【正文】 vipimage層和圖形用戶界面(GUI)。但是，CVIPtools軟件還沒有推出中文版并且現(xiàn)有Windows版本保留了部分Unix風(fēng)格，在Windows系統(tǒng)下操作并不十分方便，而且常出問題，并且這種商用圖像處理軟件是靜態(tài)的、封閉的，軟件功能在發(fā)布時就已經(jīng)確定，增加新功能或新算法或改進性能只能寄希望于軟件升級。 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)一個簡單的針對學(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,供大家學(xué)習(xí)并研究圖像處理的技術(shù)方法。由于篇幅的原因，本文只對圖像增強部分的原理算法進行了分析（最后在附錄部分給出所有模塊的程序代碼）。第二章 數(shù)字圖像處理技術(shù)及MATLAB軟件簡介167。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。（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。從圖像反映的客觀實體尺度看，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鏡圖像。在圖像畫面上，經(jīng)常有很多像素有相同或接近的灰度。如一幅256256低分辨率黑白圖像，要求約64k的數(shù)據(jù)量；對高分辨率彩色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～。所以在成像、傳輸、存儲、處理、顯示等各個環(huán)節(jié)的實現(xiàn)上，技術(shù)難度較大，成本高。（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價的，因此受人的因素影響較大。主要提高計算機的處理速度，并且D/A和A/D的速度也要實時化；③多媒體化。⑥智能化。（4）新算法與新理論的研究。2．算數(shù)處理 算數(shù)圖像處理主要對圖像施以加、減、乘、除等運算。主要方法有直方圖增強、偽彩色增強法、灰度窗口等技術(shù)。去模糊也是復(fù)原處理的任務(wù)，這些模糊來自透鏡散焦，相對運動，大氣湍流，以及云層遮擋等。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。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用最為廣泛，因為它的運算量小、速度快。一般來說，圖像編碼的目的有3個：(1)減少數(shù)據(jù)存儲量；(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，為識別做準備。10．圖像理解 圖像理解是由模式識別發(fā)展起來的方法。 在社會生產(chǎn)和科研活動中，人們要頻繁的接觸到圖像，例如照片、圖畫、書報、醫(yī)學(xué)X光片和衛(wèi)星遙感圖像等。隨著這些技術(shù)的進步，圖像處理在工作站及個人計算機的小型機上已可以實現(xiàn)。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、機場監(jiān)控；火車車皮識別等。 MATLAB軟件簡介 MATLAB是Math works公司于推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，其全稱是Matrix Laboratory，亦即矩陣實驗室，經(jīng)過多年的逐步發(fā)展與不斷完善，現(xiàn)已成為國際公認的最優(yōu)秀的科學(xué)計算與數(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)計算軟件。MATLAB中的數(shù)字圖像是以矩陣形式表示的，這意味著MATLAB強大的矩陣運算能力用于圖像處理非常有利。這使MATLAB用戶在短時間內(nèi)就能快速地掌握其主要內(nèi)容和基本操作。Math works公司針對不同領(lǐng)域的應(yīng)用，推出了自動控制、信號處理、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、偏微分方程、財政金融等30多個具有專門功能的MATLAB工具箱。（4）高效性 MATLAB語句功能十分強大，一條語句可完成十分復(fù)雜的任務(wù)。2．MATLAB的缺點 然而MATLAB自身存在的某些缺點限制了它的應(yīng)用范圍。167。 MATLAB支持多種類型的圖像，而不同類型的圖像其存儲結(jié)構(gòu)通常是不同的。MATLAB圖像處理工具箱支持四種圖像類型，分別為真彩色圖像、索引色圖像、灰度圖像、二值圖像，由于有的函數(shù)對圖像類型有限制，這四種類型可以用工具箱的類型轉(zhuǎn)換函數(shù)相互轉(zhuǎn)換。而且,在測試這些算法時既可方便地得到統(tǒng)計數(shù)據(jù),同時又可得到直觀圖示。1．