基于matlab的數字圖像處理畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 ，但他發現學生用FORTRAN編寫接口程序很費時間，于是他開始自己動手，利用業余時間為學生編寫EISPACK和LINPACK的接口程序。Cleve Moler給這個接口程序取名為MATLAB，該名為矩陣（matrix）和實驗室（laboratory）兩個英文單詞的前三個字母的組合。在以后的數年里，MATLAB在多所大學里作為教學輔助軟件使用，并作為面向大眾的免費軟件廣為流傳。1983年春天，Cleve Moler到Stanford大學講學，MATLAB深深地吸引了工程師John Little。John Little敏銳地覺察到MATLAB在工程領域的廣闊前景。同年，他和 Cleve Moler、Sieve Bangert一起，用C語言開發了第二代專業版。這一代的MATLAB語言同時具備了數值計算和數據圖示化的功能。1984年，Cleve Moler和 John Lithe成立了MathWorks公司，正式把MATLAB推向市場，并繼續進行MATLAB的研究和開發。在當今30多個數學類科技應用軟件中，就軟件數學處理的原始內核而言，可分為兩大類。一類是數值計算型軟件，如 MATLAB、Xmath、Gauss等，這類軟件長于數值計算，對處理大批數據效率高；另一類是數學分析型軟件，如Mathematica、Maple等，這類軟件以符號計算見長，能給出解析解和任意精度解，其缺點是處理大量數據時效率較低。MathWorks公司順應多功能需求之潮流，在其卓越數值計算和圖示能力的基礎上，又率先在專業水平上開拓了其符號計算、文字處理、可視化建模和實時控制能力，開發了適合多學科、多部門要求的新一代科技應用軟件MATLAB。經過多年的國際競爭，MATLAB 已經占據了數值型軟件市場的主導地位。在MATLAB進入市場前，國際上的許多應用軟件包都是直接以FORTRAN和C語言等編程語言開發的。這種軟件的缺點是使用面窄、接口簡陋、程序結構不開放以及沒有標準的基庫，很難適應各學科的最新發展，因而很難推廣。MATLAB的出現，為各國科學家開發學科軟件提供了新的基礎。在MATLAB問世不久的20世紀80年代中期，原先控制領域里的一些軟件包紛紛被淘汰或在MATLAB上重建。時至今日，經過Math Works公司的不斷完善，MATLAB已經發展成為適合多學科、多種工作平臺的功能強勁的大型軟件。在國外，MATLAB已經經受了多年考驗。在歐美等高校，MATLAB已經成為線性代數、自動控制理論、數理統計、數字信號處理、時間序列分析、動態系統仿真等高級課程的基本教學工具；成為攻讀學位的大學生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在設計研究單位和工業部門，MATLAB被廣泛用于科學研究和解決各種具體問題[13]。 MATLAB簡介 MATLAB是由美國mathworks公司發布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設計的高科技計算環境。它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB 是MATrix LABoratory（“矩陣實驗室”）的縮寫，不僅具備完善的科學計算功能，而且能勝任眾多專業領域的仿真和設計任務，甚至能自動生成直接與硬件關聯的代碼，在圖像處理、系統仿真、數字信號處理、自動控制等領域都有著廣泛的應用。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學,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捷得多。MATLAB包括擁有數百個內部函數的主包和三十幾種工具包(Toolbox)。工具包又可以分為功能性工具包和學科工具包。功能工具包用來擴充MATLAB的符號計算，可視化建模仿真，文字處理及實時控制等功能。學科工具包是專業性比較強的工具包，控制工具包，信號處理工具包，通信工具包等都屬于此類。