【正文】 基于MATLAB的圖像增強(qiáng)算法研究與仿真摘 要圖像增強(qiáng)是指跟據(jù)圖像中存在的問題，按特定的需求來突出一幅圖像中的某些信息，同時(shí)，削弱或去除某些冗余信息的處理方法。其主要目的是使得處理后的圖像對(duì)給定的應(yīng)用比原來的圖像更加有效同時(shí)可以有效的改善圖像質(zhì)量。圖像增強(qiáng)技術(shù)主要包含直方圖灰度變換處理、直方圖均衡化處理、圖像平滑濾波處理、圖像銳化處理等。本文先對(duì)圖像增強(qiáng)的原理進(jìn)行論述，然后對(duì)圖像增強(qiáng)的方法分類并給出直方圖灰度變換、直方圖均衡化，平滑濾波和銳化等幾種常用的增強(qiáng)方法,通過MATLAB實(shí)驗(yàn)仿真得出的實(shí)際處理效果來對(duì)比各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，討論不同的增強(qiáng)算法的技術(shù)要點(diǎn)，并對(duì)其圖像增強(qiáng)方法進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。關(guān)鍵詞：MATLAB ， 圖像增強(qiáng) ，直方圖增強(qiáng) ，平滑，銳化Image enhancement technology based on MATLABABSTRACTThe image intensification is refers specificly according to needs to highlight in an image certain informations, simultaneously, weakens the information processing method which or removes certain does not its main purpose is the processing image is more effective than to certain specific applications the original enhancement technology mainly includes histogram gray level transformation, histogram equalization, image smoothing processing, image intensification treatment etc. This article first overview of the principle of image enhancement and image enhancement method of classification and histogram is given gray level transformation, histogram equalization, smoothing filtering and sharpening and so on several mon enhancement method, through the MATLAB experiment it is concluded that the actual processing effect to pare the advantages and disadvantages of various algorithms, discussed the main technical points of the different enhancement algorithm, and its image enhancement method for performance evaluation.KEY WORDS: matlab，image enhancement, histogram enhancement，smoothingsharpening 目　錄前　言 1第1章 緒論 1 課題研究背景及意義 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 研究內(nèi)容 2第2章 MATLAB簡介 3 MATLAB主要功能 3 MATLAB優(yōu)勢(shì) 3 工作平臺(tái)與編輯環(huán)境 3 程序語言 3 科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力 4 圖形處理功能 4 模塊集合工具箱 5 Matlab常用工具箱 5 小結(jié) 5第3章 圖像增強(qiáng)的基本理論 7 圖像增強(qiáng)的定義 7 圖像增強(qiáng)的分類及方法 7 常用的圖像增強(qiáng)方法 8 直方圖均衡化 8 灰度變換法 8 9 銳化 9第4章 MATLAB圖像增強(qiáng) 10 10 10 10 11 13 14 14 16 18 18 銳化 22 拉普拉斯算子 22 Sobel算子 24 Prewitt算子 25結(jié)　論 27謝 辭 28參考文獻(xiàn) 29附　錄 31外文資料翻譯 35前　言圖像是人類獲取外界信息，感知世界的視覺基礎(chǔ)，同時(shí)也是表達(dá)和傳遞信息的重要手段。一幅圖像一方面可能在成像或傳輸中受到各種因素的干擾影響，造成圖像質(zhì)量的下降，另一方面可能為了改變圖像的色彩來調(diào)高圖像視感質(zhì)量或藝術(shù)效果，都需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)的處理。通過各種圖像增強(qiáng)處理技術(shù)處理后，使我們從圖像中獲得更準(zhǔn)確的信息和視覺感覺質(zhì)量。 圖像增強(qiáng)處理策略包含兩個(gè)方面的內(nèi)容：一是空域處理策略，二是頻域處理策略?？沼蛱幚硎窃趫D像本身存在的二維空間里對(duì)其進(jìn)行處理，根據(jù)不同的處理性質(zhì)又可以分為點(diǎn)處理、圖像平滑、圖像銳化及圖像代數(shù)運(yùn)算等各種處理方法。而頻域處理則是用一組正交函數(shù)系來逼近原圖像信號(hào)，獲得相應(yīng)的系數(shù)，將對(duì)原信號(hào)的分析轉(zhuǎn)化到了系數(shù)空間域，最后進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算處理后再轉(zhuǎn)化回空間域。在實(shí)際圖像增強(qiáng)處理中需要兩者相互結(jié)合使用，以使得圖像處理得到理想的結(jié)果，改善圖像的視感質(zhì)量，提高視覺識(shí)別信息的準(zhǔn)確性。 本文介紹了應(yīng)用Matlab進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理的方法，首先在理論上討論了灰度變換、直方圖均衡化、平滑濾波、銳化四種重要的空域變換增強(qiáng)法的工作原理，并由工作原理的差異引出了不同的處理方法，通過Matlab實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，使圖像質(zhì)量得到改善，得出的實(shí)際處理效果來對(duì)比歸納各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，討論不同的增強(qiáng)算法的技術(shù)要點(diǎn)，并對(duì)其圖像增強(qiáng)方法進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。 第1章 緒論 課題研究背景及意義在一般情況下，經(jīng)過圖像的傳送和轉(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度，會(huì)使圖像過暗或過亮；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題，這類問題不妨統(tǒng)稱為質(zhì)量問題。