MATLAB數(shù)字圖像處理論文.pdf

5 2 實 驗 科 學(xué) 與 技 術(shù) 2 0 0 8年2月 MA T L A B環(huán)境下的數(shù) 字圖像處理實驗入 門 張博夫 梁凱琦 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系 廣東 深圳5 1 8 0 5 5 摘要 簡述了數(shù)字圖像處理 MA T L A B軟件及兩者之間的關(guān) 系 針對數(shù)字圖像 處理技術(shù)的特點(diǎn)及 MA T L A B語言的應(yīng)用環(huán) 境 選擇二雛離散傅里葉變換線性性質(zhì)的 MA T L A B實現(xiàn)和直方圖均衡化的 MA T L A B實現(xiàn)作為數(shù)字圖像 處理課程的入門實 驗 實現(xiàn)了數(shù)字圖像處理與 MA T L A B之間的有機(jī)結(jié)合 關(guān)鍵詞 數(shù)字圖像處理 M A T L A B軟件 傅里葉變換 直方圖均衡化 灰度 中圖分類號 T F 3 1 7 4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B 文章編號 1 6 7 2 4 5 5 0 2 0 0 8 0 1 0 0 5 2 0 3 Ex p e r i me n t a l ABC o n t h e Di g i t a l I ma g e Pr o c e s s i n g Ba s e d o n M ATLAB ZHANG Bo f u LI ANG Ka i qi D e p a r t me n t o f E l e c tr o n i c E n g i n e e r i n g S h e mh en P o l y t e c h n i c S h enz h en 5 1 8 0 5 5 C h i n a A b s t r a c t T h i s p a p e r p r e s e n t s s in A B C i n t r o d u c t i o n t o t h e di gi t a l i ma g e p r o c e s s i n g MA T L A B s o f t w a r e a n d t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e t w o C o n s i d e ri n g t h e c h a r a c t e ri s t i c s o f d i r t M i m a g e p r o c e s s i n g a n d the a p p H e d e n v i r o n m e n t o f MA T L A B l a n g u age M A T L A B r e al i z a t i on i s c h o s e n o n t he b a s i s o f t he l i ne a r qu a l i t y f o r t wo d i me n s i o na l dis c r e t e Fo u r i e r t r a n s f o r ma t i o n a n d t he hi s t o g r a m e qu a l i z a t i o n a s the f u n d a me n t al e x peri me n t s o f t h e c o u r s e d i t a l i ma g e p r o c e s s i n g I n t h i s wa y d i g i t al i mage p r o c e s s i n g and MA T L A are i n t e g r a t e d Ke y wo r d s d i g i t al i mage p r o c e s s i n g MAT L AB F o u ri e r t r ans f o r ma t i o n h i s t o g r a m e q u a l i z a t i o n g r e y l e v e l 1 數(shù)字圖像處理和 M A T L A B簡介 數(shù)字圖像處理技術(shù)涉及光學(xué)技術(shù) 微電子技 術(shù) 計算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)分析等領(lǐng)域 是一門綜合性 強(qiáng) 應(yīng)用范圍廣的新興學(xué)科 具體包括圖像視覺基 礎(chǔ) 圖像變換 圖像增強(qiáng) 圖像恢復(fù) 圖像壓縮 圖像編碼 圖像解碼 圖像傳輸 圖像識別和圖像 分析等技術(shù) 其理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)分析很多 而上述 理論 的驗證 和工程實現(xiàn)可通過 M A T L A B完成 因 此 數(shù)字圖像處理與 M A rI