使這些學(xué)科產(chǎn)生了新的發(fā)展。167。1．?dāng)?shù)字圖像處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（1）再現(xiàn)性好數(shù)字圖像處理與模擬圖像處理的根本不同在于，它不會(huì)因圖像的存儲(chǔ)、傳輸或復(fù)制等一系列變換操作而導(dǎo)致圖像質(zhì)量的退化。只要圖像在數(shù)字化時(shí)準(zhǔn)確地表現(xiàn)了原稿，則數(shù)字圖像處理過程始終能保持圖像的真實(shí)再現(xiàn)。（2）處理精度高按目前的技術(shù)，幾乎可將一幅模擬圖像數(shù)字化為任意大小的二維數(shù)組，這主要取決于圖像數(shù)字化設(shè)備的能力?，F(xiàn)代掃描儀可以把每個(gè)像素的灰度等級(jí)量化為16位甚至更高，這意味著圖像的數(shù)字化精度可以滿足任一應(yīng)用需求。從原理上講不論圖像的精度有多高，處理總是能實(shí)現(xiàn)的，只要在處理時(shí)改變程序中的數(shù)組參數(shù)就可以了。（3）適用面寬 圖像可以來自多種信息源。從圖像反映的客觀實(shí)體尺度看，可以小到電子顯微鏡圖像，大到航空照片、遙感圖像甚至天文望遠(yuǎn)鏡圖像。這些來自不同信息源的圖像只要被變換為數(shù)字編碼形式后，均是用二維數(shù)組表示的灰度圖像組合而成，因而均可用計(jì)算機(jī)來處理。（4）靈活性高 由于圖像的光學(xué)處理從原理上講只能進(jìn)行線性運(yùn)算，極大地限制了光學(xué)圖像處理能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，而數(shù)字圖像處理不僅能完成線性運(yùn)算，且能實(shí)現(xiàn)非線性處理，即凡是可以用數(shù)學(xué)公式或邏輯關(guān)系來表達(dá)的一切運(yùn)算均可用數(shù)字圖像處理實(shí)現(xiàn)。（5）信息壓縮的潛力大 數(shù)字圖像中各個(gè)像素是不獨(dú)立的，其相關(guān)性大。在圖像畫面上，經(jīng)常有很多像素有相同或接近的灰度。就電視畫面而言，同一行中相鄰兩個(gè)像素或相鄰兩行間的像素，而相鄰兩幀之間的相關(guān)性比幀內(nèi)相關(guān)性一般說還要大些。因此，圖像處理中信息壓縮的潛力很大。2．?dāng)?shù)字圖像處理技術(shù)發(fā)展的瓶頸（1）處理信息量過大 目前，數(shù)字圖像處理的信息大多是二維信息，處理信息量很大。如一幅256256低分辨率黑白圖像，要求約64k的數(shù)據(jù)量；對(duì)高分辨率彩色512512圖像，則要求768k的數(shù)據(jù)量；如果要處理30幀/秒的電視圖像序列，則每秒要求500k～。因此對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度、存儲(chǔ)容量等要求較高。（2）數(shù)字圖像處理占用的頻帶較寬 與音頻信息相比，占用的頻帶要大n個(gè)數(shù)量級(jí)。，而語音帶寬僅為4kHz左右。所以在成像、傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示等各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)上，技術(shù)難度較大，成本高。（3）復(fù)現(xiàn)三維景物的能力差 由于圖像是三維景物的二維投影，一幅圖像本身不具備復(fù)現(xiàn)三維景物的全部幾何信息的能力，三維景物背后部分信息在二維圖像畫面上是反映不出來的。因此，要分析和理解三維景物必須作合適的假定或附加新的測量。在理解三維景物時(shí)需要知識(shí)導(dǎo)引，這也是人工智能中正在致力解決的知識(shí)工程問題。（4）人為因素影響大 數(shù)字圖像處理后的圖像一般是給人觀察和評(píng)價(jià)的，因此受人的因素影響較大。3．圖像處理技術(shù)的發(fā)展方向 圖像處理技術(shù)未來的發(fā)展方向大致可以分為以下4個(gè)方面:（1）高分辨率、朝高速、多媒體、立體化、標(biāo)準(zhǔn)化和智能化方向發(fā)展。具體表現(xiàn)為:①提高分辨率。主要是提高顯示分辨率和采集分辨率，其最大的困難是圖形圖像的刷新存取速度與顯像管的制造；②提高硬件的速度。主要提高計(jì)算機(jī)的處理速度，并且D/A和A/D的速度也要實(shí)時(shí)化；③多媒體化。其涉及到得關(guān)鍵技術(shù)就是圖像數(shù)據(jù)的壓縮，現(xiàn)今，數(shù)據(jù)壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)有許多個(gè)，而且均在發(fā)展，其將朝著處理信息和人類接收最自然的方向發(fā)展；④立體化。