索引圖像 索引圖像包括一個數(shù)據(jù)矩陣A，一個顏色映射矩陣B。像素顏色由數(shù)據(jù)矩陣A作為索引指向矩陣B進行索引。矩陣中的元素可以是雙精度的浮點數(shù)類型、8位或16位無符號的整數(shù)類型。二值圖像可以采用uint8和double類型存儲，工具箱中以二值圖像作為返回結(jié)果的函數(shù)都使用uint8類型。像素的顏色保存在像素位置上的紅、綠、藍的強度值的組合來確定。圖像序列是一個四維的數(shù)組，圖像幀的序號在圖像的長、寬、顏色深度之后構(gòu)成第四維。但從Math Works公司推出MATLAB ，這種局面有了較大改觀。MATLAB具有強大的矩陣運算、數(shù)據(jù)處理和圖形顯示功能，其輸出結(jié)果可視化，編程效率極高，極少的代碼即可實現(xiàn)復(fù)雜的運行。而使用MATLAB提供的工具箱函數(shù)，只需幾行代碼就可實現(xiàn)它。但這個問題正隨著版本的不斷升級而得到很大程度的改善。其流程圖如下： 原始圖像 圖像識別圖像配準等 圖像特征分析 預(yù)處理 幾何變換圖像分割圖像變換圖像增強紋理特征分析數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué) 流程圖圖中，每個步驟都包括幾個模塊，每個模塊都會實現(xiàn)各自的功能，并針對各種圖像有不同的算法，至于適合哪種算法，具有不確定性，必須要自己去觀察、調(diào)試。基于MATLAB的圖像處理工具箱實現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，系統(tǒng)界面友好，交互性強，若再結(jié)合相應(yīng)的圖像處理方面的書籍，初學(xué)者便能在較短的時間內(nèi)系統(tǒng)的、感性的理解和學(xué)習(xí)圖像處理的知識。 （3）按照構(gòu)思的草圖，制作靜態(tài)界面，并進行檢查。當(dāng)靜態(tài)界面設(shè)計完成之后，.M文件包括GUI設(shè)計、控制函數(shù)以及為子函數(shù)的用戶的回調(diào)函數(shù)，主要用于控制GUI展開時的各種特征。在為編寫回調(diào)函數(shù)時，獲得該函數(shù)的句柄是實現(xiàn)對象動作功能的關(guān)鍵所在。一旦獲得所要操作對象的句柄，接下來的工作就是系統(tǒng)功能的設(shè)計和實現(xiàn)。167。MATLAB自帶的圖像處理工具箱提供了豐富的圖像處理函數(shù)，并且這些函數(shù)大多是M文件，可以通過對這些代碼進行改進來擴充圖像處理的功能。當(dāng)處理結(jié)果不能完全滿足要求時，用戶可以知道具體是哪個或哪些處理步驟不能滿足要求，從有針對性的對算法加以改進或重新組合，開發(fā)出滿足實際需要的新軟件。下圖為系統(tǒng)的總體框架圖： 編輯打開轉(zhuǎn)換二值圖轉(zhuǎn)換灰度圖退出傅里葉變換離散余弦變換Radon變換 圖像變換灰度變換直方圖修正圖像平滑圖像退化偽彩色加強 圖像增強圖 像 處 理 系 統(tǒng)旋轉(zhuǎn)縮小移動水平鏡像垂直鏡像對角鏡像綜合 幾何變換基于小波變換線性預(yù)測編碼DW編碼 壓縮編碼自適應(yīng)性維納濾波WIENER濾波 圖像復(fù)原開運算閉運算膨脹腐蝕 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)閾值法邊緣檢測 圖像分割紋理特征分析邊界提取 圖像特征分析 實例 總體框架圖167。 主窗口界面中各項操作均為菜單操作，點擊某個按鈕，則對所選擇的圖像進行相應(yīng)的處理。圖形用戶界面在程序開發(fā)中起著舉足輕重的作用。說明該窗口可以做什么工作。 系統(tǒng)的窗口中的控件主要設(shè)計有:可編輯文本框、下拉式列表框、復(fù)選框、命令按鈕、彈出式菜單和坐標軸等。圖像處理模塊所實現(xiàn)的主要功能是不同算法的處理，用戶可以選擇其中某個算法進行相應(yīng)處理，對處理后的圖像進行觀察分析，對算法進行比較，針對不同用途應(yīng)用不同方法，對于初學(xué)者來說可以更好的理解圖像處理技術(shù)，對于算法研究人員來說可以更有效的進行深入研究開發(fā)。利用MATLAB的圖形用戶界面(GUI)來設(shè)計一程序運行的界面。 在程序設(shè)計中，對各處理功能的M文件，其共同之處有以下幾個方面: 1．使用菜單項實現(xiàn)各功能窗口的轉(zhuǎn)換，起導(dǎo)航作用。實現(xiàn)上編寫程序最主要是對命令按鈕進行編程。167。在本人設(shè)計的案例中采用的是命令方式:在命令窗口直接輸入guide命令，彈出的窗口如圖所示:在彈出的guide quick start窗口中選擇create new gui選項卡里面的Blank GUI選項，這樣就可以進入圖形用戶界面來設(shè)計我們的系統(tǒng)靜態(tài)界面。然后使用New Menu工具欄來創(chuàng)建菜單，然后可以指定菜單的屬性。如果想要定義快捷菜單可以使用NewContext Menu工具來進行創(chuàng)建。 圖像增強方法從增強的作用域出發(fā)，可分為空間域增強和頻率域增強兩種。 