【正文】 大些．因此，圖基于 MATLAB的數(shù)字二值圖像處理與形狀分析實(shí)現(xiàn) 3 像處理中信息壓縮的潛力很大． (4)由于圖像是三維景物的二維投影，一幅圖象本身不具備復(fù)現(xiàn)三維景物的全部幾何信息的能力，很顯然三維 景物背后部分信息在二維圖像畫面上是反映不出來(lái)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(cè)量，例如雙目圖像或多視點(diǎn)圖像． (5)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．由于人的視覺系統(tǒng)很復(fù)雜，受環(huán)境條件、視覺性能、人的情緒愛好以及知識(shí)狀況影響很大，作為圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)還有待進(jìn)一步深入的研究．另一方面，計(jì)算機(jī)視覺是模仿人的視覺，人的感知機(jī)理必然影響著計(jì)算機(jī)視覺的研究． 1． 2． 2 數(shù)字圖像處理常用方法 (1)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，如傅立葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換等間接處理技術(shù)，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（如傅立葉變換可在頻域中進(jìn)行數(shù)字濾波處理）． (2)圖像編碼壓縮：圖像編碼壓縮技術(shù)可減少描述圖像的數(shù)據(jù)量（即比特?cái)?shù)），以便節(jié)省圖像傳輸、處理時(shí)間和減少所占用的存儲(chǔ)器容量．壓縮可以在不失真的前提下獲得，也可以在允許的失真條件下進(jìn)行． (3)圖像增強(qiáng)和復(fù)原：圖像增強(qiáng)和復(fù)原的目的是為了提高圖像的質(zhì)量，如去除噪聲，提高圖像的清晰度等．圖像增強(qiáng)不考慮圖像 降質(zhì)的原因，突出圖像中所感興趣的部分． (4)圖像分割：圖像分割是數(shù)字圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一．圖像分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來(lái)，其有意義的特征有圖像中的邊緣、區(qū)域等，這是進(jìn)一步進(jìn)行圖像識(shí)別、分析和理解的基礎(chǔ)． (5)圖像描述：圖像描述是圖像識(shí)別和理解的必要前提．作為最簡(jiǎn)單的二值圖像可采用其幾何特性描述物體的特性，一般圖像的描述方法采用二維形狀描述，它有邊界描述和區(qū)域描述兩類方法．對(duì)于特殊的紋理圖像可采用二維紋理特征描述． (6)圖像分類（識(shí)別）：圖像分類（識(shí)別）屬于模式識(shí)別的范疇，其主要內(nèi)容是圖 像經(jīng)過(guò)某些預(yù)處理（增強(qiáng)、復(fù)原、壓縮）后，進(jìn)行圖像分割和特征提取，從而進(jìn)行判決分類．圖像分類常采用經(jīng)典的模式識(shí)別方法，有統(tǒng)計(jì)模式分類和句法（結(jié)構(gòu)）模式分類． 基于 MATLAB的數(shù)字二值圖像處理與形狀分析實(shí)現(xiàn) 4 1． 3 數(shù)字圖像處理的優(yōu)點(diǎn) (1)再現(xiàn)性好．?dāng)?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(guò)程始終能保持圖像的再現(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．對(duì)計(jì)算機(jī) 而言，不論數(shù)組大小，也不論每個(gè)像素的位數(shù)多少，其處理程序幾乎是一樣的．換言之，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(lái)自多種信息源，它們可以是可見光圖像，也可以是不可見的波譜圖像．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(lái)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（彩色圖像也是由灰度圖像組合成的，例如 RGB 圖像由紅、綠、藍(lán)三個(gè)灰度圖像組合而 成）組合而成，因而均可用計(jì)算機(jī)來(lái)處理．即只要針對(duì)不同的圖像信息源，采取相應(yīng)的圖像信息采集措施，圖像的數(shù)字處理方法適用于任何一種圖像． (4)靈活性高．圖像處理大體上可分為圖像的像質(zhì)改善、圖像分析和圖像重建三大部分，每一部分均包含豐富的內(nèi)容．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，這極大地限制了光學(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，而且能實(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(lái)表達(dá)的一切運(yùn)算均可用數(shù)字圖像處理實(shí)現(xiàn)． 1． 4 數(shù)字圖像處理在生活中的應(yīng)用 圖像是人類獲取和交 換信息的主要來(lái)源，因此，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域必然涉及到人類生活和工作的方方面面．隨著人類活動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大，圖像處理的應(yīng)用領(lǐng)域也將隨之不斷擴(kuò)大． (1)航天和航空技術(shù)方面的應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)在航天和航空技術(shù)方面的應(yīng)用，除了上面介紹的 JPL 對(duì)月球、火星照片的處理之外，另一方面的應(yīng)用是在飛機(jī)遙感和衛(wèi)星遙感技術(shù)中． (2)生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用數(shù)字圖像處理在生物醫(yī)學(xué)工程方面的應(yīng)用十分廣泛，而且很有成效． 