数字图像处理论文.doc

1、存档资料 成绩：优 华东交通大学理工学院 课 程 设 计 报 告 书 所属课程名称 数字图像处理期末论文 分 院 电 信 分 院 专业班级 14 计 科 学 号 20140210440214 学生姓名 习 俊 指导教师 熊 渊 河北经贸大学毕业论文 2 2016 年 12 月 13 日 摘 要 数 字 图 像 处 理 是 用 计 算 机 对 图 像 信 息 进 行 处 理 的 一 门 技 术 ， 主 要 是 为 了 修 改 图 形 ， 改 善 图 像 质 量 ， 或 是 从 图 像 中 提 起 有 效 信 息 ， 还 有 利 用 数 字 图 像 处 理 可 以 对 图 像 进 行 体 积 压

2、缩 ， 便 于 传 输 和 保 存 。 本文 论 述 了 用 Matlab编 程 对 数 字 图 像 进 行 图 像 运 算 的 基 本 方 法 。 图 像 运 算 涵 盖 了 MATLAB程 序 设 计 、 图 像 点 运 算 、 代 数 运 算 、 几 何 运 算 等 基 本 知 识 及 其 应 用 （点 运 算 是 图 象 处 理 的 一 个 重 要 运 算 ） 。以 及 对 图 像 加 入 噪 声 、 图 像 缩 放 和 图 像 旋 转 。 关 键 词 图 像 点 运 算 ； 代 数 运 算 ； 几 何 运 算 ； 图 像 缩 放 ； 图 像 旋 转 河北经贸大学毕业论文 4 目 录

3、绪 论 第 一 章 图 像 运 算 2.1 点 运 算 2.2 代 数 运 算 2.3 几 何 运 算 第 二 章 程 序 设 计 与 调 试 结 束 语 参 考 文 献 河北经贸大学毕业论文 5 绪 论 早 期 的 计 算 机 无 论 在 计 算 速 度 或 存 储 容 量 方 面 ， 难 于 满 足 对 庞 大 图 像 数 河北经贸大学毕业论文 6 据 进 行 实 时 处 理 的 要 求 。 随 着 计 算 机 硬 件 技 术 及 数 字 化 技 术 的 发 展 ， 计 算 机 、内 存 及 外 围 设 备 的 价 格 急 剧 下 降 ， 而 其 性 能 却 有 了 大 幅 度 的 提 高

4、 。 图 像 信 息 是 人 类 获 得 外 界 信 息 的 主 要 来 源 ， 数 字 图 像 处 理 技 术 越 来 越 多 的 应 用 于 人 们 日 常 工 作 、 学 习 和 生 活 中 。 和 传 统 图 像 处 理 相 比 ， 它 具 有 精 度 高 、 再 观 性 好 、 通 用 性 和 灵 活 性 强 等 特 点 。 在 近 代 科 学 研 究 、 军 事 技 术 、 工 农 业 生 产 、 医 学 、 气 象 及 天 文 学 等 领 域 中 也 得 到 了 广 泛 应 用 。 近 几 年 来 ， 随 着 计 算 机 和 各 个 相 关 领 域 研 究 的 迅 速 发 展 ，

5、 科 学 计 算 可 视 化 、 多 媒 体 技 术 等 研 究 和 应 用 的 兴 起 ， 数 字 图 像 处 理 从1个 专 门 领 域 的 学 科 ， 变 成 了 1种 新 型 的 科 学 研 究 和 人 机 界 面 的 工 具 。数 字 图 像 作 为 一 门 新 兴 技 术 ， 它 是 二 十 一 世 纪 五 十 年 代 数 字 计 算 机 发 展 到 相 当 水 平 后 开 拓 出 来 的 计 算 机 应 用 新 领 域 ， 它 把 图 像 转 换 成 数 据 矩 阵 存 放 于 计 算 机 中 ， 并 进 行 滤 波 、 增 强 、 删 除 等 处 理 ， 包 括 图 像 输 入

