【正文】 已有算法的比較研究和新算法的開發(fā)。第二章 數(shù)字圖像處理技術(shù)及MATLAB軟件簡(jiǎn)介167。數(shù)字圖像處理技術(shù)主要包括如下內(nèi)容：幾何處理(Geometrical Processing)、算術(shù)處理(Arithmetic processing)、圖像增強(qiáng)(Image Enhancement)、圖像復(fù)原(Image Restoration)、圖像重建(Image Reconstruction)、圖像編碼(Image Encoding)、圖像識(shí)別(Image Recognition)、圖像理解(Image Understanding)。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(cè)、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。1．?dāng)?shù)字圖像處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)（1）再現(xiàn)性好數(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。（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。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。（4）靈活性高 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，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，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)系來表達(dá)的一切運(yùn)算均可用數(shù)字圖像處理實(shí)現(xiàn)。在圖像畫面上，經(jīng)常有很多像素有相同或接近的灰度。因此，圖像處理中信息壓縮的潛力很大。如一幅256256低分辨率黑白圖像，要求約64k的數(shù)據(jù)量；對(duì)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～。（2）數(shù)字圖像處理占用的頻帶較寬 與音頻信息相比，占用的頻帶要大n個(gè)數(shù)量級(jí)。所以在成像、傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示等各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)上，技術(shù)難度較大，成本高。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。（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(píng)價(jià)的，因此受人的因素影響較大。具體表現(xiàn)為:①提高分辨率。主要提高計(jì)算機(jī)的處理速度，并且D/A和A/D的速度也要實(shí)時(shí)化；③多媒體化。圖像一般是二維信息，而信息量要大很多的三維圖像則將隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展將得到越來越廣泛的應(yīng)用；⑤標(biāo)準(zhǔn)化。⑥智能化。（2）圖形與圖像相結(jié)合，朝著多維成像的方向發(fā)展。（4）新算法與新理論的研究。167。2．算數(shù)處理 算數(shù)圖像處理主要對(duì)圖像施以加、減、乘、除等運(yùn)算。因此，往往采用各種圖像變換的方法，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。主要方法有直方圖增強(qiáng)、偽彩色增強(qiáng)法、灰度窗口等技術(shù)。典型的去噪操作就屬于復(fù)原處理。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(duì)運(yùn)動(dòng)，大氣湍流，以及云層遮擋等。去除圖像畸變則需要借助圖像的空間變換操作。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。7．圖像重建 幾何處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原都是從圖像到圖像的處理，即輸入的原始數(shù)據(jù)是圖像，處理后輸出的也是圖像，而重建處理則是從數(shù)據(jù)到圖像的處理，也就是說輸入的是某種數(shù)據(jù)，而處理結(jié)果得到的是圖像。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(yùn)用最為廣泛，因?yàn)樗倪\(yùn)算量小、速度快。三維重建技術(shù)也是當(dāng)今頗為熱門的虛擬現(xiàn)實(shí)和科學(xué)可視化技術(shù)的基礎(chǔ)。一般來說，圖像編碼的目的有3個(gè)：(1)減少數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)別做準(zhǔn)備。當(dāng)今，模式識(shí)別方法大致3種，即統(tǒng)計(jì)識(shí)別法、句法結(jié)構(gòu)模式識(shí)別法和模糊識(shí)別法。10．圖像理解 圖像理解是由模式識(shí)別發(fā)展起來的方法。這種描述并不僅是單純的用符號(hào)做出詳細(xì)的描繪，而且要利用客觀世界的知識(shí)使計(jì)算機(jī)進(jìn)行聯(lián)想、思考及推論，從而理解圖像所表現(xiàn)的內(nèi)容。 在社會(huì)生產(chǎn)和科研活動(dòng)中，人們要頻繁的接觸到圖像，例如照片、圖畫、書報(bào)、醫(yī)學(xué)X光片和衛(wèi)星遙感圖像等。隨著計(jì)算機(jī)的高速化和大容量化，圖像信息的處理已成為可能。隨著這些技術(shù)的進(jìn)步，圖像處理在工作站及個(gè)人計(jì)算機(jī)的小型機(jī)上已可以實(shí)現(xiàn)。1． 在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用主要包括顯微圖像處理；DNA顯示分析；紅、白血球分析計(jì)數(shù)；蟲卵及組織切片的分析；癌細(xì)胞的識(shí)別；染色體分析等等。