【正文】 hnologies. Key words： MATLAB, digital image processing, image enhancement, 2numeric image 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 目 錄 摘 要 ..................................................................................I 1 緒論 ............................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .............. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 課題研究目的及意義 數(shù)字圖像 處理（ Digital Image Processing），就是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)或者其他數(shù)字硬件，對(duì)從圖像信息轉(zhuǎn)換而得到的電信號(hào)進(jìn)行某些數(shù)學(xué)運(yùn)算，以提高圖像的實(shí)用性?？偟膩碚f，數(shù)字圖像處理包括點(diǎn)運(yùn)算、幾何處理、圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原、圖像形態(tài)學(xué)處理、圖像編碼、圖像重建、模式識(shí)別等。目前數(shù)字 圖像處理的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)滲透到工業(yè)、醫(yī)療保健、航空航天、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮越來越大的作用。應(yīng)用 MATLAB友好的界面和豐富、實(shí)用、高效的指令及模塊，可以使人較快地認(rèn)識(shí)、理解圖像處理的相關(guān)概念，逐步掌握?qǐng)D像信號(hào)處理的基本方法，進(jìn)而能夠解決相關(guān)的工程和科研中的問題。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 ， 已在國(guó)家安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、日常生活中充當(dāng)越來越重要的角色 ,對(duì)國(guó)計(jì)民生的作用不可低估。數(shù)字圖像處理作為一門學(xué)科大約形成于 20 世紀(jì) 60 年代初期。圖像處理中，輸入的是質(zhì)量低的圖像，輸出的是改善青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 6 質(zhì)量后的圖像，常用的圖像處理方法有圖像增強(qiáng)、復(fù)原、編碼、壓縮等 。他們對(duì)航天探測(cè)器徘徊者 7號(hào)在 1964年發(fā)回的幾千張?jiān)虑蛘掌褂昧藞D像處理技術(shù)，如幾何校正、灰度變換、去除噪聲等方法進(jìn)行處理，并考慮了太陽位置和月球環(huán)境的影響，由計(jì)算機(jī)成功地繪制出月球表面地圖，獲得了巨大的成功。在以后的宇航空間技術(shù)，如對(duì)火星、土星等星球的探測(cè)研究中，數(shù)字圖像處理技術(shù)都發(fā)揮了巨大的作用。 1972 年英國(guó) EMI 公司工程師 Housfield 發(fā)明了用于頭顱診斷的 X 射線計(jì)算機(jī)斷層攝影裝置，也就是我們通常所說的 CT（ Computer Tomograph）。 1975 年 EMI 公司又成功研制出全身用的 CT裝置，獲得了人體各個(gè)部位鮮明清晰的斷層圖像。 與此同時(shí)，圖像處理技術(shù)在許多應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛重視并取得了 重大的開拓性成就，屬于這些領(lǐng)域的有航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、工業(yè)檢測(cè)、機(jī)器人視覺、公安司法、軍事制導(dǎo)、文化藝術(shù)等，使圖像處理成為一門引人注目、前景遠(yuǎn)大的新型學(xué)科。人們已開始研究如何用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解釋圖像，實(shí)現(xiàn)類似人類視覺系統(tǒng)理解外部世界，這被稱為圖像理解或計(jì)算機(jī)視覺。其中代表性的成果是 70 年代末 MIT 的 Marr 提出的視覺計(jì)算理論，這個(gè)理論成為計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域其后十多年的主導(dǎo)思想。 本課題研究工作與結(jié)構(gòu)安排 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 7 本文主要以 MATLAB 為工具來實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的處理。 