基于 MATLAB的數(shù)字二值圖像處理與形狀分析實(shí)現(xiàn) 5 (3)通信工程方面的應(yīng)用當(dāng)前通信的主要發(fā)展方向是聲音、文字、圖像和數(shù)據(jù)結(jié)合的多媒體通信． (4)工業(yè)和工程方 面的應(yīng)用在工業(yè)和工程領(lǐng)域中圖像處理技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，如自動(dòng)裝配線中檢測(cè)零件的質(zhì)量 ,并對(duì)零件進(jìn)行分類，印刷電路板疵病檢查． (5)軍事公安方面的應(yīng)用在軍事方面圖像處理和識(shí)別主要用于導(dǎo)彈的精確末制導(dǎo)，各種偵察照片的判讀，具有圖像傳輸、存儲(chǔ)和顯示的軍事自動(dòng)化指揮系統(tǒng)，飛機(jī)、坦克和軍艦?zāi)M訓(xùn)練系統(tǒng)等． (6)文化藝術(shù)方面的應(yīng)用目前這類應(yīng)用有電視畫面的數(shù)字編輯，動(dòng)畫的制作，電子圖像游戲，紡織工藝品設(shè)計(jì)． (7)機(jī)器人視覺 ,視頻和多媒體，系統(tǒng)科學(xué)可視化電子商務(wù)等． 1． 5 數(shù)字圖像處理的展望 1． 5． 1 數(shù)字圖像處理 未來(lái)的發(fā)展 經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)字圖像處理這門課程的學(xué)習(xí)，以及對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中應(yīng)用的了解，我認(rèn)為圖像處理技術(shù)未來(lái)的發(fā)展大致體現(xiàn)在以下四個(gè)方面 (1)超高速、高分辨率、立體化、多媒體、智能化和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展 (2)圖像與圖形相結(jié)合朝著三維成像或多維成像的方向發(fā)展 (3)新理論和新算法的研究 1． 5． 2 在發(fā)展過(guò)程中要注意的問(wèn)題 在數(shù)字圖像處理進(jìn)一步發(fā)展的過(guò)程中需要注意的問(wèn)題主要有如下五個(gè)方面： (1)在進(jìn)一步提高精度的同時(shí)著重解決處理速度問(wèn)題； (2)加強(qiáng)軟件研究，開發(fā)新的處理方法，特別要注意移植和借鑒其他 學(xué)科的技術(shù)和研究成果，創(chuàng)造新的處理方法； (3)加強(qiáng)邊緣學(xué)科的研究工作，促進(jìn)圖像處理技術(shù)的發(fā)展； (4)加強(qiáng)理論研究，逐步形成處理科學(xué)自身的理論體系； (5)時(shí)刻注意圖像處理領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題． 基于 MATLAB的數(shù)字二值圖像處理與形狀分析實(shí)現(xiàn) 6 第二章 MATLAB基本知識(shí)介紹 2． 1 MATLAB 概述 MATLAB 由美國(guó) mathworks 公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式 程序設(shè)計(jì) 的高科技計(jì)算環(huán)境 ． 它將 數(shù)值分析 、 矩陣計(jì)算 、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非 線性 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模 和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究、工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效 數(shù)值計(jì)算 的眾多科學(xué) 領(lǐng)域 提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 （如 C、 Fortran）的編輯模式 ． MATLAB 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的 指令 表達(dá)式 與 數(shù)學(xué) 、工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB 來(lái)解算問(wèn)題要比用 C， FORTRAN 等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且 MATLAB 也吸收了像 Maple 等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使 MATLAB 成為一個(gè)強(qiáng)大的 數(shù)學(xué)軟件 ． 在新的版本中也加入了對(duì) C， FORTRAN， C++， JAVA 的支持 ． 可以直接調(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲?MATLAB 函數(shù) 庫(kù)中方便自己以后調(diào)用 ． 2． 2 MATLAB 的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn) 2． 2． 1 編程環(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(lái)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(jiǎn)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(jiǎn)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(guò)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 ． 2． 2． 