基于matlab的图像锐化算法研究与仿真学位论文.docx
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基于matlab的图像锐化算法研究与仿真学位论文
摘 要
在获取图像的过程中,由于多种因素的影响,导致图像质量会有所退化。
图像增强的目的在于通过处理有选择地突出便于人或机器分析某些感兴趣的信息,抑制一些无用的信息,以提高图像的使用价值。
图像锐化正是图像增强中空间域局部运算方法中的一种,其目的是增强和判断图像的边缘和轮廓信息。
而图像锐化的具体方法就是通过微分而使图像边缘突出、清晰。
图像锐化最常用的方法是梯度锐化法,但除梯度算法外,图像锐化的方法还有Roberts、Prewitt、Sobel和Laplacian等多种算法,本文对这些方法进行了介绍、比较和分析。
最后对MATLAB做了介绍,并运用MATLAB语言对图像锐化的部分算法进行了实现并记录结果。
通过对各种算法仿真和比较,每种算法都有各自的优缺点。
在分析了本论文采用的图像特点后,有针对性的对Laplacian算法进行了改进,即采用高提升滤波来提高图像的亮度。
实验结果表明,此方法可行,达到了预期的锐化效果。
关键词:
图像增强;边缘;MATLAB;图像锐化
Abstract
Intheprocessofimageacquisiting,theimagequalitywillbedegradedduetoavarietyoffactors.Imageenhanceingisaimedathighlightingsomeinterestedinformationthatiseasytoanalyzeforpeopleandmachineandinhibitingsomeuselessinformationtoenhancetheimagevalue.Imagesharpeningisapartionoperationmethodofimageenhancinginspatialdomain,anditspurposeistoenhanceandjudgetheedgeoftheimageandprofileinformationandthespecificmethodoftheimagesharpeningusesdifferentialtomaketheedgesoprominentandclear.
Themostcommonlyusedmethodofimagesharpeningisgradientsharpening.Butapartfromthegradientalgorithm,imagesharpeningmethodsalsohaveRoberts,Prewitt,Sobel,Laplacianandetc.Thesemethodswereintroduced,comparedandanalyzed.Finally,MATLABisintroduced.Andapartoftheimagesharpeningalgorithmisachievdandtheresultsaferecorded.
Throughthesimulationandcomparisonofthevariousalgorithms,eachalgorithmhasitsownadvantagesanddisadvantages.Afterthefeaturesoftheimageusinginthispaperareanalyzed,itimprovestheLaplacianalgorithmcontrapositively,namelyusinghigh-elevatingfilteringtoimprovethebrightnessoftheimage.Experimentalresultsshowthatthemethodisfeasibleandachievesthedesiredsharpeningeffect.
Keywords:
Imageenhancing;Edge;MATLAB;ImageSharpening
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1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
3)其它
目录
1引言1
1.1图像及其特点1
1.2图像的文件格式1
1.3数字图像处理5
1.3.1数字图像处理概述5
1.3.2数字图像处理发展概况5
1.3.3数字图像处理主要研究内容6
1.3.4数字图像处理的基本特点7
1.3.5数字图像处理的优点8
1.3.6数字图像处理的应用8
1.4图像锐化的研究背景10
1.5研究图像锐化的目的和注意事项10
1.6本文内容的安排10