灰度變換和直方圖調(diào)整 灰度變換灰度變換可調(diào)整圖像的灰度動態(tài)范圍或圖像對比度，是圖像增強的重要手段之一。 g(i，j)與f(i，j)之間的關(guān)系式為： 在曝光不足或過度的情況下，圖像灰度可能會局限在一個很小的范圍內(nèi)。設(shè)原圖像f(x,y)在[0，Mf],感興趣目標的灰度范圍在[a,b],欲使其灰度范圍拉伸到[c,d],則對應(yīng)的分段線性變換表達式為 通過細心調(diào)整折線拐點的位置及控制分段直線的斜率，可對任一灰度區(qū)間進行拉伸或壓縮。②指數(shù)變換指數(shù)變換的一般表達式為這里參數(shù)a,b,c用來調(diào)整曲線的位置和形狀。直方圖修整法包括直方圖均衡化及直方圖規(guī)定化兩類。即 在[0,1]區(qū)間內(nèi)的任一個r值，都可產(chǎn)生一個s值，且 T(r)作為變換函數(shù)，滿足下列條件：①在內(nèi)為單調(diào)遞增函數(shù)，保證灰度級從黑到白的次序不變；②在內(nèi)，有，確保映射后的像素灰度在允許的范圍內(nèi)。（5）應(yīng)用轉(zhuǎn)移函數(shù)，計算映射后的灰度級,（6）統(tǒng)計映射后各灰度級的像素數(shù)目, i=0,1,…,p1。 平滑濾波、銳化濾波1．平滑濾波 局部平滑法是一種直接在空間域上進行平滑處理的技術(shù)?？梢娻徲蚱骄ň褪菍?dāng)前像素鄰域內(nèi)各像素的灰度平均值作為其輸出值的去噪方法。對中值濾波法來說，正確選擇窗口尺寸的大小是很重要的環(huán)節(jié)。二維中值濾波器的窗口形狀可以有多種，如線狀、方形、十字形、圓形、菱形等（見圖）。對于圖像f(x，y)，在(x，y)處的梯度定義為 梯度是一個矢量，其大小和方向為對于離散圖像處理而言，常用到梯度的大小，因此把梯度的大小習(xí)慣稱為“梯度”。適當(dāng)選取T，可使明顯的邊緣輪廓得到突出，又不會破壞原來灰度變化比較平緩的背景第三種輸出形式 它將明顯邊緣用一固定的灰度級LG來表現(xiàn)。LOG 算子先用高斯低通濾波器將圖像進行預(yù)先平滑，然后用拉普拉斯算子找到圖中的陡峭邊緣，最后用零灰度值進行二值化產(chǎn)生閉合的、聯(lián)通的輪廓，消除了所有內(nèi)部點。Sobel 算子對灰度漸變和噪聲較多的圖像處理得較好。（2）Butterworth低通濾波器n階Butterworth濾波器的傳遞函數(shù)為：它的特性是連續(xù)性衰減，而不象理想濾波器那樣陡峭變化，即明顯的不連續(xù)性。（4）梯形低通濾波器梯形低通濾波器是理想低通濾波器和完全平滑濾波器的折中。頻率域銳化就是為了消除模糊，突出邊緣。 一般來說，不管在圖像空間域還是頻率域，采用高頻濾波不但會使有用的信息增強，同時也使噪聲增強。使原圖像細節(jié)更易辨認，目標更容易識別。167。 當(dāng)然，在不斷改良和學(xué)習(xí)后，如果有了新的算法，系統(tǒng)也可以更新和擴展。I1=I(:,:,1)。 d1=zeros(y,x)。for i=1:x for j=1:y%歐式聚類d1(j,i)=sqrt((myI(j,i,1)180)^2+(myI(j,i,2)180)^2+(myI(j,i,3)180)^2)。imshow(I)。subplot(1,3,2)。 figure(4)。第五章 結(jié)論167。 本文主要完成以下工作: 1．介紹了圖像處理的基本技術(shù)，包括圖像處理基本操作、圖像變換、圖像增強、幾何變換、壓縮編碼、圖像復(fù)原、形態(tài)學(xué)運算、圖像分割、圖像特征分析，重點研究了圖像變換的基本技術(shù)，對其中的傅立葉變換、離散余弦變換、Radon變換的原理和算法進行了詳細的分析，并提出了改進的算法。 5．通過圖像處理與分析系統(tǒng)的各個模塊，對一個簡單的實例進行分析，來說明在不可控環(huán)境下圖像處理和分析的應(yīng)用，并通過一個改良算法的導(dǎo)入來體現(xiàn)系統(tǒng)的可擴展性。但是，由于本人的研究能力和研究時間有限，本系統(tǒng)還存在許多不足和需要不斷完善的地方，未來需要進一步開展的工作，可以從下面幾個方面來開展: 1．不能同時在軟件界面顯示處理前和處理后的圖像，不便于直觀的比較處理效果，而且不能隨時保存處理圖片，必須借助matlab輸出框?qū)崿F(xiàn)保存功能。通過上述分析，不難看出此系統(tǒng)軟件的特點和不足，以及圖像處理技術(shù)其在不可控環(huán)境下的應(yīng)用前景，通過這個軟件的不斷學(xué)習(xí)和豐富，相信一定會有更好的不可控圖像處理軟件誕生。在此，對我的導(dǎo)師表示由衷的感謝和敬意。Sons， 2001[15] 周廣芬，李鵬，楊久義．利用MATLAB圖像處理工具箱進行圖形數(shù)字化的研究[J]．河北科技大學(xué)學(xué)報，2005，26(4)：309311[16]賀興華，周媛媛，土繼陽等． 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Random Processes for Image and Signal