【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 分布[5]。對(duì)于圖像的灰度變換，我們這里介紹一種稍微復(fù)雜一點(diǎn)的方法，既直方圖均衡化。直方圖均衡化是灰度變換的一個(gè)重要應(yīng)用，廣泛應(yīng)用在圖像增強(qiáng)處理中，它是以累計(jì)分布函數(shù)變換為基礎(chǔ)的直方圖修正法，可以產(chǎn)生一幅灰度級(jí)分布具有均勻概率密度的圖像，擴(kuò)展了像素的取值動(dòng)態(tài)范圍。若像素點(diǎn)的原灰度為R，變換后的灰度為S，需要注意的是R、S是歸一化后的灰度值，其灰度變換函數(shù)T()為： 且 S=T(R)； ()其中，是第j級(jí)灰度值的概率，是圖像中j級(jí)灰度的像素總數(shù)，是圖像中灰度級(jí)的總數(shù)目，是圖象中像素的總數(shù)[13]。對(duì)變換后的S值取最靠近的一個(gè)灰度級(jí)的值，建立灰度級(jí)變換表，將原圖像變換為直方圖均衡的圖像。直方圖均衡化的基本思想是把原始圖像的直方圖變換成均勻分布的形式。具體做法如下：，k=0，1，....，L1，其中L是灰度級(jí)的個(gè)數(shù):Sk=int[(N1)tk+k/N]：Sktk7統(tǒng)計(jì)新直方圖各個(gè)灰度級(jí)的像素Nk：pt(tk)=nk/N 中值濾波中值濾波法是空域?yàn)V波增強(qiáng)里的一種，主要作用是模糊處理和減少噪聲[20]。中值濾波是一種非線性平滑技術(shù)，它將每一象素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為該點(diǎn)某鄰域窗口內(nèi)的所有象素點(diǎn)灰度值的中值。對(duì)消除椒鹽噪音非常有效，在光學(xué)測(cè)量條紋圖象的相位分析處理方法中有特殊作用，,常用于用來(lái)保護(hù)邊緣信息,是經(jīng)典的平滑噪聲的方法。中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)處理技術(shù)，中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)拎域中各點(diǎn)值的中值代替，讓周圍的像素值接近的值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)[16]。方法是去某種結(jié)構(gòu)的二維滑動(dòng)模板，將板內(nèi)像素按照像素值的大小進(jìn)行排序，生成單調(diào)上升(或下降)的為二維數(shù)據(jù)序列。二維中值濾波輸出為 g(x,y)=med{f(xk,yl),(k,l∈W)} ， ()其中,f(x,y)，g(x,y)分別為原始圖像和處理后圖像。W為二維模板，通常為22，33區(qū)域，也可以是不同的的形狀，如線狀，圓形，十字形，圓環(huán)形等。具體操作如下：1） 將模板在圖中漫游，并將模板中心與圖中某個(gè)像素位置重合。2） 讀取模板下各對(duì)應(yīng)像素的灰度值。3） 將這些灰度值從小到大排成一列。4） 找出這些值里排在中間的一個(gè)5） 將這個(gè)中間值賦給對(duì)應(yīng)模板中心位置的像素。 巴特沃斯濾波巴特沃斯濾波器是頻域?yàn)V波增強(qiáng)里的一種，其特點(diǎn)是通頻帶的頻率響應(yīng)曲線最平滑，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。在振幅的對(duì)數(shù)對(duì)角頻率的波得圖上,從某一邊界角頻率開(kāi)始,振幅隨著角頻率的增加而逐步減少,趨向負(fù)無(wú)窮大。這種濾波器最先由英國(guó)工程師斯替芬巴特沃斯(Stephen Butterworth)在1930年發(fā)表在英國(guó)《無(wú)線電工程》期刊的一篇論文中提出的[1]。圖像中的邊緣和噪聲對(duì)應(yīng)于傅里葉變換的高頻部分，所以，在頻域中減弱其影響就要設(shè)法消弱高頻部分分量。因此，我們要找一個(gè)H(u,v)，可以得到消弱了的F(u,v)高頻分量后的G(u,v)。物理上可以實(shí)現(xiàn)的一種低通濾波器是巴特沃斯低通濾波器。一個(gè)n階階段頻率為D0的巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為H(u,v)=1/1+[D(u,v)/D0]2n ()一般情況下,常數(shù)使H最大值降到某個(gè)百分比的頻率為截?cái)囝l率。在上式中，當(dāng)D(u,v)=D0時(shí)，H(u,v)=。另一個(gè)常用的截?cái)囝l率值是使H降到最大的1/時(shí)的頻率。第3章 系統(tǒng)需求分析 系統(tǒng)需求本次課題設(shè)計(jì)的題目是基于灰度變換圖像增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，其基礎(chǔ)是圖像的灰度變換，圖像灰度變換是圖像增強(qiáng)處理技術(shù)中一種非常基礎(chǔ)、直接的空間域圖像處理方法，也是圖像數(shù)字化軟件和圖像顯示軟件的一個(gè)重要組成部分?；叶茸儞Q是指根據(jù)某種目標(biāo)條件按一定變換關(guān)系逐點(diǎn)改變?cè)瓐D像中每一個(gè)像素灰度值的方法。目的是為了改善畫質(zhì)，使圖像的顯示效果更加清晰。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要選擇能夠?qū)D像的各個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行操作的算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的灰度變換。灰度變換包括直方圖灰度變換、均衡化，圖像取反，二值化，灰度切割等。