6、 输 出 技 术 、 图 像 分 析 、 变 换 于 处 理 技 术 以 及 图 像 识 别 和 特 征 提 取 等 方 面 。 六 十 到 七 十 年 代 数 字 处 理 技 术 的 理 论 和 方 法 更 加 完 善 ， 其 准 确 性 、 灵 活 性 和 通 用 性 逐 步 提 高 。 在 日 常 生 活 中 ， 电 脑 人 像 艺 术 ， 电 视 中 的 特 殊 效 果 ， 自 动 售 货 机 钞 票 的 识 别 ， 邮 政 编 码 的 自 动 识 别 和 利 用 指 纹 、 虹 膜 、 面 部 等 特 征 的 身 份 识 别 等均 是 图 像 处 理 的 广 泛 应 用 。 进 行

7、数 字 图 像 处 理 时 主 要 涉 及 数 字 图 像 点 运 算 处 理 ， 针 对 图 像 的 像 素 进 行 加 、 减 、 乘 、 除 等 运 算 ， 有 效 地 改 变 了 图 像 的 直 方 图 分 布。 河北经贸大学毕业论文 7 第 一 章 图 像 运 算 按 图 像 处 理 运 算 的 数 学 特 征 , 图 像 基 本 运 算 可 分 为 ： 点 运 算 、 代 数 运 算 和 几 何 运 算 。 1.1 点 运 算 点 运 算 是 指 对 一 幅 图 像 中 每 个 像 素 点 的 灰 度 值 进 行 计 算 的 方 法 。 点 运 算 通 过 对 图 像 中 每 个

8、像 素 值 进 行 计 算 ， 改 善 图 像 显 示 效 果 的 操 作 ， 也 称 对 比 度 增 强 ， 对 比 度 拉 伸 ， 灰 度 变 换 ， 可 以 表 示 为B(x,y)=f(A(x,y)。 进 行 逐 点 运 算 ， 输 入 映 射 为 输 出 ， 不 改 变 图 像 像 素 的 空 间 关 系 。 应 用 点 运 算 ， 将 输 入 图 像 转 换 为 在 每 一 灰 度 级 上 都 有 相 同 的 像 素 点 数 的 输 出 图 像 （ 输 出 直 方 图 是 平 的 ）。 均 衡 后 ， 每 一 灰 度 级 的 像 素 个 数 为Ao/Dm。 由 于 式 1()()AB

9、HfD 河北经贸大学毕业论文 8 的 分 子 分 母 是 同 一 自 变 量 ， 如 果 它 们 仅 差 一 比 例 常 数 ， 也 就 是 说 分 母 是 分 子 的 若干 倍 ， 例 如 Dm/Ao倍 ， 即 ()()moDfHA ， 则 上 式 的 H(D)部 分 被 约 掉 。 仅 剩 下 与 D 无 关 的 常 数 项 。 1.2 代 数 运 算 代 数 运 算 是 指 将 两 幅 或 多 幅 图 像 通 过 对 应 像 素 之 间 的 加 、 减 、 乘 、 除 运 算 得 到 输 出 图 像 的 方 法 。 代 数 运 算 是 指 对 两 幅 输 入 图 像 进 行 点 对 点

10、的 加 、 减 、 乘 或 除 运 算 而 得 到 输 出 图 像 的 运 算 。 对 于 相 加 和 相 乘 的 情 形 ， 可 能 不 止 有 两 幅 图 像 参 加 运 算 。 在 一 般 情 况 下 ， 输 入 情 况 之 一 可 能 为 常 数 。四 种 图 像 处 理 代 数 运 算 的 数 学 表 达 式 如 下： C(x,y)=A(x,y)+B(x,y) C(x,y)=A(x,y)-B(x,y) C(x,y)=A(x,y)*B(x,y) C(x,y)=A(x,y)/B(x,y) 其 中 A(x,y)和 B(x,y)为 输 入 图 像 ， 而 C(x,y)为 输 出 图 像 。