MATLAB圖像處理工具箱包括：（1） 圖像處理工具箱（Image Processing Toolbox) 它為工程師和科學家提供了一套完整的用于圖像處理和分析的函數，總共超過了200個圖像處理函數，用戶只需要花少量的時間在算法編程上，而可以把大量時間用于問題的分析處理上。（2） 圖像獲取工具箱(Image Acquisition Toolbox) 它擴展了MATLAB的強大科學計算能力，允許直接在MATLAB環境下通過工業標準硬件設備獲取圖像和視頻信號。（3） 地圖工具箱(Mapping Toolbox) 它與MATLAB組合起來提供了一個完整的分析和顯示地理信息的環境，利用該工具箱提供的函數，工程師可以用來分析地理數據，進行地圖顯示，調用外部地圖數據源。 MATLAB的特點MATLAB軟件具有如下特點：(1) 它的語言非常接近自然語言，因此，具有一定程序設計基礎的人學起來比較容易。運算符豐富，具有結構化的控制語句（如for循環，while循環，break語句和if語句），又有面向對象編程的特性。它的程序限制不嚴格，程序設計自由度大，而且具有源程序的開放性。(2) 該軟件提供了大量的內部函數，讓用戶在使用時非常方便，此外，日益龐大的Toolbox更是讓該軟件的應用領域越來越廣泛。(3) 該軟件語言以向量矩陣為著眼點，因此它比較適于進行數值分析。(4) 它的繪圖功能強大，由于MATLAB在世界范圍內特別是在工程計算領域的流行，越來越多的人開始青睞并使用這套軟件。(5) MATLAB的缺點是，它和其他高級程序相比，程序的執行速度較慢。由于MATLAB的程序不用編譯等預處理，也不生成可執行文件，程序為解釋執行，所以速度較慢[14]。 MATLAB在數字圖像中的運用圖像處理工具包是由一系列支持圖像處理操作的函數組成的。所支持的圖像處理操作有:圖像的幾何操作、鄰域和區域操作、圖像變換、圖像恢復與增強、線性濾波和濾波器設計、變換(DCT變換等) 、圖像分析和統計、二值圖像操作等。下面就MATLAB 在圖像處理中各方面的應用分別進行介紹。 （1） 圖像文件格式的讀寫和顯示。MATLAB 提供了圖像文件讀入函數 imread()，用來讀取如:bmp、tif、tiffpcx 、jpg 、gpeg 、hdf、xwd等格式圖像文；圖像寫出函數 imwrite() ，還有圖像顯示函數 image()、imshow()等等。 （2） 圖像處理的基本運算。MATLAB 提供了圖像的和、差等線性運算 ，以及卷積、相關、濾波等非線性算。例如，conv2(I，J)實現了I，J兩幅圖像的卷積。（3） 圖像變換。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，以及連續小波變換(CWT)、離散小波變換(DWT)及其反變換。（4） 圖像的分析和增強。針對圖像的統計計算MATLAB 提供了校正、直方圖均衡、中值濾波、對比度調整、自適應濾波等對圖像進行的處理。（5） 圖像的數學形態學處理。針對二值圖像，MATLAB 提供了數學形態學運算函數；腐蝕(Erode)、膨脹(Dilate)算子，以及在此基礎上的開 (Open)、閉(Close)算子、厚化 (Thicken) 、薄化 (Thin) 算子等豐富的數學形態學運算。（6） 此外，還有一些重要的函數在MATLAB中的應用： ① 使用imnoise添加噪聲。 ② 使用imfinfo用于圖像文件信息查詢。 ③ 使用montage函數來顯示多幀圖像陣列。 ④ 使用immovie函數顯示多幀圖像陣列中創建MATLAB電影動畫。 ⑤ 使用zoom函數來實現圖像上任一區域的縮放。 ⑥ 使用warp函數將圖像作為紋理進行映射。 ⑦ 使用subimage函數在一個圖像窗口中顯示多幅圖像。 以上所提到的 MATLAB在圖像中的應用都是由相應的MATLAB函數來實現的，使用時，只需按照函數的調用語法正確輸入參數即可。具體的用法可參考MATLAB豐富的幫助文檔。圖像邊緣對圖像識別和計算機分析十分有用，在MATLAB中，函數 edge()用于灰度圖像邊緣的提取，它支持六種不同的邊緣提取方法，即Sobel方法、Prewitt 方法、Robert 方法，Laplacian2Gaussian方法、過零點方法和Canny方法[15]。第 41 頁 共 41 頁第4章 二值圖像分析二值圖像中所有的像素只能從0和1這兩個值中取，因此在MATLAB中，二值圖像用一個由0和1組成的二維矩陣表示。