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(cè)，焊縫及內(nèi)部缺陷檢查；交通管制、機(jī)場(chǎng)監(jiān)控；火車車皮識(shí)別等。5． 其他應(yīng)用圖像的遠(yuǎn)距離通信；多媒體計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用；電視電話；服裝試穿顯示；理發(fā)發(fā)型預(yù)測(cè)顯示；電視會(huì)議；辦公自動(dòng)化、現(xiàn)場(chǎng)視頻管理等。 MATLAB軟件簡(jiǎn)介 MATLAB是Math works公司于推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，其全稱是Matrix Laboratory，亦即矩陣實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)過多年的逐步發(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，是近幾年來在國(guó)內(nèi)外廣泛流行的一種可視化科學(xué)計(jì)算軟件。Math Works公司針對(duì)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，推出了信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理、小波分析、魯棒控制、非線性系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)、系統(tǒng)辨識(shí)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)分析、財(cái)政金融、樣條、通信等30多個(gè)具有專門功能的工具箱，這些工具箱是由該領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)術(shù)水平較高的專家編寫的，無需用戶自己編寫所用的專業(yè)基礎(chǔ)程序，可直接對(duì)工具箱進(jìn)行運(yùn)用。MATLAB中的數(shù)字圖像是以矩陣形式表示的，這意味著MATLAB強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力用于圖像處理非常有利。167。這使MATLAB用戶在短時(shí)間內(nèi)就能快速地掌握其主要內(nèi)容和基本操作?？梢哉f，MATLAB在科學(xué)計(jì)算與工程應(yīng)用方面的編程效率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他高級(jí)語言。Math works公司針對(duì)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，推出了自動(dòng)控制、信號(hào)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(jì)、偏微分方程、財(cái)政金融等30多個(gè)具有專門功能的MATLAB工具箱。MATLAB支持用戶對(duì)其函數(shù)進(jìn)行二次開發(fā)，用戶的應(yīng)用程序可以作為新的函數(shù)添加到相應(yīng)的工具箱中。（4）高效性 MATLAB語句功能十分強(qiáng)大，一條語句可完成十分復(fù)雜的任務(wù)。據(jù)Math works公司聲稱，MATLAB軟件中所包含MATLAB源代碼相當(dāng)于70萬條C代碼。2．MATLAB的缺點(diǎn) 然而MATLAB自身存在的某些缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用范圍。 （2）MATLAB程序不能脫離其環(huán)境運(yùn)行，因此它不能被用于開發(fā)商用軟件。167。MATLAB中通常用二維數(shù)組來存儲(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。 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。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。這些函數(shù)按其功能可分為:圖像顯示；圖像文件I/O；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；顏色空間變換；圖像類型和類型轉(zhuǎn)換。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)又可得到直觀圖示。 MATLAB支持的圖像類型及其轉(zhuǎn)換分析 MATLAB中的一幅圖像可能包含一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣，也可能包含一個(gè)顏色映射表矩陣，它包含4種基本的圖像類型：索引圖像、灰度圖像、RGB圖像和二值圖像。1．索引圖像 索引圖像包括一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣A，一個(gè)顏色映射矩陣B。B矩陣的每一行分別表示紅色、綠色和藍(lán)色的顏色值。像素顏色由數(shù)據(jù)矩陣A作為索引指向矩陣B進(jìn)行索引。2．灰度圖像 MATLAB中，一幅灰度圖像是一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣I,其中I的數(shù)據(jù)均代表了在一定范圍內(nèi)的顏色灰度值。矩陣中的元素可以是雙精度的浮點(diǎn)數(shù)類型、8位或16位無符號(hào)的整數(shù)類型。但是在顯示灰度圖像時(shí)，MATLAB仍然在后臺(tái)使用系統(tǒng)預(yù)定義的默認(rèn)的灰度顏色映射表。二值圖像可以采用uint8和double類型存儲(chǔ)，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。數(shù)組中的元素定義了圖像中每一個(gè)像素的紅、綠、藍(lán)顏色值。像素的顏色保存在像素位置上的紅、綠、藍(lán)的強(qiáng)度值的組合來確定。這樣可以有約1000萬種顏色（即224=16777216）。圖像序列是一個(gè)四維的數(shù)組，圖像幀的序號(hào)在圖像的長(zhǎng)、寬、顏色深度之后構(gòu)成第四維。