【文章內(nèi)容簡介】 167。 MATLAB用于圖像處理系統(tǒng)開發(fā)與其它開發(fā)軟件的比較 以往的圖像處理系統(tǒng)常用VB，Authorware，VC等軟件進(jìn)行制作，大量工作進(jìn)行編程，不僅效率低，而且效果也不夠理想。但從Math Works公司推出MATLAB ，這種局面有了較大改觀。 MATLAB既是一種直觀、高效的計算機語言，同時又是一個科學(xué)計算平臺。它為數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化、算法和應(yīng)用程序開發(fā)提供了最核心的數(shù)學(xué)和高級圖形工具。根據(jù)它提供的500多個數(shù)學(xué)和工程函數(shù)，工程技術(shù)人員和科學(xué)工作者可以在它的集成環(huán)境中交互或編程以完成各自的計算。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。基本的圖像處理操作一般包括讀入圖像、顯示圖像、處理圖像和存儲圖像等幾個部分，而使用VC編寫的圖像處理程序代碼將會非常龐大。例如，為了實現(xiàn)圖像讀取和顯示操作，VC程序代碼需要完成的工作涉及到確定圖像文件，讀取文件頭信息，確定文件格式，設(shè)置調(diào)色板，順序讀取圖像數(shù)據(jù)，然后調(diào)用系統(tǒng)提供的API函數(shù)，設(shè)定顯示的各種參數(shù)，設(shè)計顯示界面，接下來才可以看到一幅圖像顯示在顯示屏上。盡管這是圖像處理中最基本的步驟，但要實現(xiàn)這一過程要求程序員對待處理圖像的文件格式信息、數(shù)據(jù)操作以及系統(tǒng)API函數(shù)有比較深入的了解，完全實現(xiàn)下來，不算上系統(tǒng)提供的API函數(shù)，全部代碼也有幾百行以上。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。 所以使用MATLAB圖像處理工具箱函數(shù)將大大減輕圖像數(shù)據(jù)的繁雜操作，使我們更加快捷地實現(xiàn)圖像處理任務(wù)，不再把很多的時間花在調(diào)試一些基本代碼上，而是把更多的精力傾注于各種圖像處理算法的效果上。由以上對比可以發(fā)現(xiàn)，使用MATLAB編程的確可以簡化操作，減輕編程壓力。當(dāng)然MATLAB編程一直以來也有其不足的地方，其邊解釋邊執(zhí)行，運算效率較低，實現(xiàn)相同功能的代碼跟其他編程平臺相比運行時間相對較長，且不適合作為通用的編程平臺。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。另外，MATLAB編程有一個很大的優(yōu)點，就是重復(fù)編譯效率很高。第三章 系統(tǒng)的總體設(shè)計167。在不可控環(huán)境下得到的圖像必須經(jīng)過一系列的處理，才能起到更大的作用。其流程圖如下： 原始圖像 圖像識別圖像配準(zhǔn)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。為了演示圖像處理技術(shù)在不可控環(huán)境下的應(yīng)用，基于MATLAB的平臺，利用其圖形用戶界面(GUI)設(shè)計系統(tǒng)和自帶的工具箱設(shè)計了這樣一個系統(tǒng)，擁有一些圖像處理技術(shù)中的經(jīng)典模塊來實現(xiàn)經(jīng)典實用的若干功能，涵蓋了圖像處理領(lǐng)域的大部分算法。最后通過一個實例對圖像處理進(jìn)行了簡單的詮釋。通過圖形用戶界面(GUI)設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)計友好的圖形用戶界面，可以用戶更好的觀察處理結(jié)果，更好的理解算法?；贛ATLAB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。167。 