Z A B緊密相關(guān) MA T L A B語言是 由美國 Ma t h Wo r k公司推出的 可視化科學(xué)計算軟件 具有語法結(jié)構(gòu)簡單 數(shù)值計 算高效 圖形功能完備和圖像處理方便等特點(diǎn) 還 具有開發(fā)符號計算 文字處理 可視化建模仿真和 實時控制能力 其內(nèi)容涉及矩陣代數(shù) 微積分 應(yīng) 用數(shù)學(xué) 有限元法 科學(xué)計算 信號與系統(tǒng) 神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) 小波分析及應(yīng)用 數(shù)字圖像處理 計算機(jī)圖 形學(xué) 電子線路 電機(jī)學(xué) 自動控制與通信技術(shù) 物理 力學(xué)和機(jī)械振動等領(lǐng)域 該軟件已成為適合 收稿 日期 2 0 0 7 0 7 0 6 作者簡介 張博夫 1 9 6 4一 男 實驗師 本科 研究方 向 音 視頻 處理 多學(xué)科 多部門要求的新一代科技應(yīng)用軟件 如何完成數(shù)字圖像處理各種理論的 M A T L A B 實現(xiàn) 成為理論聯(lián)系實際 學(xué)好 用活數(shù)字圖像處 理技術(shù)的關(guān)鍵 針對這個問題 筆者認(rèn)為下面兩段 程序可作為數(shù)字圖像處理課程入門的實驗 2 數(shù)字圖像處理課程入門實驗的設(shè)計 2 1 二維離散傅里葉變換線性性質(zhì)的 MA rI Z A B實 現(xiàn) 二維離散傅里葉變換 簡稱2 一D傅里葉變換 是數(shù)字圖像處理應(yīng)用最多的圖像變換技術(shù)之一 其 線性性質(zhì)可用 以下表達(dá)式描述 F a f t Y 口 Y 口 F E A Y 口 F Y 為編程簡單 令 口 口 1 則 2一D傅里葉 變換線性性質(zhì)簡化為 F E A Y Y F Y F Y 如圖 1 所示 Y 由圖像 1 I m a g e 1 表示 Y 由圖像 2 I m a g e 2 表示 實驗程序代碼如 下 f u n c t i o n fit d i s t r i b u t e wH 2 wL 2 構(gòu)造圖像 1 維普資訊 第 6卷第 1期 E x p e r i m e n t S c i e n c e T e c h n o l o g y 5 3 a 圖像 1 b 圖像 2 一三 c 兩圖像先疊加 d 兩圖像先變換 后變換的幅度譜 后疊加的幅度譜 圖 1 傅里葉變換線性性質(zhì)的 M A T L A B實現(xiàn) I ma g e l z e r o s 6 4 6 4 I m a g e l 3 2 1 5 3 1 1 5 2 O一 5 1 9 5 o e s 3 0 1 0 構(gòu)造圖像 2 I m a g e 2 z e r o s 6 4 64 I m a g e 2 3 2 5 3 1 5 4 4 1 5 4 3 1 5 o e s 1 0 3 0 將圖像 1 與圖像2 先疊加 后進(jìn)行傅里葉變換 I ma g e s u ml I ma g e 1 I ma g e 2 I ma g e s uml ff t l fi t 2 I ma g e s u m1 求圖像的幅度譜 I ma g e s u m l ff t l 1 l o g 1 a b s I m a g e s u ml ff t 1 I ma g e s u m l ff t l d i s ff t s h i fi I m a g e s u ml ff t l 1 對圖像 1和圖像 2先進(jìn)行傅里葉變換 后疊 加 I ma g e s u ml fi t 2 fi t 2 I ma g e 1 fi t 2 I ma g e 2 求圖像的幅度譜 I ma g e s u m l fi t 2 1 l o g 1 a b s I ma g e s u ml m2 I ma g e s u ml ff t 2 d i s ff t s h i f t I m a g e s u ml ff t 2 1 實驗結(jié)果的顯示 s u b p l o t w H w L 1 i m s h o w I ma g e 1 a x i s t i g h t t i t l e 圖像 1 s u b p l o t w H w L 2 i ms h o w I m a g e 2 a x i s t i ght t i t l e 圖像 2 s u b p l o t w H w L 3 me s h I m a g e s u ml f f t 1 d i s a x i s t i g h t t i tl e 兩圖像先疊加 后變換的幅度譜 s u b p l o t w H w L 4 me s h I ma g e s u ml ff t 2 d i s axi s t i g h t t i t l e 兩圖像先變換 后疊加的幅度譜 實驗結(jié)果如圖 1 所示 由圖可知 對兩圖像先 疊加 