11、还 可 以 通 过 适 当 的 组 合 形 成 涉 及 几 幅 图 像 的 复 合 代 数 运 算 方 程 。 在 MATLAB中 ， 可 以 用 函 数 简 单 的 得 到 数 字 图 像 的 图 像 数 据 矩 阵 （ 即A(x,y)和 B(x,y)） ， 有 了 这 些 矩 阵 后 只 要 适 当 的 设 计 代 数 运 算 的 形 式 并 写 出 方 程 ， 就 可 以 得 到 一 个 输 出 图 像 的 矩 阵 （ 即 C(x,y)） 图 像 相 加 的 一 个 重 要 应 用 是 对 同 一 场 景 的 河北经贸大学毕业论文 9 多 幅 图 像 求 平 均 值 。 这 点 被 经

12、常 用 来 有 效 的 降 低 加 性 随 机 噪 声 的 影 响 。 1.3 几 何 运 算 几 何 运 算 就 是 改 变 图 像 中 物 体 对 象 （ 像 素 ） 之 间 的 空 间 关 系 。 从 变 换 性 质 来 分 ， 几 何 变 换 可 以 分 为 图 像 的 位 置 变 换 （ 平 移 、 镜 像 、 旋 转 ）、 形 状 变 换 （ 放 大 、 缩 小 ） 以 及 图 像 的 复 合 变 换 等 。 几 何 运 算 可 改 变 图 像 中 各 物 体 之 间 的 空 间 关 系 。 这 种 运 算 可 以 被 看 成 是 将 物 体 在 图 像 内 移 动 。 一 个 几

13、 何 运 算 需 要 两 个 独 立 的 算 法 。 首 先 ， 需 要 一 个 算 法 来 定 义 空 间 变 换 本 身 ， 用 它 来 描 述 每 个 像 素 如 何 从 其 初 始 位 置“移 动 ”到 终 止 位 置 ， 即 每 个 像 素 的 “运 动 ”。 同 时 ， 还 需 要 一 个 用 于 灰 度 插 值 的 算 法 ， 这 是 因 为 ， 在 一 般 情 况 下 ， 输 入 图 像 的 位 置 坐 标 (x,y)为 整 数 ， 而 输 出 图 像 的 位 置 坐 标 为 非 整 数 ， 反 过 来 也 如 此 。 因 此 插 值 就 是 对 变 换 之 后 的 整 数 坐

14、 标 位 置 的 像 素 值 进 行 估 计 。 MATLAB提 供 了 一 些 函 数 实 现 这 些 功 能 。 插 值 是 常 用 的 数 学 运 算 ， 通 常 是 利 用 曲 线 拟 合 的 方 法 ， 通 过 离 散 的 采 样 点 建 立 一 个 连 续 函 数 来 逼 近 真 实 的 曲 线 ， 用 这 个 重 建 的 函 数 便 可 以 求 出 任 意 位 置 的 函 数 值 。 MATLAB图 像 处 理 工 具 箱 中 的 函 数 imresize常 用 下 述 的 3种 方 法 对 图 像 进 行 插 值 缩 放 。 （ 如 果 不 指 定 插 值 方 法 ， 则 默

15、认 为 最 邻 近 插 值 法 。） 最 近 邻 插 值 是 最 简 便 的 插 值 ， 在 这 种 算 法 中 ， 每 一 个 插 值 输 出 像 素 的 值 就 河北经贸大学毕业论文 10 是 在 输 入 图 像 中 与 其 最 临 近 的 采 样 点 的 值 。 最 近 邻 插 值 是 工 具 箱 函 数 默 认 使 用的 插 值 方 法 ， 而 且 这 种 插 值 方 法 的 运 算 量 非 常 小 。 当 图 像 中 包 含 像 素 之 间 灰 度级 变 化 的 细 微 结 构 时 ， 最 近 邻 插 值 法 会 在 图 像 中 产 生 人 工 的 痕 迹 。 双 线 性 插 值 法

