直方圖均衡化的matlab實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理課程論文

1、海南大學(xué)課程論文課程名稱：數(shù)字圖像處理 題目名稱：直方圖均衡化的matlab實(shí)現(xiàn) 學(xué) 院：信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 專業(yè)班級(jí)：2010級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)姓名：學(xué)號(hào)： 評(píng)閱意見(jiàn)評(píng)閱成績(jī) 評(píng)閱教師： 2013年 月 日直方圖均衡化的matlab實(shí)現(xiàn)摘 要直方圖均衡化是圖像處理領(lǐng)域中利用圖像直方圖對(duì)對(duì)比度進(jìn)行調(diào)整的圖像增強(qiáng)方法。為了使圖像的灰度范圍拉開(kāi)或使灰度均勻分布，從而增大反差，使圖像細(xì)節(jié)清晰，以達(dá)到增強(qiáng)的目的，本文采用直方圖均衡化的圖像增強(qiáng)的基本理論原理，在matlab環(huán)境下，對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，原來(lái)偏暗的且對(duì)比度較低的圖像經(jīng)過(guò)直方圖均衡化后圖像的對(duì)比度及平均亮度明顯提高

2、，直方圖均衡化處理能有效改善灰度圖像的對(duì)比度差和灰度動(dòng)態(tài)范圍。關(guān)鍵詞： 直方圖，均衡化，matlab引言圖像增強(qiáng)的方法是通過(guò)一定手段對(duì)原圖像附加一些信息或變換數(shù)據(jù)，有選擇地突出圖像中感興趣的特征或者抑制(掩蓋)圖像中某些不需要的特征，使圖像與視覺(jué)響應(yīng)特性相匹配。在圖像增強(qiáng)過(guò)程中，不分析圖像降質(zhì)的原因，處理后的圖像不一定逼近原始圖像。圖像增強(qiáng)技術(shù)根據(jù)增強(qiáng)處理過(guò)程所在的空間不同，可分為基于空間域的算法和基于頻率域的算法兩大類?；诳臻g域的算法分為點(diǎn)運(yùn)算算法和鄰域去噪算法。點(diǎn)運(yùn)算算法即灰度級(jí)校正、灰度變換和直方圖均衡化等，目的或使圖像成像均勻，或擴(kuò)大圖像動(dòng)態(tài)范圍，擴(kuò)展對(duì)比度。直方圖均衡化能夠增強(qiáng)整個(gè)

3、圖像的對(duì)比度，提高圖像的辨析程度，增強(qiáng)效果好。本文討論了空間域的直方圖均衡化增強(qiáng)方法，并用matlab 進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。1.論文目的 1.1 通過(guò)直方圖以及均衡化的理論原理，用matlab實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化；1.2 在加深對(duì)直方圖以及均衡化的理論原理知識(shí)理解的基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)運(yùn)用已學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)直方圖均衡化實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，并用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)說(shuō)明直方圖均衡化的特點(diǎn)和應(yīng)用。2.直方圖理論 灰度直方圖是灰度級(jí)的函數(shù)，描述的是圖像中具有該灰度級(jí)的像元的個(gè)數(shù)。確定圖像像元的灰度值范圍，以適當(dāng)?shù)幕叶乳g隔為單位將其劃分為若干等級(jí)，以橫軸表示灰度級(jí)，以縱軸表示每一灰度級(jí)具有的像元數(shù)或該像元數(shù)占總像元數(shù)的比例值，做出的

4、條形統(tǒng)計(jì)圖即為灰度直方圖。在matlab中，在imhist函數(shù)的返回值中，counts保存了落入每個(gè)區(qū)間的像素的個(gè)數(shù)，通過(guò)計(jì)算counts與圖像中像素總數(shù)的商可以得到歸一化的直方圖。3.直方圖均衡化 很多原始的灰度圖像由于其灰度分布集中在較窄的范圍內(nèi)，使圖像的細(xì)節(jié)不夠清晰，對(duì)比度較低。為了使圖像的灰度范圍拉開(kāi)或使灰度均勻分布，從而增大反差，使圖像細(xì)節(jié)清晰，以達(dá)到增強(qiáng)的目的，通常采用直方圖均衡化變換。3.1 直方圖均衡化的概念 直方圖均衡化是圖像處理領(lǐng)域中利用圖像直方圖對(duì)對(duì)比度進(jìn)行調(diào)整的方法。這種方法通常用來(lái)增加許多圖像的局部對(duì)比度，尤其是當(dāng)圖像的有用數(shù)據(jù)的對(duì)比度相當(dāng)接近的時(shí)候。通過(guò)這種方法，亮