首先，根據(jù)軟件開發(fā)設(shè)計的簡單性、一致性、習(xí)常性的原則，確定了設(shè)計的一般步驟，具體如下: （1）分析界面所要求實現(xiàn)的主要功能，明確設(shè)計任務(wù)。 （2）繪出界面草圖，并對其進(jìn)行檢查 。 （3）按照構(gòu)思的草圖，制作靜態(tài)界面，并進(jìn)行檢查。 （4）編寫界面動態(tài)功能的程序，對其功能進(jìn)行逐項檢查。 （5）系統(tǒng)的進(jìn)行調(diào)試，確定系統(tǒng)功能的準(zhǔn)確性和連貫性。 按照以上步驟，首先利用MATLAB圖形用戶界面(GUI)設(shè)計系統(tǒng)的靜態(tài)界面。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。，用戶控件的回調(diào)函數(shù)根據(jù)用戶與GUI的具體交互方式分別調(diào)用?；卣{(diào)函數(shù)就是在調(diào)用對象時，該對象所要回應(yīng)的動作。因此，如何編寫對象的回調(diào)函數(shù)是該系統(tǒng)的一大難點。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。句柄實際上就是分配給每個對象的數(shù)字標(biāo)識，每次創(chuàng)建對象時，MATLAB就會自動為它創(chuàng)建一個唯一的句柄，這樣只要我們能找到該句柄，就能對該對象進(jìn)行操作。在MATLAB中常用獲得句柄的函數(shù)有以下幾種： gcf：獲取當(dāng)前圖形窗口的句柄 gca：獲取當(dāng)前坐標(biāo)軸的句柄 gco：獲取當(dāng)前對象的句柄 gcbo：獲取當(dāng)前正在調(diào)用的對象的句柄 gcbf：獲取包括正在執(zhí)行調(diào)用的對象的圖形的句柄我們就可以使用這幾個函數(shù)獲得要操作對象的句柄。例如可以利用get函數(shù)配合使用上面的幾個函數(shù)就可以獲得所要操作對象的數(shù)字標(biāo)識。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)。 理論上講，圖像是一種二維的連續(xù)函數(shù)，然而在計算機上對圖像進(jìn)行數(shù)字處理的時候，首先必須對其在空間和亮度上進(jìn)行數(shù)字化，這就是圖像的采樣和量化的過程。二維圖像進(jìn)行均勻采樣，就可以得到一幅離散化的數(shù)字圖像，該數(shù)字圖像是一個整數(shù)陣列，因而用矩陣來描述該數(shù)字圖像是最直觀最簡便的了。MATLAB的長處就是處理矩陣運算，因此用MATLAB處理數(shù)字圖像非常的方便。167。 1．系統(tǒng)的特點（1）界面友好，操作簡單方便 界面采用全中文方式的菜單和按鈕方式，便于用戶理解和觀察各種技術(shù)和算法對圖像作用的效果。用戶只需在選擇圖片后，對其進(jìn)行一些簡單的操作，即可觀察各種像處理技術(shù)特別是有關(guān)不可控環(huán)境的算法對圖像的影響。（2）可移植性、可擴展性強與Photoshop等商用軟件對比，不同于它們對圖像處理基本知識的要求低，可移植性和可擴展性差的特點，本文設(shè)計的系統(tǒng)包括圖像處理技術(shù)在不可控環(huán)境下應(yīng)用的大部分內(nèi)容。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(jìn)行改進(jìn)來擴充圖像處理的功能。所以這樣的系統(tǒng)具有較強的可移植性和可擴展性，可以較方便的增加新的內(nèi)容。 （3）可以進(jìn)行二次開發(fā) 本系統(tǒng)不僅可以作為學(xué)習(xí)、理論教學(xué)演示和實驗用，而且方便用戶進(jìn)行特定領(lǐng)域圖像處理軟件的開發(fā)和設(shè)計，如圖片預(yù)處理系統(tǒng)，指紋識別系統(tǒng)、車牌識別系統(tǒng)等等的設(shè)計。