16、 的 输 出 像 素 值 是 它 在 输 入 图 像 中 22领 域 采 样 点 的 平 均 值 ， 它 根 据 某 像 素 周 围 4个 像 素 的 灰 度 值 在 水 平 和 垂 直 两 个 方 向 上 对 其 插 值 。 双 三 次 插 值 的 插 值 核 为 三 次 函 数 ， 其 插 值 邻 域 的 大 小 为44。 它 的 插 值 效 果 比 较 好 ， 但 相 应 的 计 算 量 也 比 较 大 。 第 二 章 程 序 设 计 与 调 试 为 了 完 成 人 为 的 往 一 幅 图 像 中 加 入 噪 声 ， 并 通 过 多 次 相 加 求 平 均 的 方 法 消 除 所 加 入

17、 的 噪 声 。 在 MATLAB中 提 供 了 给 图 像 加 入 噪 声 的 函 数 imnoise imnoise的 语 法 格 式 为 J = imnoise(I,type) J = imnoise(I,type,parameters) 其 中 J = imnoise(I,type)返 回 对 原 始 图 像 I添 加 典 型 噪 声 的 有 噪 图 像 J。 参 数 type和 parameters用 于 确 定 噪 声 的 类 型 和 相 应 的 参 数 。 例 ： 对 图 像 eight.tif分 别 加 入 高 斯 噪 声 、 椒 盐 噪 声 和 乘 性 噪 声 ： 执 行 该

18、 程 序 的 命 令 ： I=imread(eight.tif); 河北经贸大学毕业论文 11 J1=imnoise(I,gaussian,0,0.02); J2=imnoise(I,salt J3=imnoise(I,speckle,0.02); subplot(2,2,1),imshow(I),title(原 图 像 ); subplot(2,2,2),imshow(J1),title(加 高 斯 噪 声 ); subplot(2,2,3),imshow(J2),title(加 椒 盐 噪 声 ); subplot(2,2,4),imshow(J3),title(加 乘 性 噪 声 );

19、效 果 图 像 如 下 ： 原 图 像 加 高 斯 噪 声 加 椒 盐 噪 声 加 乘 性 噪 声 河北经贸大学毕业论文 12 在 MATLAB程 序 语 言 中 ， 分 号 的 用 处 为 不 显 示 程 序 运 算 中 的 中 间 结 果 ， 这在 一 定 程 度 上 使 系 统 运 算 的 效 率 增 高 ， 因 此 在 不 需 知 道 中 间 结 果 的 情 况 下 ， 可以 用 分 号 作 为 一 个 句 子 的 结 尾 ， 而 不 显 示 该 句 运 算 的 中 间 结 果 。 代 数 运 算 中 需 要 有 若 干 幅 带 有 随 机 噪 声 的 图 像 数 据 ， 在 这 里

20、我 们 运 用 MATLAB中 的 FOR循 环 语 句 来 完 成 产 生 多 幅 带 有 噪 声 的 图 像 数 据 及 将 这 些 图 像 数 据 进 行 相 加 运 算 。 这 种 循 环 允 许 一 组 命 令 以 固 定 的 和 预 定 的 次 数 重 复， 循 环 的 一 般 形 式 为 ： for variable = expression statements end 例 ： （ %一 个 简 单 的 for循 环 ） for i=1:10; y(i)=i; end; y %显 示 y的 结 果 y = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 为 了 得 到 最 大 的 速