在MATLAB中，： 圖像類型轉(zhuǎn)換函數(shù) 函數(shù)名 函數(shù)功能 dither 圖像抖動(dòng)，將灰度圖變成二值圖，或?qū)⒄娌噬珗D像抖動(dòng)成索 引色圖像 gray2ind 將灰度圖像轉(zhuǎn)換成索引圖像 grayslice 通過設(shè)定閾值將灰度圖像轉(zhuǎn)換成索引色圖像 im2bw 通過設(shè)定亮度閾值將真彩色、索引色、灰度圖轉(zhuǎn)換成二值圖 ind2gray 將索引色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像 ind2rgb 將索引色圖像轉(zhuǎn)換成真彩色圖像 mat2gray 將一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)換成一副灰度圖 rgb2gray 將一副真彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像 rgb2ind 將真彩色圖像轉(zhuǎn)換成索引色圖像 167。但從Math Works公司推出MATLAB ，這種局面有了較大改觀。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(jí)圖形工具。MATLAB具有強(qiáng)大的矩陣運(yùn)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)行。例如，為了實(shí)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(jì)顯示界面，接下來才可以看到一幅圖像顯示在顯示屏上。而使用MATLAB提供的工具箱函數(shù)，只需幾行代碼就可實(shí)現(xiàn)它。由以上對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，使用MATLAB編程的確可以簡(jiǎn)化操作，減輕編程壓力。但這個(gè)問題正隨著版本的不斷升級(jí)而得到很大程度的改善。第三章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)167。其流程圖如下： 原始圖像 圖像識(shí)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(qiáng)紋理特征分析數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué) 流程圖圖中，每個(gè)步驟都包括幾個(gè)模塊，每個(gè)模塊都會(huì)實(shí)現(xiàn)各自的功能，并針對(duì)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。最后通過一個(gè)實(shí)例對(duì)圖像處理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的詮釋?；贛ATLAB的圖像處理工具箱實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能，系統(tǒng)界面友好，交互性強(qiáng)，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(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的、感性的理解和學(xué)習(xí)圖像處理的知識(shí)。 首先，根據(jù)軟件開發(fā)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性、一致性、習(xí)常性的原則，確定了設(shè)計(jì)的一般步驟，具體如下: （1）分析界面所要求實(shí)現(xiàn)的主要功能，明確設(shè)計(jì)任務(wù)。 （3）按照構(gòu)思的草圖，制作靜態(tài)界面，并進(jìn)行檢查。 （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。當(dāng)靜態(tài)界面設(shè)計(jì)完成之后，.M文件包括GUI設(shè)計(jì)、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(shí)的各種特征?；卣{(diào)函數(shù)就是在調(diào)用對(duì)象時(shí)，該對(duì)象所要回應(yīng)的動(dòng)作。在為編寫回調(diào)函數(shù)時(shí)，獲得該函數(shù)的句柄是實(shí)現(xiàn)對(duì)象動(dòng)作功能的關(guān)鍵所在。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(duì)象的句柄 gcbo：獲取當(dāng)前正在調(diào)用的對(duì)象的句柄 gcbf：獲取包括正在執(zhí)行調(diào)用的對(duì)象的圖形的句柄我們就可以使用這幾個(gè)函數(shù)獲得要操作對(duì)象的句柄。一旦獲得所要操作對(duì)象的句柄，接下來的工作就是系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。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(gè)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(jiǎn)便的了。167。用戶只需在選擇圖片后，對(duì)其進(jìn)行一些簡(jiǎn)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(duì)圖像的影響。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(duì)這些代碼進(jìn)行改進(jìn)來擴(kuò)充圖像處理的功能。 （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(shí)驗(yàn)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(jì)，如圖片預(yù)處理系統(tǒng)，指紋識(shí)別系統(tǒng)、車牌識(shí)別系統(tǒng)等等的設(shè)計(jì)。當(dāng)處理結(jié)果不能完全滿足要求時(shí)，用戶可以知道具體是哪個(gè)或哪些處理步驟不能滿足要求，從有針對(duì)性的對(duì)算法加以改進(jìn)或重新組合，開發(fā)出滿足實(shí)際需要的新軟件。167。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