用戶可以根據(jù)實際情況利用本軟件進(jìn)行逐步的處理試驗，然后選擇最優(yōu)的處理算法、處理步驟，然后再編寫自己的軟件。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(jìn)或重新組合，開發(fā)出滿足實際需要的新軟件。2．系統(tǒng)的主要功能本系統(tǒng)處理功能強大，能進(jìn)行以下方面的圖像處理:（1）可以對圖像進(jìn)行基本的灰度圖，彩色圖，二值圖的轉(zhuǎn)換；（2）可以對圖像進(jìn)行變換操作，包括傅立葉變換、離散余弦變換和Radon變換操作；（3）可以對圖像進(jìn)行增強操作，包括點運算、空間域濾波、頻域濾波和彩色增強操作，其中點運算又包括灰度變換和直方圖調(diào)整，空間域濾波又包括圖像的平滑濾波、銳化濾波，頻域濾波又包括圖像的低通濾波、高通濾波，彩色增強又包括圖像的頻域偽彩色增強、灰度分層法偽彩色變換；（4）可以對圖像進(jìn)行幾何變換，包括旋轉(zhuǎn)、縮小、移動、水平鏡像、垂直鏡像、對角鏡像、綜合；（5）可以對圖像進(jìn)行壓縮編碼操作，包括DW編碼、基于小波變換編碼，和線性預(yù)測編碼操作；（6）可以對圖像進(jìn)行復(fù)原操作，包括自適應(yīng)性維納濾波法、WIENER濾波法等復(fù)原操作；（7）可以對圖像進(jìn)行開運算、閉運算、膨脹、腐蝕等數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)操作；（8）可以對圖像進(jìn)行分割操作，包括基于閾值法分割和邊緣檢測分割；（9）還有圖像特征分析的模塊，包括紋理特征分析和邊界提?。唬?0）最后還有一個實例，來體現(xiàn)圖像處理和分析的應(yīng)用。167。我們將按照數(shù)字圖像處理技術(shù)涉及的各個方法來設(shè)計系統(tǒng)的整體框架，整個系統(tǒng)主要由如下10個模塊及其子模塊組成，其中子模塊又可以再分下去，為了使框架圖清晰明了，這里的子模塊再分就不在這里描述了，在具體的設(shè)計中會有詳細(xì)的描述。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。1．系統(tǒng)界面簡介本界面設(shè)計的總體思路是在主窗口中，建立各種圖像處理的菜單，通過單擊菜單去調(diào)用一個程序來實現(xiàn)相應(yīng)的操作。主界面包括文件、編輯、圖像變換操作、圖像增強操作、幾何變換操作、壓縮編碼操作、圖像復(fù)原操作、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、圖像分割操作、圖像特征分析、實例共10個菜單。每一個菜單相應(yīng)的會有幾個子菜單，子菜單又會相應(yīng)的再分，其對應(yīng)的就是每一部分圖像處理的算法，我們這里以圖像變換中的傅立葉變換為例，通過主窗口單擊圖像變換操作，選擇傅立葉變換，進(jìn)入到傅立葉變換窗口界面，如圖所示。 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(jìn)行相應(yīng)的處理。主要的下拉菜單如圖所示。打開圖片后，選擇傅里葉變換:然后就會彈出傅里葉轉(zhuǎn)換后的結(jié)果：2．用戶界面設(shè)計概述傳統(tǒng)的用戶界面是指用戶與計算機之間進(jìn)行交互通信聯(lián)系的平臺，并出現(xiàn)了多種形式的人機交互方式，從命令行的交互方式轉(zhuǎn)變至以圖形界面為主的交互形式?，F(xiàn)在，圖形界面已在人機交互方式中占主導(dǎo)地位，這主要是由十它給用戶帶來了操作和控制的方便與靈活性。圖形用戶界面在程序開發(fā)中起著舉足輕重的作用?？紤]到用戶是初學(xué)者可能是非專業(yè)計算機人員，所以界面的設(shè)計與使用十分方便，大多數(shù)功能均采用菜單按鈕，用戶只需要利用鼠標(biāo)或鍵招就能方便地操作它。 系統(tǒng)設(shè)計由實現(xiàn)各種算法功能的用戶操作窗口所組成，窗口中包括標(biāo)題欄、菜單欄、各種控件及文字說明等。