2图像锐化11
2.1微分法11
2.1.1梯度法(Gradieut)11
2.1.2Sobel算法13
2.1.3LOG算子14
2.2拉普拉斯算子14
2.3高通滤波法15
2.3.1空间域高通滤波15
2.3.2频率域高通滤波16
2.3.3统计差值法(用于勾边处理)17
2.4MATLAB中如何实现图像锐化17
2.5总结18
3锐化的边缘检测法与锐化算子19
3.1边缘检测法19
3.1.1梯度算子19
3.1.2梯度算子在MATLAB中的实现20
3.2拉普拉斯算子21
3.3边缘连接方法21
3.4边缘检测的MATLAB实现方法22
3.5MATLAB的实现程序如下23
3.6结论23
4MATLAB简介及GUI设计24
4.1MATLAB简介24
4.2图形用户界面GUI24
4.3GUI设计原理及简介25
4.4设计方法25
4.4.1图形用户界面设计工具25
4.4.2菜单设计26
4.4.3对话框设计26
4.4.4句柄图形27
4.4.5图形对象句柄命令27
4.5总结27
5结论与展望28
5.1结论28
5.2展望28
致谢29
参考文献30
1引言
据研究,在人类所接受到的全部信息中,约有75%~80%是通过视觉系统得到的,和语言或文字信息相比,图像包含的信息量更大、更直观、更确切,因而具有更高的使用效率和更广泛的适应性。
当图像以数字形式进行处理和传输时,由于具有质量好、成本低和易于实现等优点,这种存储和传输格式已经成为该领域当前和未来的主要发展趋势。
1.1图像及其特点
客观世界在空间上是三维(3-D)的,但一般从客观景物得到的图像是二维(2-D)的。
一幅图像可以定义为一个二维函数
,这里x和y表示2-D空间中一个坐标点的位置,而幅值f则代表图像在坐标
上的某种性质的数值。
例如常用的图像一般是灰度图,这时f表示灰度值,它常对应客观景物被观察到的亮度[1]。
数字图像常用矩阵来描述。
一幅M×N个像素的数字图像,其像素灰度值可以用M行、N列的矩阵[G]表示:
在存储图像时,一幅M行、N列的数字图像(M×N个像素),可以用一个M×N的二维数组T来表示。
图像的各个像素灰度值可按一定的顺序存放在数组T中。
习惯上把数字图像左上角的像素定义为第(1,1),右下角的像素定义为第(M,N)个像素。
数字图像处理,就是把数字图像经过一些特定数理模式的加工处理,以达到有利于人眼视觉或某种接收系统所需要的图像的过程。
如对被噪声污染的图像除去噪声,对信息微弱的图像进行增强,对失真的图像进行几何校正等。
随着计算机软硬件技术的突飞猛进,以及数字处理技术的不断发展,数字图像处理在科学研究、工业生产、国防以及现代管理决策等各行各业都得到越来越多的应用。
1.2图像的文件格式
(1)BMP图像文件格式
BMP是一种与硬件设备无关的图像文件格式,使用非常广。
它采用位映射存储格式,除了图像深度可选以外,不采用其他任何压缩,因此,BblP文件所占用的空间很大。
BMP文件的图像深度可选lbit、4bit、8bit及24bit。
BMP文件存储数据时,图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。
由于BMP文件格式是Windows环境中交换与图有关的数据的一种标准,因此在Windows环境中运行的图形图像软件都支持BMP图像格式。
典型的BMP图像文件由三部分组成:
位图文件头数据结构,它包含BMP图像文件的类型、显示内容等信息;位图信息数据结构,它包含有BMP图像的宽、高、压缩方法,以及定义颜色等信息。
BMP是(Windows位图)Windows位图可以用任何颜色深度(从黑白到24位颜色)存储单个光栅图像。
Windows位图文件格式与其他MicrosoftWindows程序兼容。
它不支持文件压缩,也不适用于Web页从总体上看,Windows位图文件格式的缺点超过了它的优点。
为了保证照片图像的质量,请使用PNG、JPEG、TIFF文件。
BMP文件适用于Windows中的墙纸。
优点:
BMP支持1位到24位颜色深度。
BMP格式与现有Windows程序(尤其是较旧的程序)广泛兼容。
缺点:
BMP不支持压缩,这会造成文件非常大。
BMP文件不受Web浏览器支持。
(2)PCX图像文件格式
PCX这种图像文件的形成是有一个发展过程的。
最先的PCX雏形是出现在ZSOFT公司推出的名叫PCPAINBRUSH的用于绘画的商业软件包中。
以后,微软公司将其移植到Windows环境中,成为Windows系统中一个子功能。
先在微软的Windows3.1中广泛应用,随着Windows的流行、升级,加之其强大的图像处理能力,使PCX同GIF、TIFF、BMP图像文件格式一起,被越来越多的图形图像软件工具所支持,也越来越得到人们的重视。