當(dāng)選擇某個(gè)操作時(shí)，對(duì)于指定的圖像應(yīng)該要有相應(yīng)的操作達(dá)到預(yù)期的目的。系統(tǒng)首先要能夠選擇一幅圖像并載入該圖像作為指定圖像，并且在關(guān)閉一次系統(tǒng)后再打開(kāi)系統(tǒng)時(shí)能夠清理上次使用痕跡，這就要求在系統(tǒng)退出時(shí)要自動(dòng)將使用痕跡清除，以免用戶受到上次使用圖像的干擾，這樣，用戶就能通過(guò)系統(tǒng)對(duì)該圖像進(jìn)行想要的灰度變換，達(dá)到目的。在對(duì)圖像進(jìn)行灰度變換時(shí)不僅要對(duì)圖像進(jìn)行變換，更為重要的是要將處理后的圖像和原圖像進(jìn)行對(duì)比，這就要求我們把兩幅圖放在一起，這樣就有更加直觀直接的比較。在對(duì)圖像進(jìn)行某一個(gè)處理時(shí)，應(yīng)該首先判斷要處理的圖像是否存在，如果不存在，應(yīng)有提示信息提示用戶打開(kāi)一幅待處理的圖像；若存在，接著判斷是否符合進(jìn)行灰度變換的條件，即判斷圖像是否為灰度圖像，若不是，則將圖像用圖像轉(zhuǎn)換函數(shù)將圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；若是灰度圖像，則在選擇操作時(shí)對(duì)圖像有相應(yīng)的操作。比如，我們要對(duì)一幅圖像二值化，由于要將一幅圖二值化的前提是這幅圖只能是灰度圖像，如果待處理的圖像是彩色圖像，那么就不能直接對(duì)其進(jìn)行理想的二值化，如果直接進(jìn)行二值化，得到的處理后的圖像并不能達(dá)到預(yù)期的目的，顯示的處理后的圖像將不是由黑、白組成的二值圖像，二有可能是由其他顏色組成的一幅新的圖像。因此，系統(tǒng)應(yīng)該能夠在對(duì)圖像進(jìn)行處理時(shí)或者在即將處理圖像時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行判斷改圖像是否是灰度圖像，如果是灰度圖像則進(jìn)行二值化，如果不是，那么就要提示用戶該圖像不符合二值化的條件。類似的情況還可能發(fā)生在其他灰度變換當(dāng)中，因此，在進(jìn)行圖像處理時(shí)應(yīng)該要先對(duì)圖像進(jìn)行判斷，看是否能夠進(jìn)行該操作。在圖像中，由于會(huì)受到各種噪聲的影響，圖像質(zhì)量會(huì)有所下降，或者對(duì)圖像的某些特征有所影響，使圖像變得模糊不清甚至影響人們對(duì)圖像的判斷，這就需要用一種增強(qiáng)圖像的方法來(lái)減弱噪聲對(duì)圖像的影響，提取圖像中的有用信息。然而對(duì)于受不同噪聲的影響，減弱其影響的方法也會(huì)不一樣，因此要選擇不同的方法來(lái)處理不同的噪聲。因此在系統(tǒng)中加入了噪聲，而基于圖像的灰度變換則可通過(guò)濾波來(lái)模糊噪聲增強(qiáng)圖像。據(jù)此。 (a)編輯模塊流程圖 (b)加入噪聲模塊流程圖 流程圖 開(kāi)發(fā)環(huán)境的選擇要將系統(tǒng)設(shè)計(jì)到達(dá)要求，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工具的選擇也需要謹(jǐn)慎考慮。首先要具有出色的圖形處理功能，系統(tǒng)的界面的各個(gè)控件易于組織編輯，工作平臺(tái)和編程環(huán)境友好，這會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者帶來(lái)很大的方便，同時(shí)，對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，一個(gè)易于組織的界面也會(huì)對(duì)視覺(jué)效果產(chǎn)生一定的影響；從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度看，我們所要達(dá)到的主要目的是使系統(tǒng)能夠完成用戶的預(yù)期要求，那么程序就不應(yīng)該繁瑣，力求語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，書(shū)寫形式自由，程序限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大，能夠方便地修改，另外，系統(tǒng)的運(yùn)行速度也是一個(gè)考慮因素。而MATLAB可以使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷，程序書(shū)寫形式自由，利用其豐富的庫(kù)函數(shù)避開(kāi)繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作等。在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能同時(shí)，它還提供了和C語(yǔ)言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用這些運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短。MATLAB既具有結(jié)構(gòu)化的控制語(yǔ)句，又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。并且，程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號(hào)的計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行。但是，和其他高級(jí)程序相比，MATLAB程序的執(zhí)行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序?yàn)榻忉寛?zhí)行，所以速度較慢。