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)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀圖像增強(qiáng)技術(shù)的發(fā)展大致經(jīng)歷了初創(chuàng)期、發(fā)展期、普及期和應(yīng)用期4個(gè)階段。初創(chuàng)期開始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)的圖像采用像素型光柵進(jìn)行掃描顯示，大多采用中、大型機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理。20世紀(jì)70年代進(jìn)入了發(fā)展期，開始大量采用中、大型機(jī)進(jìn)行處理，圖像處理也逐漸改用光柵掃描顯示方式，特別是出現(xiàn)了CT和衛(wèi)星遙感圖像，對(duì)圖像增強(qiáng)處理提出了一個(gè)更高的要求。到了20世紀(jì)80年代，圖像增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)入普及期，此時(shí)的計(jì)算機(jī)已經(jīng)能夠承擔(dān)起圖形圖像處理的任務(wù)。20世紀(jì)90年代進(jìn)入了應(yīng)用期，人們運(yùn)用數(shù)字圖像增強(qiáng)技術(shù)處理和分析遙感圖像，以有效地進(jìn)行資源和礦藏的勘探、調(diào)查、農(nóng)業(yè)和城市的土地規(guī)劃、作物估產(chǎn)、氣象預(yù)報(bào)、災(zāi)害及軍事目標(biāo)的監(jiān)視等。在生物醫(yī)學(xué)工程方面，運(yùn)用圖像增強(qiáng)技術(shù)對(duì)X射線圖像、超聲圖像和生物切片顯微圖像等進(jìn)行處理，提高圖像的清晰度和分辨率。在工業(yè)和工程方面，主要應(yīng)用于無損探傷、質(zhì)量檢測(cè)和過程自動(dòng)控制等方面。在公共安全方面，人像、指紋及其他痕跡的處理和識(shí)別，以及交通監(jiān)控、事故分析等都在不同程度上使用了圖像增強(qiáng)技術(shù)。圖像增強(qiáng)是圖像處理的重要組成部分，傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)方法對(duì)于改善圖像質(zhì)量發(fā)揮了極其重要的作用。隨著對(duì)圖像技術(shù)研究的不斷深入和發(fā)展，新的圖像增強(qiáng)方法不斷出現(xiàn)。例如一些學(xué)者將模糊映射理論引入到圖像增強(qiáng)算法中，提出了包括模糊松弛、模糊熵、模糊類等增強(qiáng)算法來解決增強(qiáng)算法中映射函數(shù)選擇問題，并且隨著交互式圖像增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用，可以主觀控制圖像增強(qiáng)效果。同時(shí)利用直方圖均衡技術(shù)的圖像增強(qiáng)也有許多新的進(jìn)展：例如提出了多層直方圖結(jié)合亮度保持的均衡算法、動(dòng)態(tài)分層直方圖均衡算法。這些算法通過分割圖像，然后在子層圖像內(nèi)做均衡處理，較好地解決了直方圖均衡過程中的對(duì)比度過拉伸問題，并且可以控制子層灰度映射范圍，增強(qiáng)效果較好。 研究內(nèi)容數(shù)字圖像處理是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過程。圖像增強(qiáng)是數(shù)字圖像處理的過程中經(jīng)常采用的一種方法，它對(duì)提高圖像質(zhì)量起著重要的作用。本文介紹了應(yīng)用Matlab進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理的方法，首先在理論上討論了灰度變換、直方圖均衡化、平滑濾波、銳化四種重要的空域變換增強(qiáng)法的工作原理，并由工作原理的差異引出了不同的處理方法，通過Matlab實(shí)驗(yàn)仿真對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，使圖像質(zhì)量得到改善，得出的實(shí)際處理效果來對(duì)比歸納各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，討論不同的增強(qiáng)算法的技術(shù)要點(diǎn)，并對(duì)其圖像增強(qiáng)方法進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。第2章 MATLAB簡介 MATLAB主要功能它是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境。使用它，可以較使用傳統(tǒng)的編程語言，如C、C++等，更快的解決技術(shù)計(jì)算問題。高級(jí)語言可用于技術(shù)計(jì)算；開發(fā)環(huán)境可對(duì)代碼、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計(jì)、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等；二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù)；各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界面；各種函數(shù)可將基于MATLAB的算法與外部應(yīng)用程序和語言；其應(yīng)用范圍非常廣，包括信號(hào)和圖像處理、通迅、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測(cè)試和測(cè)量等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。 MATLAB優(yōu)勢(shì) 工作平臺(tái)與編輯環(huán)境MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。 程序語言MATLAB一個(gè)高級(jí)的矩陣語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C＋＋語言基礎(chǔ)上的，因此語法特征與C＋＋語言極為相似，而且更加簡單。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。 科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力MATLAB是一個(gè)包含大量算法的集合。其可以快捷的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和差錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C++ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。 圖形處理功能圖形處理功能MATLAB自產(chǎn)生之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。 模塊集合工具箱MATLAB對(duì)許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 Matlab常用工具箱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。功能工具包用來擴(kuò)充MATLAB的符號(hào)