PCX是最早支持彩色图像的一种文件格式,现在最高可以支持256种彩色,如图4-25所示,显示256色的彩色图像。
PCX设计者很有眼光地超前引入了彩色图像文件格式,使之成为现在非常流行的图像文件格式。
PCX图像文件由文件头和实际图像数据构成。
文件头由128字节组成,描述版本信息和图像显示设备的横向、纵向分辨率,以及调色板等信息:
在实际图像数据中,表示图像数据类型和彩色类型。
PCX图像文件中的数据都是用PCXREL技术压缩后的图像数据。
PCX是PC机画笔的图像文件格式。
PCX的图像深度可选为l、4、8bit。
由于这种文件格式出现较早,它不支持真彩色。
PCX文件采用RLE行程编码,文件体中存放的是压缩后的图像数据。
因此,将采集到的图像数据写成PCX文件格式时,要对其进行RLE编码:
而读取一个PCX文件时首先要对其进行RLE解码,才能进一步显示和处理。
(3)TIFF图像文件格式
TIFF(TaglmageFileFormat)图像文件是由Aldus和Microsoft公司为桌上出版系统研制开发的一种较为通用的图像文件格式。
TIFF格式灵活易变,它又定义了四类不同的格式:
TIFF-B适用于二值图像:
TIFF-G适用于黑白灰度图像;TIFF-P适用于带调色板的彩色图像:
TIFF-R适用于RGB真彩图像。
TIFF支持多种编码方法,其中包括RGB无压缩、RLE压缩及JPEG压缩等。
TIFF是现存图像文件格式中最复杂的一种,它具有扩展性、方便性、可改性,可以提供给IBMPC等环境中运行、图像编辑程序。
TIFF图像文件由三个数据结构组成,分别为文件头、一个或多个称为IFD的包含标记指针的目录以及数据本身。
TIFF图像文件中的第一个数据结构称为图像文件头或IFH。
这个结构是一个TIFF文件中唯一的、有固定位置的部分;IFD图像文件目录是一个字节长度可变的信息块,Tag标记是TIFF文件的核心部分,在图像文件目录中定义了要用的所有图像参数,目录中的每一目录条目就包含图像的一个参数。
(4)GIF文件格式
GIF(GraphicsInterchangeFormat)的原义是"图像互换格式",是CompuServe公司在1987年开发的图像文件格式。
GIF文件的数据,是一种基于LZW算法的连续色调的无损压缩格式。
其压缩率一般在50%左右,它不属于任何应用程序。
目前几乎所有相关软件都支持它,公共领域有大量的软件在使用GIF图像文件。
GIF图像文件的数据是经过压缩的,而且是采用了可变长度等压缩算法。
所以GIF的图像深度从lbit到8bit,也即GIF最多支持256种色彩的图像。
GIF格式的另一个特点是其在一个GIF文件中可以存多幅彩色图像,如果把存于一个文件中的多幅图像数据逐幅读出并显示到屏幕上,就可构成一种最简单的动画。
GIF解码较快,因为采用隔行存放的GIF图像,在边解码边显示的时候可分成四遍扫描。
第一遍扫描虽然只显示了整个图像的八分之一,第二遍的扫描后也只显示了1/4,已经把整幅图像的概貌显示出来了。
在显示GIF图像时,隔行存放的图像会给您感觉到它的显示速度似乎要比其他图像快一些,这是隔行存放的优点。
(5)JPEG文件格式
JPEG是jointPhotographicExpertsGroup(联合图像专家组)的缩写,文件后辍名为".jpg"或".jpeg",是最常用的图像文件格式,由一个软件开发联合会组织制定,是一种有损压缩格式,能够将图像压缩在很小的储存空间,图像中重复或不重要的资料会被丢失,因此容易造成图像数据的损伤。
尤其是使用过高的压缩比例,将使最终解压缩后恢复的图像质量明显降低,如果追求高品质图像,不宜采用过高压缩比例。
但是JPEG压缩技术十分先进,它用有损压缩方式去除冗余的图像数据,在获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像,换句话说,就是可以用最少的磁盘空间得到较好的图像品质。
而且JPEG是一种很灵活的格式,具有调节图像质量的功能,允许用不同的压缩比例对文件进行压缩,支持多种压缩级别,压缩比率通常在10:
1到40:
1之间,压缩比越大,品质就越低;相反地,压缩比越小,品质就越好。
比如可以把1.37Mb的BMP位图文件压缩至20.3KB。
当然也可以在图像质量和文件尺寸之间找到平衡点。
JPEG格式压缩的主要是高频信息,对色彩的信息保留较好,适合应用于互联网,可减少图像的传输时间,可以支持24bit真彩色,也普遍应用于需要连续色调的图像。
JPEG格式是目前网络上最流行的图像格式,是可以把文件压缩到最小的格式,在Photoshop软件中以JPEG格式储存时,提供11级压缩级别,以0—10级表示。
其中0级压缩比最高,图像品质最差。
即使采用细节几乎无损的10级质量保存时,压缩比也可达5:
1。