第二章 介紹了數(shù)字圖像增強(qiáng)處理的基本簡(jiǎn)介。 第四章 介紹了圖像增強(qiáng)的原理及利用 MATLAB 來實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。 第六章 總結(jié)與展望。這里的好和有用要因具體的應(yīng)用目的和要求而異，并且所需的具體增強(qiáng)技術(shù)也可不同。第一類，直接在圖像所在的空間進(jìn)行處理，也就是在像素組成的空間里直接對(duì)像素進(jìn)行操作；第二類，在圖像的變化域?qū)D像進(jìn)行間接處理。 增強(qiáng)對(duì)比度實(shí)際是增強(qiáng)原圖像的各部分的反差。 對(duì)圖像求反是將原來的灰度值翻轉(zhuǎn)，簡(jiǎn)單的說就是使黑變白，使白變黑。具體的變換就是將圖像中每個(gè)像素的灰度值根據(jù)變換 曲線進(jìn)行映射。 線形濾波器的設(shè)計(jì)常基于對(duì)傅立葉變換的分析。 另外各種濾波器根據(jù)功能又主要分成平滑濾波和銳化濾波。因?yàn)楦哳l分量對(duì)應(yīng)圖像中的區(qū)域邊緣等灰度值具有較大較快變化的部分，濾波器將這些分量濾去可使圖像平滑。設(shè)函數(shù) f（ x,y）與青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 9 線性位不變算子 h（ x,y）的卷積結(jié)果是 g（ x,y），即 g(x,y)=h(x,y)*f(x,y) 那么根據(jù)卷積定理在頻域有： G(x,y)=H(u,v)F(u,v) 其中 G(x,y)、 H(u,v)、 F(u,v)分別是 g(x,y)、 h(x,y)、 f(x,y)的傅立葉變換。 常用的頻域增強(qiáng)方法有低通濾波和 高通濾波。圖像的能量大部分集中在幅度譜的低頻和中頻度，而圖像的邊緣和噪聲對(duì)應(yīng)于高頻部分。 高通濾波也稱高頻濾波器，它的頻值在 0頻率處單位為 1，隨著頻率的增長(zhǎng)，傳遞函數(shù)的值逐漸增加；當(dāng)頻率增加到一定值之后傳遞函數(shù)的值通常又回到 0值或者降低到某個(gè)大于 1的值。 實(shí)際應(yīng)用中，為了減少圖像中面積大且緩慢變化的成分的對(duì)比度，有時(shí)讓 0頻率處的增益小于單位 1更合適。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 10 3 MATLAB 基本知識(shí)介紹 MATLAB 的概述 MATLAB 是 MATrix LABoratory（“矩陣實(shí)驗(yàn)室”）的縮寫，是由美國(guó)MathWorks 公司開發(fā)的集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算和圖形可視化三大基本功能于一體的，功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單的語言。 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來解算問題要比用 C,FORTRAN等語 言完相同的事情簡(jiǎn)捷得多。 另 一 類 是 數(shù) 學(xué) 分 析 型 軟件 ,Mathematica,Maple 等 ,這類軟件以符號(hào)計(jì)算見長(zhǎng) ,能給出解析解和任意精確解 ,其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)效率較低 .MathWorks 公司順應(yīng)多功能需求之潮流 ,在其卓越數(shù)值計(jì)算和圖示能力的基礎(chǔ)上 ,又率先在專業(yè)水平上開拓了其符號(hào)計(jì)算 ,文字處理 ,可視化建模和實(shí)時(shí)控制能力 ,開發(fā)了適合多學(xué)科 ,多部門要求的新一代科技應(yīng)用軟件 ,MATLAB 以經(jīng)占據(jù)了數(shù)值軟件市場(chǎng)的主導(dǎo)地位 . 在 MATLAB 進(jìn)入市場(chǎng)前，國(guó)際上的許多軟件包都是直接以 FORTRANC 語言 等編程語言開發(fā)的。 MATLAB 的出現(xiàn)，為各國(guó)科學(xué)家開發(fā)學(xué)科軟件提供了新的基礎(chǔ)。 時(shí)至今日，經(jīng)過 MathWorks 公司的不斷完善， MATLAB 已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科，多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大大大型軟件。在歐美等高校， MATLAB 已經(jīng)成為線性代數(shù)，自動(dòng)控制理論，數(shù)理統(tǒng)計(jì) ，數(shù)字信號(hào)處理，時(shí)間序列分析，動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生，碩士生，博士生必須掌握的基本技能。