窗口的標(biāo)題欄用十給窗口取名，其名稱與實現(xiàn)的算法功能相一致。說明該窗口可以做什么工作。窗口中的菜單來實現(xiàn)各功能窗口的轉(zhuǎn)換，起到導(dǎo)航作用，用戶只需點擊菜單項就可進(jìn)入到相應(yīng)功能的用戶操作界面。菜單項的標(biāo)題是全中文的，從菜單條的名字很容易知道其功能。為了使菜單項簡潔，在一個窗口中只列出了同一大類包括的各個算法的菜單條。 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(biāo)軸等。167。 本系統(tǒng)主要實現(xiàn)圖像的讀寫、顯示等基本操作以及圖像處理相關(guān)操作。圖像處理模塊是本系統(tǒng)的核心。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(jìn)行相應(yīng)處理，對處理后的圖像進(jìn)行觀察分析，對算法進(jìn)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(jìn)行深入研究開發(fā)。 整個系統(tǒng)主要包括以下的功能模塊:（1）圖像基本操作模塊 可以對圖像進(jìn)行打開、退出基本操作，灰度圖，彩色圖，二值圖的轉(zhuǎn)換；（2）圖像變換模塊 可以對圖像進(jìn)行傅立葉變換、離散余弦變換和Radon變換操作；（3）圖像增強模塊 可以對圖像包括點運算、空間域濾波、頻域濾波和彩色增強操作，其中點運算又包括灰度變換和直方圖調(diào)整，空間域濾波又包括圖像的平滑濾波、銳化濾波，頻域濾波又包括圖像的低通濾波、高通濾波，彩色增強又包括圖像的頻域偽彩色增強、灰度分層法偽彩色變換；（4）幾何變換模塊 可以對圖像進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮小、移動、水平鏡像、垂直鏡像、對角鏡像、綜合操作；（5）壓縮編碼模塊 可以對圖像進(jìn)行包括DW編碼、基于小波變換編碼，和線性預(yù)測編碼操作；（6）圖像復(fù)原模塊 可以對圖像自適應(yīng)性維納濾波法、WIENER濾波法等復(fù)原操作；（7）數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)模塊 可以對圖像進(jìn)行開運算、閉運算、膨脹、腐蝕等操作；（8）圖像分割模塊 可以對圖像進(jìn)行分割操作，包括基于閾值法分割和邊緣檢測分割。（9）圖像特征分析的模塊 可以對圖像進(jìn)行包括紋理特征分析和邊界提取操作；（10）最后還有一個實例，來體現(xiàn)圖像處理和分析的應(yīng)用。第四章系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計 系統(tǒng)的程序設(shè)計采用MATLAB編程語言來實現(xiàn)。利用MATLAB的圖形用戶界面(GUI)來設(shè)計一程序運行的界面。整個系統(tǒng)由若干個運行界面和相應(yīng)的M函數(shù)文件所組成，每一個運行界面對應(yīng)的程序構(gòu)成一個M文件。同一個M文件中又包含若干個M函數(shù)，界面中的每一個控件及菜單項對應(yīng)的程序都有放在相應(yīng)的M函數(shù)內(nèi)。各個功能對應(yīng)的M函數(shù)文件，由一個主文件將它們聯(lián)成一個整體，最終形成處理系統(tǒng)。 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。對菜單的編程主要是調(diào)用系統(tǒng)中的其它M函數(shù)文件。 2．打開文件操作可以調(diào)用的圖像文件格式豐富，除了常用的*. jpg, *. Gif外還包括*.bmp,*.cur,*.hdf ,*.ico,*.pbm,*.pcx,*.pgm,*.png,*.pnm,*.ppm,*.ras、*.tif,*.tiff,*.xwd