2 簡(jiǎn)單易用 MATLAB 是一個(gè)高級(jí)的 矩陣 /陣列語(yǔ)言，它 包含 控制語(yǔ)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(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編基于 MATLAB的數(shù)字二值圖像處理與形狀分析實(shí)現(xiàn) 7 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(yǔ)言是基于最為流行的 C++語(yǔ)言 基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與 C++語(yǔ)言極 為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員 對(duì)數(shù) 學(xué)表達(dá)式的書寫格式 ． 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(yǔ)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 ． 2． 2． 3 強(qiáng)處理能力 MATLAB 是一個(gè)包含大量計(jì)算 算法 的 集合 ． 其擁有 600 多個(gè)工程中要用到的 數(shù)學(xué) 運(yùn)算函數(shù) ，可以方便的實(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(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理 ． 在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)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(jiǎn)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(wèn)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(wèn)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 ． 2． 2． 4 圖形處理 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(lái)，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 ． 可用于科學(xué)計(jì)算和工程繪圖 ． 2． 2． 5 程序接口 新版本的 MATLAB 可以利用 MATLAB 編譯器和 C/C++數(shù)學(xué) 庫(kù)和圖形庫(kù)，將自己的MATLAB 程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于 MATLAB 運(yùn)行的 C 和 C++代碼 ． 允許用戶編寫可以和MATLAB 進(jìn)行交互的 C 或 C++語(yǔ)言程序 ． 基于 MATLAB的數(shù)字二值圖像處理與形狀分析實(shí)現(xiàn) 8 2． 2． 6 應(yīng)用軟件開發(fā) 在開發(fā)環(huán)境中，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，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對(duì)性對(duì)起 連接 注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向 Excel 和 HDF5 進(jìn)行連接 ． 2． 3 MATLAB 在圖像處理中的應(yīng)用 數(shù)字圖像處理工具箱函數(shù)包括以下 15 類：、⑴、圖像顯示函數(shù)；⑵、圖像文件輸入、輸出函數(shù)；⑶、圖像幾何操作函數(shù)；⑷、圖像像素值及統(tǒng)計(jì)函數(shù)；⑸、圖像分析函數(shù)；⑹、圖像增強(qiáng)函數(shù)；⑺、線性濾波函數(shù)；⑻、二維線性濾波器設(shè)計(jì)函數(shù)；⑼、圖像變換函數(shù)；⑽、圖像鄰域及塊操作函數(shù)； ⑾、二值圖像操作函數(shù)；⑿、基于區(qū)域的圖像處理函數(shù)；⒀、顏色圖操作函數(shù)；⒁、顏色空間轉(zhuǎn)換函數(shù)；⒂、圖像類型和類型轉(zhuǎn)換函數(shù)． 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(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 可操作的圖像文件包括 BMP、 HDF、 JPEG、 PCX、 TIFF、 XWD等格式．下面就圖像處理的基本過(guò)程討論工具箱所實(shí)現(xiàn)的常用功能． 2． 3． 1 常用圖像操作 圖像的讀寫與顯示操作：用 imread( )讀取圖像 ， imwrite( )輸出圖像，把圖像顯示于屏幕有 imshow( ), image( )等函數(shù)． imcrop( )對(duì)圖像進(jìn)行裁剪，圖像的插值縮放可用 imresize( )函數(shù)實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)用 imrotate( )實(shí)現(xiàn)． 2． 3． 2 圖像增強(qiáng)功能 圖像增強(qiáng)是數(shù)字圖像處理過(guò)程中常用的一種方法，目的是采用一系列技術(shù)去改善圖像的視覺效果或?qū)D像轉(zhuǎn)換成一種更適合于人眼觀察和機(jī)器自動(dòng)分析的形式． 2． 3． 3 灰度直方圖均衡化 均勻量化的自然圖像的灰度直方圖通常在低灰度區(qū)間上頻率較大，使得圖像中較暗區(qū)基于 MATLAB的數(shù)字二值圖像處理與形狀分析實(shí)現(xiàn) 9 域中的細(xì)節(jié)看不清楚，采用 直方圖修整可使原圖像灰度集中的區(qū)域拉開或使灰度分布均勻，從而增大反差，使圖像的細(xì)節(jié)清晰，達(dá)到增強(qiáng)目的．直方圖均衡化可用 histeq( )函數(shù)實(shí)現(xiàn)． 2． 3． 4 灰度變換法 照片或電子方法得到的圖像，常表現(xiàn)出低對(duì)比度即整個(gè)圖像偏亮或偏暗，為此需要對(duì)圖像中的每一像素的灰度級(jí)進(jìn)行標(biāo)度變換，擴(kuò)大圖像灰度范圍，以達(dá)到改善圖像質(zhì)量的目的．這一灰度調(diào)整過(guò)程可用 imadjust( )函數(shù)實(shí)現(xiàn)． 2． 3． 5 平滑與銳化濾波 平滑技術(shù)用于平