第三章-數(shù)字圖像處理

第三章_數(shù)字圖像處理第一頁(yè)，共35頁(yè)。本章主要內(nèi)容圖像增強(qiáng)的方法分兩大類：頻域方法空間域方法前者把圖像看成一種二維信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行基于二維傅里葉變換的信號(hào)增強(qiáng)。采用低通濾波（即只讓低頻信號(hào)通過(guò)）法，可去掉圖中的噪聲；采用高通濾波法，則可增強(qiáng)邊緣等高頻信號(hào)，使模糊的圖片變得清晰。后者空間域法中具有代表性的算法有局部求平均值法和中值濾波（取局部鄰域中的中間像素值）法等，它們可用于去除或減弱噪聲。本章主要討論空間域圖像增強(qiáng)的方法及其MATLAB實(shí)現(xiàn)；空間域圖像增強(qiáng)方法亮度變換直方圖處理空間濾波（鄰域處理或空間卷積）2第二頁(yè)，共35頁(yè)。3.1背景知識(shí)空間域，圖像平面本身?？臻g域技術(shù)，直接對(duì)圖像的像素進(jìn)行處理.空間域處理可定義為g(x,y)=T[

f(x,y)

]

其中,f(x,y)為輸入圖像,g(x,y)為輸出圖像(處理后),T是對(duì)圖像f進(jìn)行處理的操作符.3第三頁(yè)，共35頁(yè)。3.1背景知識(shí)點(diǎn)的鄰域定義一個(gè)點(diǎn)(x,y)的鄰域的主要方法是利用中心在(x,y)點(diǎn)的正方形或矩形子圖像如1×1鄰域（單個(gè)像素點(diǎn)）,3×3鄰域,5×5鄰域亮度變換:變換T對(duì)單點(diǎn)操作處理后圖像在點(diǎn)(x0,y0)的像素值g(x0,y0)只與原始圖像在點(diǎn)(x0,y0)的像素值f(x0,y0)有直接關(guān)系,與原始圖像在其他點(diǎn)的像素值無(wú)關(guān).如g(x0,y0)=a

f(x0,y0)2+b

f(x0,y0)+c亮度變換可寫成:s=T

[r]

其中r為f(x,y)的亮度值,s為g(x,y)的亮度值4第四頁(yè)，共35頁(yè)。3.1背景知識(shí)空間域技術(shù)空間濾波:利用(x,y)的一個(gè)小鄰域(如3×3鄰域,稱為模板),對(duì)T進(jìn)行操作.

此時(shí),處理后圖像在某點(diǎn)(x0,y0)的像素值g(x0,y0)不僅與原始圖像在點(diǎn)(x0,y0)的像素值f(x0,y0)有直接關(guān)系,與原始圖像在點(diǎn)(x0,y0)附近其他點(diǎn)的像素值也有直接關(guān)系.如下式（3×3鄰域所有像素值的平均值）直方圖方法:利用圖像亮度值的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行處理.5第五頁(yè)，共35頁(yè)。3.2亮度變換函數(shù)

一些基本灰度變換6第六頁(yè)，共35頁(yè)。3.2亮度變換函數(shù)

一些基本灰度變換圖像反轉(zhuǎn)（把黑變白，白變黑）對(duì)灰度范圍為[0,L-1]的圖像，表達(dá)式為s=L-1-r對(duì)數(shù)變換s=clog(1+r)（用于對(duì)數(shù)值范圍過(guò)大的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整顯示。對(duì)數(shù)變換使一窄帶低灰度輸入圖像值映射為一寬帶輸出值?？梢岳梅磳?duì)數(shù)變換來(lái)擴(kuò)展被壓縮的高值圖像中的暗像素。）冪次變換s=cr（低值帶拉伸還是把高值拉伸要看伽馬的設(shè)定了）對(duì)比拉伸s=T(r)=（該函數(shù)將輸入值低于m的灰度級(jí)壓縮為輸出圖像中較暗灰度級(jí)的較窄范圍內(nèi)；將輸入值高于m的灰度級(jí)壓縮為輸出圖像中較亮灰度級(jí)的較窄范圍內(nèi)）7第七頁(yè)，共35頁(yè)。3.2亮度變換函數(shù)

3.2.1函數(shù)imadjust語(yǔ)法g=imadjust(f,[low_in,high_in],[low_out,high_out],gamma)說(shuō)明：將low_in,high_in之間的值映射到low_out,high_out之間low_in,high_in低輸入，高輸入low_out,high_out低輸出，高輸出gamma參數(shù)<1映射出更亮的圖片；>1映射出更暗的圖片；=1線性映射（可省略）。例3.1使用函數(shù)imadjust