圖像一般是二維信息，而信息量要大很多的三維圖像則將隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展將得到越來越廣泛的應(yīng)用；⑤標(biāo)準(zhǔn)化。從整體上看，目前圖像處理技術(shù)還沒有統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)。⑥智能化。盡量使得計(jì)算機(jī)的理解和識(shí)別可以按照人的認(rèn)識(shí)與思維方式進(jìn)行工作，可以考慮到非邏輯思維和主觀概率。（2）圖形與圖像相結(jié)合，朝著多維成像的方向發(fā)展。（3）硬件芯片的研究，把圖像處理的許多功能固化在一塊芯片上，使之應(yīng)用更方便。（4）新算法與新理論的研究。近年來，在圖像處理領(lǐng)域提出了一些新的理論與新的法，如分形幾何、小波分析、遺傳算法、形態(tài)學(xué)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等，其中，分形幾何被廣泛應(yīng)用于圖形處理、圖像處理、紋理分析，同時(shí)還被廣泛用于數(shù)學(xué)、物理、神經(jīng)、生物和音樂等多方面。167。1．幾何處理幾何處理主要包括坐標(biāo)變換，圖像的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，多個(gè)圖像配準(zhǔn)，全景畸變校正，扭曲校正，周長、面積、體積計(jì)算等。2．算數(shù)處理 算數(shù)圖像處理主要對(duì)圖像施以加、減、乘、除等運(yùn)算。3．圖像變換 由于圖像陣列很大，直接在空間域中進(jìn)行處理，涉及計(jì)算量很大。因此，往往采用各種圖像變換的方法，將空間域的處理轉(zhuǎn)換為變換域處理，不僅可減少計(jì)算量，而且可獲得更有效的處理。4．圖像增強(qiáng) 圖像增強(qiáng)處理主要是突出圖像中感興趣的信息，而減弱或去除不需要的信息，從而使有用的信息得到加強(qiáng)，便于區(qū)分或解釋。主要方法有直方圖增強(qiáng)、偽彩色增強(qiáng)法、灰度窗口等技術(shù)。5．圖像復(fù)原 圖像復(fù)原的主要目的是去除干擾、模糊和圖像畸變，恢復(fù)圖像的本來面目。典型的去噪操作就屬于復(fù)原處理。圖像噪聲包括隨機(jī)噪聲和相干噪聲，隨機(jī)噪聲干擾表現(xiàn)為麻點(diǎn)干擾，相干噪聲表現(xiàn)為網(wǎng)文干擾。去模糊也是復(fù)原處理的任務(wù)，這些模糊來自透鏡散焦，相對(duì)運(yùn)動(dòng)，大氣湍流，以及云層遮擋等。這些干擾可用維納濾波、逆濾波波等方法加以去除。去除圖像畸變則需要借助圖像的空間變換操作。6．圖像分割 圖像分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來，這是進(jìn)一步進(jìn)行圖像識(shí)別、分析和理解的基礎(chǔ)。目前已研究出不少邊緣提取、區(qū)域分割的方法，但還沒有一種普遍適用于各種圖像的有效方法。因此，對(duì)圖像分割的研究還在不斷深入之中，是目前圖像處理中研究的熱點(diǎn)之一。7．圖像重建 幾何處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原都是從圖像到圖像的處理，即輸入的原始數(shù)據(jù)是圖像，處理后輸出的也是圖像，而重建處理則是從數(shù)據(jù)到圖像的處理，也就是說輸入的是某種數(shù)據(jù)，而處理結(jié)果得到的是圖像。該處理的典型應(yīng)用就是CT技術(shù)，早期為X射線CT，后來發(fā)展的有ECT、超聲CT、核磁共振(NMR)等。圖像重建的主要算法有代數(shù)法、迭代法、傅立葉反投影法、卷積反投影法等，其中以卷積反投影法運(yùn)用最為廣泛，因?yàn)樗倪\(yùn)算量小、速度快。值得注意的是三維重建算法發(fā)展得很快，而且由于與計(jì)算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合，把多個(gè)二維圖像合成三維圖像，并加以光照模型和各種渲染技術(shù)，能生成各種具有強(qiáng)烈真實(shí)感及純凈的高質(zhì)量圖像。三維重建技術(shù)也是當(dāng)今頗為熱門的虛擬現(xiàn)實(shí)和科學(xué)可視化技術(shù)的基礎(chǔ)。8．圖像編碼 圖像編碼研究屬于信息論中信源編碼范疇，其主要宗旨是利用圖像信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性及人類視覺的生理學(xué)及心理學(xué)特性對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行高效編碼，即研究數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，以解決數(shù)據(jù)量大的矛盾。