21、 度 ， 在 for循 环 被 执 行 之 前 ， 应 预 先 分 配 数 组 。 例 如 前 面 所 考 虑 的 第 一 种 情 况 ， 在 for循 环 内 每 执 行 一 次 命 令 ， 向 量 y的 维 数 增 加 1。 这 样 就 使 得 MATLAB每 通 过 一 次 循 环 对 y分 配 更 多 的 内 存 ， 这 当 然 要 花 费 一 定 的 时 间 。 在 实 际 的 对 图 像 处 理 过 程 中 ， 由 于 我 们 读 出 的 图 像 是unit8型 ， 而 在 MATLAB 河北经贸大学毕业论文 13 的 矩 阵 运 算 中 要 求 所 有 的 运 算 变 量 为do

22、uble型 （ 双 精 度 型 ）。 所 以 读 出 的 图 像 数 据 不 能 直 接 进 行 相 加 求 平 均 ， 因 此 必 须 使 用 一 个 函 数 将 图 像 数 据 转 换 成 双 精 度 型数 据 。 MATLAB中 提 供 了 这 样 的 函 数 ， 如 im2double函 数 ， 其 语 法 格 式 为 ： I2 = im2double(I1) 其 中 I1是 输 入 的 图 像 数 据 ， 它 可 能 是 uint8或 uint16型 数 据 ， 通 过 函 数 的 变 化 输 出 I2为 一 个 double型 数 据 ， 这 样 两 图 像 数 据 就 可 以 方

23、 便 的 进 行 相 加 等 代 数 运 算 作 为 一 个 示 例 ， 现 将 刚 刚 显 示 的 加 有 噪 声 的 图 像 进 行 相 加 求 平 均 以 消 除 图 像 的 噪 声 。 在 图 像 中 我 们 给 图 像 加 的 是均 值 为 0， 方 差 为 0.02的 高 斯 噪 声 ， 将 图 像 相 加 了 一 百 遍 ， 再 求 其 平 均 值 。 例 : 图 像 加 噪 声 再 通 过 多 次 相 加 求 平 均 的 方 法 祛 除 噪 声 程 序 如 下 ： I=imread(eight.tif); J=imnoise(I,gaussian,0,0.02); subplo

24、t(1,2,1),imshow(I),title(原 图 像 ); subplot(1,2,2),imshow(J),title(加 噪 声 后 图 像 ); K=zeros(242,308); for i=1:100; J=imnoise(I,gaussian,0,0.02); J1=im2double(J); K=K+J1; end; 河北经贸大学毕业论文 14 K=K/100; %求 图 像 的 平 均 figure;imshow(K);title(相 加 求 平 均 后 的 图 像 ); 效 果 图 如 下 ： 原 图 像 加 噪 声 后 图 像 Imresize函 数 的 语 法 格

25、 式 为 ： B = imresize(A,m,method) 这 里 参 数 method用 于 指 定 插 值 的 方 法 ， 可 选 用 的 值 为nearest（ 最 邻 近 法 ）， bilinear（ 双 线 性 插 值 ）， bicubic（ 双 三 次 插 值 ）， 默 认 为 nearest。 B = imresize(A,m,method)返 回 原 图 A的 m倍 放 大 的 图 像 （ m小 于 1时 效 果 是 缩 小 ）。 例 ： （ 将 图 像 放 大 ） 执 行 该 程 序 的 命 令 ： I=imread(eight.tif); J = imresize(I,

26、1.25); imshow(I),title(原 图 像 ) figure,imshow(J),title(放 大 后 的 图 像 ) 河北经贸大学毕业论文 15 该 程 序 的 效 果 图 如 下 ： 原 图 象 河北经贸大学毕业论文 16 放 大 后 图 像 在 工 具 箱 中 的 函 数 imrotate可 用 上 述 三 种 方 法 对 图 像 进 行 插 值 旋 转 ， 默 认 的 插 值 方 法 也 是 最 邻 近 插 值 法 。 Imrotate的 语 法 格 式 为 ： B = imrotate(A,angle,method) 函 数 imrotate对 图 像 进 行 旋 转