若high_out<low_out,輸出亮度反轉(zhuǎn)。8第八頁(yè)，共35頁(yè)。命令：1：g=imadjust(f,[],[],0.5) 2：g1=imadjust(f,[],[],2)9第九頁(yè)，共35頁(yè)。命令：1:g2=imadjust(f,[00.5],[0.51]) 2:g3=imadjust(f,[0.51],[00.5])10第十頁(yè)，共35頁(yè)。3.2亮度變換函數(shù)

3.2.2對(duì)數(shù)和對(duì)比度拉伸變換對(duì)數(shù)變換S=T(r)=clog(1+r)c是常數(shù)例3.2使用對(duì)數(shù)變換減少動(dòng)態(tài)范圍

命令：g=im2uint8(mat2gray(log(1+double(f))))11第十一頁(yè)，共35頁(yè)。對(duì)比拉伸

s=T(r)=1+(m/r)E1命令：1：g=1./(1+(250./(double(f)+eps)).^20) 2：g=1./(1+(20./(double(f)+eps)).^20)12第十二頁(yè)，共35頁(yè)。3.3直方圖處理與函數(shù)繪圖3.3.1生成并繪制圖像的直方圖直方圖:h(rk)=nk

其中rk是第k級(jí)亮度，nk是灰度級(jí)為rk的像素?cái)?shù)。歸一化直方圖:p(rk)=h(rk)/n=nk/n其中n為像素總數(shù)函數(shù)imhist:imhist(f,b)其中b為灰度級(jí)的個(gè)數(shù)13第十三頁(yè)，共35頁(yè)。imhist(g)imhist(g,10)14第十四頁(yè)，共35頁(yè)。函數(shù)plot:plot(horz,v,‘color_linestyle_mark’)其中：v表示被繪制的點(diǎn)，horz表示水平標(biāo)度的增量h=imhist(g)h1=h(1:10:256)horz=1:10:256plot(horz,h1,’r-+’)15第十五頁(yè)，共35頁(yè)。函數(shù)bar:bar(horz,h1,1);figure;bar(horz,h1,0);16第十六頁(yè)，共35頁(yè)。函數(shù)stemstem(horz,h1,'b--.','fill')figure;stem(horz,h1,'r-*','fill')figure;stem(horz,h1,'fill')17第十七頁(yè)，共35頁(yè)。3.3直方圖處理與函數(shù)繪圖3.3.2直方圖均衡化函數(shù)histeq:histeq(f,nlev)例3.5直方圖均衡化k=histeq(g,256);imshow(g);figure,imshow(k)18第十八頁(yè)，共35頁(yè)。imhist(g);figure,imhist(k)19第十九頁(yè)，共35頁(yè)。3.3.2直方圖匹配生成具有指定直方圖的圖像的方法稱為直方圖匹配。函數(shù)histeq:histeq(f,hspec)hspec是一個(gè)指定的直方圖例3.6直方圖匹配 k1=histeq(g,1:100) imshow(k1),figure,imshow(g) k2=histeq(g,50:100);figure,imshow(k2)20第二十頁(yè)，共35頁(yè)。3.4空間濾波空間濾波（鄰域處理）(1)定義中心點(diǎn)(x,y);(2)對(duì)預(yù)先定義的以(x,y)為中心點(diǎn)的鄰域內(nèi)的像素進(jìn)行運(yùn)算;(3)令運(yùn)算結(jié)果為該點(diǎn)處處理的響應(yīng);(4)對(duì)圖像中的每個(gè)點(diǎn)重復(fù)(1)(3)步驟.空間濾波的分類：線性空間濾波,對(duì)鄰域中像素的計(jì)算為線性運(yùn)算.如均值濾波等.非線性空間濾波,對(duì)鄰域中像素的計(jì)算為非線性運(yùn)算.如統(tǒng)計(jì)排序?yàn)V波等21第二十一頁(yè)，共35頁(yè)。3.4空間濾波3.4.1線性空間濾波工具箱中實(shí)現(xiàn)線性濾波的函數(shù)imfilterg=imfilter(f,w,filtering_mode,boundary_options,size_options) w為濾波掩模filtering_mode:

用于指定在濾波過(guò)程中是使用相關(guān)

‘corr’(默認(rèn)值),還是卷積‘conv’boundary_options:

用于邊界充零問(wèn)題。P(默認(rèn)值為0),‘replicate’,‘symmetric’,‘circular’size_options:

大小選項(xiàng)：‘full’,‘same’(默認(rèn)值)22第二十二頁(yè)，共35頁(yè)。例3.7使用函數(shù)imfilter通用語(yǔ)法：g=imfilter(f,w,’replicate’)23第二十三頁(yè)，共35頁(yè)。3.4空間濾波3.4.2非線性空間濾波非線性濾波也是基于鄰域操作的,通過(guò)定義一個(gè)m*n的鄰,以其中心點(diǎn)滑過(guò)一幅圖像的方式進(jìn)行操作.線性空間濾波基于計(jì)算乘積之和（一個(gè)線性表達(dá)式）非線性空間濾波則基于非線性操作（非線性表達(dá)式）工具箱提供兩個(gè)執(zhí)行常規(guī)非線性濾波的函數(shù):函數(shù)nlfilter和函數(shù)colfilt函數(shù)nlfilter直接執(zhí)行二維操作函數(shù)colfilt以列的形式組織數(shù)據(jù)函數(shù)colfilt占用更多的內(nèi)在,但執(zhí)行比函數(shù)nlfilter快得多。24第二十四頁(yè)，共35頁(yè)。3.4空間濾波函數(shù)colfiltg=colfilt(f,[m,n],block_type,@fun,parameters)m和n是濾波區(qū)域的維數(shù)block_type:‘sliding’表示處理過(guò)程是在輸入圖像中逐個(gè)像素地滑動(dòng)該m*n區(qū)域.‘distinct’表示處理過(guò)程是在輸入圖像中互不相交的m*n塊進(jìn)行.@fun引用一個(gè)函數(shù),符號(hào)@稱為函數(shù)句柄,它是MATLAB數(shù)據(jù)類型.函數(shù)fun必須分別對(duì)矩陣的每一列進(jìn)行操作.parameters表示函數(shù)fun可能需要的參數(shù).25第二十五頁(yè)，共35頁(yè)。3.4空間濾波在使用colfilt時(shí)，在進(jìn)行濾波之前，輸入圖像必須經(jīng)過(guò)填充。可使用函數(shù)padarray:padarray函數(shù)fp=padarray(f,[r,c],method,direction)[r,c]（r行,c列）填充f的行和列method——‘replicate’,‘symmetric’,‘circular’direction——‘pre’,‘post’,‘both’(默認(rèn)值)26第二十六頁(yè)，共35頁(yè)。例3.8使用函數(shù)實(shí)現(xiàn)非線性空間濾波prod(a),prod(a,1):a的列元素積,結(jié)果為一行.prod(a,2):a的行元素積,結(jié)果為一列先定義名為’gmean’的M文件：

functionv=gmean(A) mn=size(A,1) v=prod(A,1).^(1/mn)程序語(yǔ)言： q=padarray(g,[58],'replicate'); k=colfilt(q,[58],'sliding',@gmean)27第二十七頁(yè)，共35頁(yè)。28第二十八頁(yè)，共35頁(yè)。3.5圖像處理工具箱的標(biāo)準(zhǔn)空間濾波器3.5.1線性空間濾波器用于生成濾波掩模w的函數(shù)fspecial的語(yǔ)法w=fspecial(‘type’,parameters)type表示濾波器的類型parameters進(jìn)一步定義了指定的濾波器29第二十九頁(yè)，共35頁(yè)。表3.4列出函數(shù)fspecail支持的空間濾波器類型及參數(shù)類型函數(shù)與參數(shù)‘a(chǎn)verage’‘disk’‘guassian’‘laplacian’‘log’‘motion’

‘prewitt’‘sobel’‘unsharp’fspecial(‘a(chǎn)verage’,[r,c])大小為r×c矩形平均值濾波器(3×3)fspecial(‘disk’,r)半徑為r的圓形平均值濾波器(r=5)fspecial(‘guassian’,[r,c],sig)為r×c高斯低通濾波器(3×3,0.5)fspecial(‘laplacian’,alpha)為3×3拉普拉斯濾波器([01],0.5)fspecial(‘log’,[r,c],sig)為r×c高斯-拉普拉斯濾波器(5×5,0.5)fspecial(‘motion’,len,theta)len個(gè)像素線性運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閠heta的濾波器(9,0),size=[1,9]fspecial(‘prewitt’)大小為3×3的Prewitt濾波器wv,wh=wv’fspecial(‘sobel’)大小為3×3的Sobel濾波器sv,sh=sv’fspecial(‘unsharp’,alpha)大小為3×3的非銳化濾波器([01],0.2)30第三十頁(yè)，共35頁(yè)。例：通過(guò)一個(gè)拉普拉斯濾波器增強(qiáng)圖像w=fspecial('laplacian',0)g=im2double(f(:,:,1));g1=imfilter(g,w,‘replicate’);%使用imfilter濾波后的輸出圖像與輸入圖像是同類圖像。imshow(g1,[])g2=g-g1;figure;imshow(g2);figure;imshow(g)31第三十一頁(yè)，共35頁(yè)。3.5圖像處理工具箱的標(biāo)準(zhǔn)空間濾波器3.5.2非線性空間濾波器IPT用于生成非線性濾波的一個(gè)工具函數(shù)ordfilt2,它可以生成統(tǒng)計(jì)排序?yàn)V波器，其語(yǔ)法：g=ordfilt2(f,order,domain)使用鄰域的一組排序元素中的第orde