綜上考慮，MATLAB強(qiáng)大的圖形圖像處理能力，我們可以用MATLAB來(lái)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)。并總結(jié)出了系統(tǒng)的幾個(gè)重要組成。本系統(tǒng)總體上可以由文件模塊，編輯模塊，加入噪聲模塊，幫助模塊，圖像濾波模塊5個(gè)模塊組成。其中，文件模塊包括對(duì)圖像的讀取及系統(tǒng)的退出；編輯模塊是本系統(tǒng)的主要部分，對(duì)圖像進(jìn)行灰度變換、直方圖均衡化、顯示直方圖、二值化等操作，當(dāng)用戶選擇一個(gè)操作時(shí)，系統(tǒng)便對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)的操作，其具體實(shí)現(xiàn)將在第5章里詳細(xì)敘述；加入噪聲模塊則是對(duì)圖像加入噪聲干擾圖像質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)過(guò)程見(jiàn)第5章；幫助模塊則是課題名、指導(dǎo)老師等等一些常用信息。第4章 MATLAB概述 MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB語(yǔ)言是由美國(guó)MathWorks公司推出的計(jì)算機(jī)軟件，其全稱是Matrix Laboratory，亦即矩陣實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過(guò)多年的逐步發(fā)展與不斷完善，現(xiàn)已成為國(guó)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(lái)在國(guó)內(nèi)外廣泛流行的一種可視化科學(xué)計(jì)算軟件[10]。其內(nèi)容涉及到矩陣代數(shù)、微積分、應(yīng)用數(shù)學(xué)、有限元法、科學(xué)計(jì)算、信號(hào)與系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析及其應(yīng)用、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、電子線路、電機(jī)學(xué)、自動(dòng)控制與通信技術(shù)、物理、力學(xué)和機(jī)械振動(dòng)等方面。MATLAB中的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由一組有序的實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)元素構(gòu)成的數(shù)組，圖像對(duì)象的表達(dá)采用的是一組有序的灰度或彩色數(shù)據(jù)元素構(gòu)成的實(shí)值數(shù)組[13]。MATLAB中通常用二維數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)圖像，數(shù)組的每一個(gè)元素對(duì)應(yīng)于圖像的一個(gè)像素值。例如，由200行和300列的不同顏色點(diǎn)組成的一幅圖像在MATLAB中采用200300的矩陣存儲(chǔ)。MATLAB支持多種類型的圖像，而不同類型的圖像其存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)通常是不同的。如RGB圖像則需要一個(gè)三維數(shù)組，3個(gè)數(shù)據(jù)維分別對(duì)應(yīng)于某像素點(diǎn)的紅色、綠色和藍(lán)色強(qiáng)度值。由于對(duì)圖像采用了通用的數(shù)據(jù)矩陣的表達(dá)方式，MATLAB中原有的所有基本矩陣操作都可應(yīng)用于圖像矩陣，例如，我們要查看圖像I中某像素點(diǎn)的強(qiáng)度值，可以采用類似的表達(dá)方式：I(X，Y)，它代表了圖像I的第x行和第Y列的像素值。MATLAB的圖像處理工具箱功能十分強(qiáng)大，支持的圖像文件格式豐富，如宰。*.BMP、*.JPEG、*．TIFF、*．TIFF、*.PCG、*.HDF，*．PN6等。MATLA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(duì)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。MATLAB提供了15類圖像處理函數(shù)，涵蓋了包括近期研究成果在內(nèi)的幾乎所有的圖像處理方法。這些函數(shù)按其功能可分為：圖像顯示；圖像文件I/0；幾何操作；像素和統(tǒng)計(jì)處理；圖像分析；圖像增強(qiáng)；線性濾波；線性二元濾波設(shè)計(jì)：圖像變換；鄰域和塊處理；二進(jìn)制圖像操作：區(qū)域處理；顏色映像處理；顏色空閱變換；圖像類型和類型轉(zhuǎn)換利用這些圖像處理工具箱，并結(jié)合其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，我們可不必關(guān)心圖像文件的格式、讀寫、顯示等細(xì)節(jié)，而把精力集中在算法研究上，大大提高了工作效率。而且，在測(cè)試這些算法時(shí)既可方便地得到統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，同時(shí)又可得到直觀。 MATLAB的特點(diǎn)MATLAB之所以成為世界流行的科學(xué)計(jì)算與數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件，是因?yàn)樗兄铝袕?qiáng)大的功能。 高質(zhì)量、強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能。