一般來說，圖像編碼的目的有3個(gè)：(1)減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量；(2)減低數(shù)據(jù)率以減少傳輸帶寬；(3)壓縮信息量，便于特征提取，為識(shí)別做準(zhǔn)備。9．模式識(shí)別 模式識(shí)別是數(shù)字圖像處理的又一研究領(lǐng)域。當(dāng)今，模式識(shí)別方法大致3種，即統(tǒng)計(jì)識(shí)別法、句法結(jié)構(gòu)模式識(shí)別法和模糊識(shí)別法。統(tǒng)計(jì)識(shí)別法側(cè)重于特征，句法結(jié)構(gòu)識(shí)別側(cè)重于結(jié)構(gòu)和基元，而模糊識(shí)別法是把模糊數(shù)學(xué)的一些概念和理論用于識(shí)別處理。10．圖像理解 圖像理解是由模式識(shí)別發(fā)展起來的方法。該處理輸入的是圖像，輸出的是一種描述。這種描述并不僅是單純的用符號(hào)做出詳細(xì)的描繪，而且要利用客觀世界的知識(shí)使計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)想、思考及推論，從而理解圖像所表現(xiàn)的內(nèi)容。167。 在社會(huì)生產(chǎn)和科研活動(dòng)中，人們要頻繁的接觸到圖像，例如照片、圖畫、書報(bào)、醫(yī)學(xué)X光片和衛(wèi)星遙感圖像等。圖像是人們認(rèn)識(shí)客觀世界的重要知識(shí)來源。隨著計(jì)算機(jī)的高速化和大容量化，圖像信息的處理已成為可能。另外，由于攝像設(shè)備的小型化和高精度化，圖像的畫質(zhì)有了顯著改善。隨著這些技術(shù)的進(jìn)步，圖像處理在工作站及個(gè)人計(jì)算機(jī)的小型機(jī)上已可以實(shí)現(xiàn)。數(shù)字圖像處理主要采用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的突飛猛進(jìn)，以及圖像處理的長足發(fā)展，使得數(shù)字圖像處理技術(shù)無論在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、軍事國防以及現(xiàn)代管理決策部門等各行各業(yè)都得到越來越多的應(yīng)用，其應(yīng)用場合廣闊、內(nèi)容眾多、形式新穎、門類齊全，可以說是方興未艾，正向著實(shí)時(shí)化、大型化、小型化、遠(yuǎn)程化等多方面迅猛發(fā)展。1． 在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要包括顯微圖像處理；DNA顯示分析；紅、白血球分析計(jì)數(shù)；蟲卵及組織切片的分析；癌細(xì)胞的識(shí)別；染色體分析等等。2． 遙感航天中的應(yīng)用軍事偵察、定位、導(dǎo)航、指揮等應(yīng)用；多光譜衛(wèi)星圖像分析；地形、地圖、國土普查；地質(zhì)、礦藏勘探；天文、太空星體的探測及分析等。3． 工業(yè)應(yīng)用CAD 和CAM技術(shù)用于模具、零件制造、服裝、印染業(yè)；零件、產(chǎn)品無損檢測，焊縫及內(nèi)部缺陷檢查；交通管制、機(jī)場監(jiān)控；火車車皮識(shí)別等。4． 軍事公安領(lǐng)域中的應(yīng)用巡航導(dǎo)彈地形識(shí)別；指紋自動(dòng)識(shí)別；警戒系統(tǒng)及自動(dòng)火炮控制；反偽裝偵察；手跡、人像、印章的鑒定識(shí)別；過期檔案文字的復(fù)原；集裝箱的不開箱檢查等。5． 其他應(yīng)用圖像的遠(yuǎn)距離通信；多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用；電視電話；服裝試穿顯示；理發(fā)發(fā)型預(yù)測顯示；電視會(huì)議；辦公自動(dòng)化、現(xiàn)場視頻管理等。167。 MATLAB軟件簡介 MATLAB是Math works公司于推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，其全稱是Matrix Laboratory，亦即矩陣實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過多年的逐步發(fā)展與不斷完善，現(xiàn)已成為國際公認(rèn)的最優(yōu)秀的科學(xué)計(jì)算與數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件之一，是近幾年來在國內(nèi)外廣泛流行的一種可視化科學(xué)計(jì)算軟件。