5、度可以更好地在直方圖上分布。這樣就可以用于增強(qiáng)局部的對(duì)比度而不影響整體的對(duì)比度，直方圖均衡化通過(guò)有效地?cái)U(kuò)展常用的亮度來(lái)實(shí)現(xiàn)這種功能。3.2 直方圖均衡化理論 考慮連續(xù)灰度值，并用變量r 表示待處理圖像的灰度，假設(shè)日取值范圍為0，L-1，且r=0表示黑色，r=L-1表示白色，用S 分別表示輸出圖像灰度值。在r滿足這些條件的情況下，有 S=T（r），0rL-1，T（r ）為變換函數(shù)。對(duì)于輸入圖像中每個(gè)具有r值的像素值產(chǎn)生一個(gè)輸出灰度值S 。假設(shè)T（r）滿足下列條件： （a） 在0rL-1 上是單調(diào)遞增函數(shù)； （b） 當(dāng)0rL-1時(shí)，0T（r）L-1。 條件(a)中要求T（r）為單調(diào)遞增函數(shù)是為了保

6、證輸出灰度值不少于相應(yīng)的輸入值，防止灰度反變換時(shí)產(chǎn)生人為缺陷。條件（b）保證輸出灰度的范圍與輸入灰度的范圍相同。從S 到r 的反變換關(guān)系為 r= T-1（S），T-1（S）對(duì)r同樣滿足上述條件。 由概率論知，若Pr（r）和變換函數(shù)S=T（r）已知，T-1（S）是單值單調(diào)增加函數(shù)，則變換后的概率密度函數(shù)Ps（S）如下式所示： Ps(S)=Pr(r)|dr/dS|=1/（L-1），0SL-1 （3.2-1）在圖像處理中特別重要的變換函數(shù)有如下形式：S=T(r)=（L-1）P r(w)dw （3.2-2）上式（3.2-2）中變換的離散形式為直方圖的均衡變換：其中 k=0,1,2，L-1 （3.2-3

7、）matlab圖像處理工具箱提供了用于直方圖均衡化的函數(shù)histeq，調(diào)用語(yǔ)法為：J, T = histeq(I)，其中，I是原始圖像，J是經(jīng)過(guò)直方圖均衡化的輸出圖像，T是變換矩陣4.舉例用實(shí)驗(yàn)來(lái)闡述直方圖均衡化在matlab中實(shí)現(xiàn)的過(guò)程4.1在matlab中繪制歸一化直方圖在imhist函數(shù)的返回值中，counts保存了落入每個(gè)區(qū)間的像素的個(gè)數(shù)，通過(guò)計(jì)算counts與圖像中像素總數(shù)的商可以得到歸一化的直方圖。pout.tif原圖為：（圖4.1-1）在matlab中輸入下列語(yǔ)句繪制直方圖I = imread('pout.tif'); % 讀取圖像pout.tiffigure;

8、% 打開(kāi)一個(gè)新窗口M,N = size(I); %計(jì)算圖像大小counts,x=imhist(I,32); % 計(jì)算有32個(gè)小區(qū)間的灰度直方圖counts = counts/M/N; % 計(jì)算歸一化灰度直方圖各區(qū)間的值stem(x,counts); % 繪制歸一化直方圖得到輸出直方圖為：（圖4.1-2）4.2在matlab中實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化4.2.1輸入以下語(yǔ)句，顯示灰度原圖像I = imshow('pout.tif'); % 顯示圖像pout.tif（圖4.2-1）4.2.2 輸入以下語(yǔ)句顯示（圖4.2-1）的直方圖I = imread('pout.tif')

9、; % 讀取圖像pout.tiffigure; % 打開(kāi)一個(gè)新窗口M,N = size(I); %計(jì)算圖像大小counts,x=imhist(I,32); % 計(jì)算有32個(gè)小區(qū)間的灰度直方圖counts = counts/M/N; % 計(jì)算歸一化灰度直方圖各區(qū)間的值stem(x,counts); % 繪制歸一化直方圖（圖4.2-2） 由（圖4.2-1） 顯示的圖像及其直方圖（圖4.2-2）可知這幅圖像最為突出的特點(diǎn)是較暗且動(dòng)態(tài)范圍較低。直方圖的寬度相對(duì)于整個(gè)灰度范圍來(lái)說(shuō)是相對(duì)狹窄的，圖像質(zhì)量比較差。 4.2.3對(duì)原圖像進(jìn)行線性變換，得到四幅新圖像和新圖的直方圖線性變換參數(shù)如下：fa=2， fb