在國(guó)內(nèi)，特別是工程界， MATLAB 一定會(huì)盛行起來。 MATLAB語言的特點(diǎn) 一種語言之所以能如此迅速地普及，顯示出如此旺盛的生命力，是由于它青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 12 有著不同于其他語言的特點(diǎn)，正如同 FORTRAN 和 C等高級(jí)語言使人們擺脫了需要直接對(duì)計(jì)算機(jī)硬 件資源進(jìn)行操作一樣，被稱作為第四代計(jì)算機(jī)語言的 MATLAB，利用其豐富的函數(shù)資源，使編程人員從繁瑣的程序代碼中解放出來。 MATLAB 用更直觀的，符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了 C和 FORTRAN 語言的冗長(zhǎng)代碼。以下簡(jiǎn)單介紹一下 MATLAB 的主要特點(diǎn)。 MATLAB 程序書寫形式自由，利用起豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作?？梢哉f，用 MATLAB 進(jìn)行科技開發(fā)是站在專家的肩膀上。由于 MATLAB 是用 C 語言編寫的， MATLAB 提供了和 C 語言幾乎一樣多的運(yùn)算符，靈活使用 MATLAB 的運(yùn)算符將使程序變得極為簡(jiǎn)短。 （ 4）程序限制不嚴(yán)格，程序設(shè)計(jì)自由度大。 （ 5）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。在 FORTRAN 和 C語言里，繪圖都很不容易，但在 MATLAB 里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡(jiǎn)單。 （ 7） MATLAB 的缺點(diǎn)是，它和其他高級(jí)程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。 （ 8）功能強(qiáng)大的工具箱是 MATLAB 的另一特色。核心部分中有數(shù)百個(gè)核心內(nèi)部函數(shù)。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實(shí)時(shí)交互功能。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強(qiáng)的，如 control， toolbox, 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 13 signl processing toolbox, mumnication toolbox 等。 （ 9） 源程序的開放性。除 內(nèi)部函數(shù)以外，所有 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對(duì)源文件的修改以及加入自己的文件構(gòu)成新的工具箱。所支持的圖像處理操作有 :圖像的幾何操作、鄰域和區(qū)域操作、圖像變換、圖像恢復(fù)與增強(qiáng)、線性濾波和濾波器設(shè)計(jì)、變換 (DCT 變換等 ) 、圖像分析和統(tǒng)計(jì)、二值圖像操作等。 （ 1） 圖像文件格式的讀寫和顯示。 （ 2） 圖像處理的基本運(yùn)算。例如， conv2(I， J)實(shí)現(xiàn)了 I， J兩幅圖像的卷積。 MATLAB 提供了一維和二維離散傅立葉變換 (DFT) 、快速傅立葉變換 (FFT) 、離散余弦變換 (DCT) 及其反變換函數(shù)，以及連續(xù)小波變換(CWT)、離散小波變換 (DWT)及其反變換。針對(duì)圖像的統(tǒng)計(jì)計(jì)算 MATLAB 提供了校正、直方圖均衡、中值濾波、對(duì)比度調(diào)整、自適應(yīng)濾波等對(duì)圖像進(jìn)行的處理。針對(duì)二值圖像， MATLAB 提供了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算函數(shù)；腐蝕 (Erode)、膨脹 (Dilate)算子，以及在此基礎(chǔ)上的開 (Open)、閉(Close)算子、厚化 (Thicken) 、薄化 (Thin) 算子等豐富的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)運(yùn)算。具體的用法可參考 MATLAB青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 14 豐富的幫助文檔。 青島理工大學(xué)琴島學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 15 4 圖像增強(qiáng) 圖像增強(qiáng)是一類基本的圖像處理技術(shù)，其目的是對(duì)圖像 進(jìn)行加工，以得到對(duì)具體應(yīng)用來說視覺效果更好、更有用的圖像。 目前常用的增強(qiáng)技術(shù)根據(jù)其處理所進(jìn)行的空間不同，可分為基于圖像域的方法和