它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個(gè)方便的、界面友好的用戶環(huán)境，而且還具有可擴(kuò)展性特征。Math Works公司針對(duì)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，推出了信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、小波分析、魯棒控制、非線性系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)、系統(tǒng)辨識(shí)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)分析、財(cái)政金融、樣條、通信等30多個(gè)具有專門功能的工具箱，這些工具箱是由該領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)術(shù)水平較高的專家編寫的，無需用戶自己編寫所用的專業(yè)基礎(chǔ)程序，可直接對(duì)工具箱進(jìn)行運(yùn)用。同時(shí)，工具箱內(nèi)的函數(shù)源程序也是開放性的，多為M文件，用戶可以查看這些文件的代碼并進(jìn)行更改，MATLAB支持用戶對(duì)其函數(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，用戶的應(yīng)用程序也可以作為新的函數(shù)添加到相應(yīng)的工具箱中。MATLAB中的數(shù)字圖像是以矩陣形式表示的，這意味著MATLAB強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力用于圖像處理非常有利。矩陣運(yùn)算的語法對(duì)MATLAB中的數(shù)字圖像同樣適用。167。 MATLAB的主要優(yōu)缺點(diǎn)1．MATLAB的主要優(yōu)點(diǎn)（1）界面友好，編程效率高 MATLAB是一種以矩陣為基本變量單元的可視化程序設(shè)計(jì)語言，它的語法結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)類型單一，命令表達(dá)方式接近于常用的數(shù)學(xué)公式。這使MATLAB用戶在短時(shí)間內(nèi)就能快速地掌握其主要內(nèi)容和基本操作。MATLAB不僅能免去大量的經(jīng)常反復(fù)的基本數(shù)學(xué)運(yùn)算，而且它的編譯和執(zhí)行速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了采用C和Fortran語言設(shè)計(jì)的程序。可以說，MATLAB在科學(xué)計(jì)算與工程應(yīng)用方面的編程效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他高級(jí)語言。（2）功能強(qiáng)大，可擴(kuò)展性強(qiáng) MATLAB語言不但提供了科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)分析與可視化、系統(tǒng)仿真等強(qiáng)大的功能，而且具有可擴(kuò)展性特征。Math works公司針對(duì)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，推出了自動(dòng)控制、信號(hào)處理、圖像處理、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、通信、最優(yōu)化、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、偏微分方程、財(cái)政金融等30多個(gè)具有專門功能的MATLAB工具箱。各種工具箱中的函數(shù)可以互相調(diào)用，也可以由用戶自己更改。MATLAB支持用戶對(duì)其函數(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，用戶的應(yīng)用程序可以作為新的函數(shù)添加到相應(yīng)的工具箱中。（3）易學(xué)易用性 MATLAB不需要用戶有高深的數(shù)學(xué)知識(shí)和程序設(shè)計(jì)能力，不需要用戶深刻了解算法及編程技巧。（4）高效性 MATLAB語句功能十分強(qiáng)大，一條語句可完成十分復(fù)雜的任務(wù)。它大大加快了工程技術(shù)人員從事軟件開發(fā)的效率。據(jù)Math works公司聲稱，MATLAB軟件中所包含MATLAB源代碼相當(dāng)于70萬條C代碼。正是MATLAB語言的這些優(yōu)勢，我們選擇采用這種語言實(shí)現(xiàn)圖像處理算法，利用MATLAB強(qiáng)大的工具包，使算法易于實(shí)現(xiàn)。