為滿足復(fù)雜科學(xué)計(jì)算任務(wù)的需要，MATLAB匯集了大量常用的科學(xué)和工程計(jì)算算法，從各種函數(shù)到復(fù)雜運(yùn)算，包括矩陣求逆1矩陣特征值、奇異值、工程計(jì)算函數(shù)以及快速博立葉變換等。MATLAB強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能是其優(yōu)于其他數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件的重要原因。尤其是當(dāng)今流行的MATLAB6版本，其數(shù)值計(jì)算功能更加完善。 數(shù)據(jù)分析和科學(xué)計(jì)算可視化功能。MATLAB不但科學(xué)計(jì)算功能強(qiáng)大，而且在數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析和數(shù)據(jù)可視化方面也遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他同類軟件。在科學(xué)計(jì)算和工程應(yīng)用中，經(jīng)常需要分析大量的原始數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，MATLAB能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)以圖形的方式顯示出來(lái)，使數(shù)據(jù)間的關(guān)系清晰明了。 強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算功能。科學(xué)計(jì)算有數(shù)值計(jì)算與符號(hào)計(jì)算兩種，在數(shù)學(xué)應(yīng)用科學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域，常?；赜龅椒?hào)計(jì)算問(wèn)題，僅有優(yōu)異的數(shù)值計(jì)算功能并不能解決科學(xué)計(jì)算時(shí)的全部需要。在MATLAB的發(fā)展過(guò)程中，MathWorks公司從Waterloo大學(xué)購(gòu)買了Maple的使用權(quán)，并以Maple的核心部分作為其符號(hào)計(jì)算功能的引擎，依靠Maple已有庫(kù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了MATLAB環(huán)境下符號(hào)計(jì)算功能。 強(qiáng)大的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和仿真功能。MATLAB提供了一個(gè)模擬動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的交互式程序Simulink，允許用戶通過(guò)繪制框圖來(lái)模擬一個(gè)系統(tǒng)，并動(dòng)態(tài)控制該系統(tǒng)。Simulink能處理線性、非線性、連續(xù)、離散等多種系統(tǒng)，它包括應(yīng)用程序擴(kuò)展集Simulink Extensions和Blocksets。其中Simulink Extensions是支持Simulink環(huán)境下進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一些工具類應(yīng)用程序，如Simulink Accelerator、Real Time Workshop及Stateflow；而B(niǎo)locksets則是針對(duì)DSP(數(shù)字信號(hào)處理)、Communications(通信)、Nonlinear Control Design(非線性控制設(shè)計(jì))、Fixed Point(定點(diǎn))等幾種特殊應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)的程序的集合。 靈活的程序控制接口功能。應(yīng)用程序接口(API)是一個(gè)允許用戶編寫的與MATLAB互相配合的C或Fortran程序的文件庫(kù)。MATLAB提供了方便的應(yīng)用程序接口API，用戶可以在MATLAB環(huán)境下直接調(diào)用已經(jīng)編譯過(guò)的C或Fortran子程序，在MATLAB和其他應(yīng)用程序之間建立客戶機(jī)/服務(wù)器關(guān)系。同樣，在C或Fortran程序中，也可以調(diào)用MATLAB的函數(shù)或命令，使得這些語(yǔ)言可以充分利用MATLAB的矩陣運(yùn)算功能和方便的繪圖功能。 文字處理功能。MATLAB記事本成功的將MATLAB與文字處理系統(tǒng)Microsoft Word集成為一個(gè)整體，為用戶進(jìn)行文字處理科學(xué)計(jì)算、工程設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一個(gè)統(tǒng)一的工作環(huán)境。用戶不僅可以利用Word的文字編輯處理功能，方便的創(chuàng)建MATLAB的系統(tǒng)手冊(cè)、技術(shù)報(bào)告、命令序列、函數(shù)程序、注釋文檔以及與MATLAB有關(guān)的教科書(shū)等6種文檔，而且還能從Word訪問(wèn)MATLAB的數(shù)值計(jì)算和可視化結(jié)果。 另外，MATLAB還具有支持科學(xué)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式可擴(kuò)充結(jié)構(gòu)和跨平臺(tái)兼容的特點(diǎn)，能夠更好的解決科學(xué)和工程領(lǐng)域內(nèi)的復(fù)雜問(wèn)題。MATLAB的技術(shù)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 界面