10、=-55，增加對(duì)比度f(wàn)a =0.5， fb=-55，減小對(duì)比度f(wàn)a =1， fb=55，線性平移增加亮度f(wàn)a =1， fb=-55，線性平移減小亮度讀入pout.tif圖像，分布進(jìn)行增加對(duì)比度，減小對(duì)比度，線性增加亮度和線性減小亮度的處理I=imread('pout.tif');I=im2double(I);I1=2*I-55/255;subplot(4,2,1);imshow(I1);subplot(4,2,2);imhist(I1);I2=0.5*I-55/255;subplot(4,2,3);imshow(I2);subplot(4,2,4);imhist(I2);I3=

11、1*I+55/255;subplot(4,2,5);imshow(I3);subplot(4,2,6);imhist(I3);I4=1*I-55/255;subplot(4,2,7);imshow(I4);subplot(4,2,8);imhist(I4);（圖4.2-3）4.2.4 對(duì)4.2.3中四幅新圖進(jìn)行直方圖均衡化后得到的的圖像及其直方圖 matlab圖像處理工具箱提供了用于直方圖均衡化的函數(shù)histeq，調(diào)用語(yǔ)法為：J, T = histeq(I)I是原始圖像J是經(jīng)過(guò)直方圖均衡化的輸出圖像T是變換矩陣 輸入下列語(yǔ)句，在同一窗口中顯示16幅圖像，一行4幅，每一行分別是線性變換后的圖像及

12、其直方圖，均衡后的圖像及其直方圖I=imread('pout.tif');I=im2double(I);I1=2*I-55/255;subplot(4,4,1);imshow(I1);subplot(4,4,2);imhist(I1);subplot(4,4,3);imshow(histeq(I1);subplot(4,4,4);imhist(histeq(I1);I2=0.5*I-55/255;subplot(4,4,5);imshow(I2);subplot(4,4,6);imhist(I2);subplot(4,4,7);imshow(histeq(I2);subplot

13、(4,4,8);imhist(histeq(I2);I3=1*I+55/255;subplot(4,4,9);imshow(I3);subplot(4,4,10);imhist(I3);subplot(4,4,11);imshow(histeq(I3);subplot(4,4,12);imhist(histeq(I3);I4=1*I-55/255;subplot(4,4,13);imshow(I4);subplot(4,4,14);imhist(I4);subplot(4,4,15);imshow(histeq(I4);subplot(4,4,16);imhist(histeq(I4);（圖4

14、.2-4）通過(guò)上述舉例的實(shí)驗(yàn)，得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出直方圖均衡化在matlab中就得到了實(shí)現(xiàn)5. 對(duì)第4部分中的直方圖均衡化在matlab中得到了實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析在第4部分中得到了幾個(gè)結(jié)果，分別是原灰度圖像：（圖4.2-1）對(duì)原圖像分別進(jìn)行增加對(duì)比度，減小對(duì)比度，線性增加亮度和線性減小亮度的處理的得到四幅新圖及其直方圖：（圖4.2-3）在同一窗口中顯示16幅圖像，一行4幅，每一行分別是線性變換后的圖像及其直方圖，均衡后的圖像及其直方圖：（圖4.2-4）直方圖均衡化是圖像增強(qiáng)技術(shù)的基本算法，本文分析了這種處理方法的基本理論，并用matlab進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將圖4.2-4 中均衡后的圖像及其

15、直方圖與均衡前的進(jìn)行對(duì)比分析可知直方圖均衡化的特點(diǎn)是： 直方圖均衡化在一定程度上改善了圖像的對(duì)比度差和灰度動(dòng)態(tài)范圍，增強(qiáng)了圖像的可讀性；直方圖均衡化是把原始圖的直方圖變換為均勻分布的形式，增加像素灰度值的動(dòng)態(tài)范圍以達(dá)到增圖像整體對(duì)比度的效果，使圖像更加明亮，更加清晰。直方圖均衡化的應(yīng)用是：直方圖均衡可以實(shí)現(xiàn)圖像的灰度歸一化，消除灰度因素（光照等）造成的圖像外觀變化，直方圖均衡化可用于圖像的分類和識(shí)別。6.結(jié)論直方圖均衡化是圖像處理領(lǐng)域中利用圖像直方圖對(duì)對(duì)比度進(jìn)行調(diào)整的圖像增強(qiáng)方法。有時(shí)人們把圖像的灰度范圍拉開(kāi)或使灰度均勻分布，從而增大反差，使圖像細(xì)節(jié)清晰，以達(dá)到增強(qiáng)的目的，在matlab環(huán)境下，就對(duì)圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理。本文第4部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 直方圖均衡化