后進(jìn)行傅里葉變換與對兩圖像先分別進(jìn)行傅 里葉變換 后疊加的結(jié)果相 同 2 2 直方圖均衡化的 M A T L A B實現(xiàn) 直方圖均衡化是圖像增強(qiáng)的一種重要方法 圖像的灰度直方圖是用于表達(dá)圖像灰度分布情 況的統(tǒng)計圖表 可用一個 1一 D的離散函數(shù)表示 P r t n k 0 1 2 一1 其中 為圖像 的第 k 級灰度值 n 是 中具有灰度值 S 的像素個數(shù) n 是圖像總像素 數(shù) 是圖像的總灰度級數(shù) 直方圖反映了圖像中 不同灰度值的像素在整幅圖像中所占的比例 直方 圖不含空間位置方面或圖像形狀方面的任何信息 直方圖均衡化方法使用的非線性變換函數(shù)是灰 度的概率分布函數(shù) 其基本思想是 使變換后圖像 的直方圖 概率密度函數(shù) 盡量平坦 均衡 從信 息論意義上來說 這種圖像的灰度信息熵最大 因 此 可改善圖像的視覺效果 直方圖均衡化的實質(zhì)是以像素灰度的概率密度 函數(shù)為準(zhǔn) 進(jìn)行灰度的壓擴(kuò)變換 概率密度大的地 方拉伸 增強(qiáng)對比度 概率密度小的地方壓縮 減 a 原圖像 b 均衡化后的圖像 c 原直方圖 d 均衡化后的直方圖 圖2 直方圖均衡化的 MA T L A B實現(xiàn) 下轉(zhuǎn)第1 1 6 頁 r 雄 雌雛 雛雛睢 盥H tlJTt k E H I 一 一 維普資訊 l l 6 實 驗 科 學(xué) 與 技 術(shù) 2 0 0 8年2月 給水處理 通過實驗 學(xué)生理解了雙室雙層浮動床 的特點(diǎn) 開始時水流速度必須較大才能成床 檢測 除碳器進(jìn)出水中 C O 的含量 理解了除碳器減輕 陰床負(fù)荷的作用 同時將弱性樹脂和強(qiáng)型樹脂視為 一 體 求其平均工作交換容量和平均酸 堿耗 將 樹脂再生的經(jīng)濟(jì)效益用單位制水成本來表示 實驗的難點(diǎn)是如何操作超濾控制系統(tǒng) 包括對超濾 系統(tǒng)軟 硬件設(shè)計的理解 教師先展示了程序控制 流程圖 并對著控制柜面板講解對應(yīng)的接線 學(xué)生 也就理解控制面板按鈕的功能和操作 4 2 操作安全 教師編寫了實驗操作安全規(guī)程 防止超濾控制 系統(tǒng)操作不當(dāng)燒毀泵和控制元件 或者造成超濾膜 的劃傷 細(xì)菌滋生等而導(dǎo)致超濾膜的性能下降 讓 學(xué)生注意離子交換除鹽系統(tǒng)各處理單元的進(jìn)出水水 質(zhì) 否則進(jìn)水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)會縮短價格較高的陰樹脂 和混床樹脂的壽命 4 3 實踐與反饋 學(xué)生在物理化學(xué)法水質(zhì)凈化綜合實驗實踐活動 中 從被動地按老師的步驟要求做實驗變?yōu)橹鲃拥?用 自己學(xué)到的理論知識和掌握的方法去設(shè)計實驗方 案并完成實驗 許多學(xué)生認(rèn)為水中余氯的存在形式就是氯氣 教師建議對 自來水水強(qiáng)曝氣后監(jiān)測氯氣含量 學(xué)生 發(fā)現(xiàn)前后余氯含量變化不大 而自 來水經(jīng)過活性炭 過濾器后 余氯幾乎為零 這樣學(xué)生明白了余氯的 存在形式以及活性炭對余氯的去除效果 物理化學(xué)法水凈化系統(tǒng)綜合實驗在水質(zhì)工程系兩 屆學(xué)生中進(jìn)行了實踐 許多同學(xué)反映收獲大 由于教 師采用啟發(fā)指導(dǎo)的教學(xué)模式 對于實驗過程中不斷出 現(xiàn)的問題 學(xué)生自己努力尋找解決的方法 提高了實 驗效果 排除問題的過程使學(xué)生對實驗有了更深刻的 認(rèn)識 有了成就感 激發(fā)了對實驗的興趣 5 結(jié)束語 綜合性設(shè)計性實驗教學(xué)拓寬了學(xué)生的知識面 改變了以前單一式的驗證實驗 克服了以前傳統(tǒng)實 驗中實驗方法和技能相脫節(jié)的現(xiàn)象 培養(yǎng)了學(xué)生的 綜合能力和團(tuán)隊合作精神 同時還有效地促進(jìn)了教 師的知識更新 真正做到教學(xué)相長 參 考 文 獻(xiàn) 1 李軍 水科學(xué)與工程實驗技術(shù) M 北京 化學(xué)工業(yè) 出版社 2 0 0 2 2 華耀祖 超濾技術(shù)與應(yīng)用 M 北京 化學(xué)工業(yè)出版 社 2 0 0 4 上接第 5 3頁 小對比度 其變換函數(shù)為 I I S r r P n n M A T L A B圖像處理工具箱中的函數(shù) h i s t e q 用于實現(xiàn) 直方圖均衡化 實驗程序代碼如下 載人待處理圖像數(shù)據(jù) I i m r e a d GG I R L B M P 直方圖均衡化 J h i s t e q I 實驗結(jié)果的顯示 S u b p l o t 2 2 1 i m s h o w I t i d e 原 圖像 S u b p l o t 2 2 2 i m