這兩個可取的值分別對應于關閉和打開，關閉表征該像素處于背景，而打開表征該像素處于前景。也就是說它是指每個像素不是黑就是白，其灰度值沒有中間過渡的圖像。二值圖像一般用來描述文字或者圖形，它的特點：（1） 優點：占用空間少，更容易識別出圖像的結構特征。（2） 缺點：當表示人物，風景的圖像時，二值圖像只能描述其輪廓，不能描述細節。這時候要用更高的灰度級。 二值圖像經常使用位圖格式存儲。 二值圖像的實現二值圖像操作只返回與二值圖像的形式或結構有關的信息，如果希望對其他類型的圖像進行同樣的操作，則首先要將其轉換為二進制的圖像格式，可以通過調用MATLAB提供的im2bw（）來實現，方法如下：MATLAB程序代碼：I=imread(39。39。)。figure,imshow(I)。J=im2bw(I)。 %二值化處理figure,imshow(J)。運行程序，得到圖41： (1) 原圖 （2）二值圖像 圖41 圖像二值化 二值形態學的基本運算數學形態學的基礎是集合運算，我們把二值圖像A看作是二維坐標點的集合，包含圖像里為1的點，B通常是一個小的集合，作用類似于模板。基本運算有：（1）膨脹（Dilation）運算：定義為A⊕B。（2）腐蝕（Erosion）運算：定義為AB。（3）開（Open）運算: 開運算是先對圖像進行腐蝕，然后再進行膨脹的結果。用B對A進行形態學開操作可以記為，它的定義為(41): (41)（4）閉（Close）運算：閉運算是先對圖像進行膨脹，然后再進行腐蝕的結果。用B對A進行形態學開操作可以記為，它的定義為(42): (42) 膨脹膨脹的算符為，A用B來膨脹寫作AB，這里先將A和B看作是所有取值為1的像素點的集合。其定義為： (43)其中表示集合B的反射，表示對B的反射進行位移x。A與B的交集不能為空集。B膨脹A的過程是：先對B做關于中心像素的映射，再將其映像平移x，換句話說，用B來膨脹A得到的集是B平移后與A至少有一個非零元素相交時B的中心像素的位置的集合。膨脹是使區域從四周向外擴大，給圖像中的對象邊界添加像素；而腐蝕則是使區域從四周同時向內縮小，刪除對象邊界某些像素。在MATLAB中利用imdilate函數來實現膨脹操作。下面用MATLAB例子來說明。MATLAB膨脹程序代碼如下：clear all。bw=imread(39。39。)。se=strel(39。line39。,11,90)。bw2=imdilate(bw,se)。figure。imshow(bw)。figure。imshow(bw2)。運行程序，得到如圖42： (1) 原圖 (2) 圖像膨脹 圖42 二值圖像膨脹 腐蝕腐蝕的算符為，A用B來腐蝕寫作AB。其定義為 (44)用B來腐蝕A得到集合是B完全包括在A中時B的中心像素位置（原點位置）的集合。平移后的B與A的背景并不疊加。在MATLAB圖像處理工具箱中提供了imerode函數實現圖像的腐蝕操作。MATLAB二值腐蝕程序代碼如下：clear all。I=imread(39。39。)。se=strel(39。disk39。,11)。J=imerode(I,se)。figure。imshow(I)。figure。imshow(J)。運行程序，得到如圖43： (1) 原圖 (2) 圖像腐蝕 圖43 二值圖像腐蝕可以從圖42中看出膨脹使圖像的邊界像素增多，區域從四周向外擴大了，造成圖像變得模糊了，邊界重疊了。從圖53中看出腐蝕使圖像邊界像素減少，區域從四周縮小，亮點減少。 二值分析進行圖像處理綜合應用 噪聲濾除將開啟運算和閉合運算結合起來可構成噪聲濾除器。開啟就是先對圖像進行腐蝕后膨脹的結果。閉合就是先對圖像進行膨脹后腐蝕的結果。開啟和閉合這兩種運算都可以除去比結構元素小特定圖像細節，同時保證不產生全局幾何失真。開啟運算可以把結構元素小的突刺濾掉，切斷細長搭接而起到分離作用。閉合運算可以把比結構元素小的缺口或孔填充上，搭接短的間斷而起到連通的作用。開啟運算將背景上的噪聲去除了；再進行閉合運算則將其他噪聲去掉。這樣就構成了噪聲濾除器，起到了去除噪聲的作用。MATLAB中還提供了預定義的形態函數bwmorph，利用bwmorph(I,39。open39。)可以對I圖像進行形態開運算，利用bwmorph(I,39。close