27、 ， 参 数 method用 于 指 定 插 值 的 方 法 ， ， 可 选 用 的 值 为 nearest（ 最 邻 近 法 ） ， bilinear（ 双 线 性 插 值 ） ， bicubic（ 双 三 次 插 值 ） ， 默 认 为 nearest。 一 般 说 来 旋 转 后 的 图 像 会 比 原 图 大 ， 超 出 原 图 部 分 值 为0。 例 ： （ 将 图 像 旋 转 ） 执 行 该 程 序 的 命 令 ： I=imread(eight.tif); J=imrotate(I,30,bilinear); imshow(I);title(原 图 像 ) figure,imsho

28、w(J),title(旋 转 后 的 图 像 ) 该 程 序 效 果 图 如 下 ： 河北经贸大学毕业论文 17 原 图 像 河北经贸大学毕业论文 18 旋 转 后 图 像 结 束 语 本 文 主 要 介 绍 了 图 像 的 基 本 运 算 ， 包 括 点 运 算 、 代 数 运 算 和 几 何 运 算 ， 举 了 相 应 的 Matlab实 例 ， 并 对 其 相 应 的 应 用 做 了 介 绍 。 比 如 说 代 数 运 算 可 用 于 去 除 图 像 的 噪 声 等 等 。 其 中 的 几 何 运 算 包 括 两 个 步 骤 ， 一 个 是 空 间 变 换 ， 一 个 是 重 采 样 。

29、 然 后 简 单 介 绍 了 下 常 用 的 三 种 灰 度 插 值 方 法最 近 邻 法 、 双 线 性 插 值 法 和 三 次 内 插 法 ， 比 较 了 优 缺 点 。 最 后 演 示 了 图 像 的 缩 放 和 图 像 的 旋 转 。 充 分 体 现 了 在 Matlab中 对 数 字 图 像 用 图 像 运 算 进 行 处 理 更 方 便 、 精 度 提 高 和 灵 活 性 好 。 河北经贸大学毕业论文 19 参 考 文 献 : 1冈 萨 雷 斯 (美 ).阮 秋 琦 ,阮 宇 智 译 .数 字 图 像 处 理 (第 二 版 )M.北 京 :电 子 工 业 出 版 社 ,2009.

30、河北经贸大学毕业论文 20 2冈 萨 雷 斯 (美 ).阮 秋 琦 ,阮 宇 智 译 .数 字 图 像 处 理 (MATLAB版 )M.北 京 :电 子 工 业 出 版 社 ,2009. 3张 志 涌 .MATLAB教 程 M.北 京 :北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ,2009. 4吴 恩 华 ,柳 有 权 .基 于 图 形 处 理 器 (GPU)的 通 用 计 算 J 计 算 机 辅 助 设 计 与 图 形 学 学 报 ， 2004,16(5)： 601-612. 5刘 耀 林 ， 邱 飞 岳 ， 王 丽 萍 ,等 .基 于 GPU的 图 像 快 速 旋 转 算 法 的 研 究

31、 及 实 现.计 算 机 工 程 与 科 学 ， 2008,30(6)： 48-50 6数 字 图 像 处 理 、 压 缩 与 识 别 技 术 M.李 在 铭 编 著 ,成 都 :电 子 科 技 大 学 出 版 社 , 2000. 7数 字 图 像 处 理 疑 难 解 析 M .赖 剑 煌 ,冯 国 灿 .北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,2005. 8图 象 处 理 和 分 析 M. 章 毓 晋 .北 京 ： 清 华 大 学 出 版 社 ,1999. 9数 字 图 像 处 理 M。 朱 志 刚 ， 石 定 机 等 译 .北 京 ： 电 子 工 业 出 版 社 ， 1999,8 10一 种 直 方 图 规 定 化 的 组 映 射 算 法 J. 韩 殿 元 ,陈 子 富 .潍 坊 学 院 学 报 ,2005,5(6). 11图 像 工 程 (上 册 ):图 像 处 理 M. 章 毓 晋 .北 京 :清 华 大 学 出 版 社 ,2006