以BMP格式保存时得到4.28MB图像文件,在采用JPG格式保存时,其文件仅为178KB,压缩比达到24:
1。
经过多次比较,采用第8级压缩为存储空间与图像质量兼得的最佳比例。
JPEG格式的应用非常广泛,特别是在网络和光盘读物上,都能找到它的身影。
目前各类浏览器均支持JPEG这种图像格式,因为JPEG格式的文件尺寸较小,下载速度快。
JPEG2000作为JPEG的升级版,其压缩率比JPEG高约30%左右,同时支持有损和无损压缩。
JPEG2000格式有一个极其重要的特征在于它能实现渐进传输,即先传输图像的轮廓,然后逐步传输数据,不断提高图像质量,让图像由朦胧到清晰显示。
此外,JPEG2000还支持所谓的"感兴趣区域"特性,可以任意指定影像上感兴趣区域的压缩质量,还可以选择指定的部分先解压缩。
JPEG2000和JPEG相比优势明显,且向下兼容,因此可取代传统的JPEG格式。
JPEG2000即可应用于传统的JPEG市场,如扫描仪、数码相机等,又可应用于新兴领域,如网路传输、无线通讯等等。
(6)TGA格式
TGA格式(TaggedGraphics)是由美国Truevision公司为其显示卡开发的一种图像文件格式,文件后缀为".tga",已被国际上的图形、图像工业所接受。
TGA的结构比较简单,属于一种图形、图像数据的通用格式,在多媒体领域有很大影响,是计算机生成图像向电视转换的一种首选格式。
TGA图像格式最大的特点是可以做出不规则形状的图形、图像文件,一般图形、图像文件都为四方形,若需要有圆形、菱形甚至是缕空的图像文件时,TGA可就派上用场了。
TGA格式支持压缩,使用不失真的压缩算法。
(7)EXIF格式
EXIF的格式是1994年富士公司提倡的数码相机图像文件格式,其实与JPEG格式相同,区别是除保存图像数据外,还能够存储摄影日期、使用光圈、快门、闪光灯数据等曝光资料和附带信息以及小尺寸图像。
(8)FPX图像文件格式
FPX图像文件格式(扩展名为fpx)是由柯达、微软、HP及LivePictureInc联合研制,并于1996年6月正式发表,FPX是一个拥有多重分辨率的影像格式,即影像被储存成一系列高低不同的分辨率,这种格式的好处是当影像被放大时仍可维持影像的质素,另外,当修饰FPX影像时,只会处理被修饰的部分,不会把整幅影像一并处理,从而减小处理器及记忆体的负担,使影像处理时间减少。
(9)PNG图像文件格式
PNG(PortableNetworkGraphics)的原名称为"可移植性网络图像",是网上接受的最新图像文件格式。
PNG能够提供长度比GIF小30%的无损压缩图像文件。
它同时提供24位和48位真彩色图像支持以及其他诸多技术性支持。
由于PNG非常新,所以目前并不是所有的程序都可以用它来存储图像文件,但Photoshop可以处理PNG图像文件,也可以用PNG图像文件格式存储。
还有如SVG、PSD、CDR、PCD、DXF、UFO、EPS等一些不常见的图像文件格式在这就不做一一介绍了。
1.3数字图像处理
1.3.1数字图像处理概述
数字图像处理(digitalimageprocessing)是用计算机对图像信息进行处理的一门技术,使利用计算机对图像进行各种处理的技术和方法。
20世纪20年代,图像处理首次得到应用。
20世纪60年代中期,随电子计算机的发展得到普遍应用。
60年代末,图像处理技术不断完善,逐渐成为一个新兴的学科。
利用数字图像处理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缩,便于传输和保存。
数字图像处理主要研究以下内容:
傅立叶变换、小波变换等各种图像变换;对图像进行编码和压缩;采用各种方法对图像进行复原和增强;对图像进行分割、描述和识别等。
随着技术的发展,数字图像处理主要应用于通讯技术、宇宙探索遥感技术和生物工程等领域。
数字图像处理因易于实现非线性处理,处理程序和处理参数可变,故是一项通用性强,精度高,处理方法灵活,信息保存、传送可靠的图像处理技术。
主要用于图像变换、量测、模式识别、模拟以及图像产生。
广泛应用在遥感、宇宙观测、影像医学、通信、刑侦及多种工业领域。
遥感影像数字图像处理的内容主要有:
①图像恢复。
即校正在成像、记录、传输或回放过程中引入的数据错误、噪声与畸变。
包括辐射校正、几何校正等;
②数据压缩。
以改进传输、存储和处理数据效率;
③影像增强。
突出数据的某些特征,以提高影像目视质量。
包括彩色增强、反差增强、边缘增强、密度分割、比值运算、去模糊等;
④信息提取。
从经过增强处理的影像中提取有用的遥感信息。
包括采用各种统计分析、集群分析、频谱分析等自动识别与分类。
通常利用专用数字图像处理系统来实现,且依据目的不同采用不同算法和技术。
1.3.2数字图像处理发展概况
数字图像处理(DigitalImageProcessing)又称为计算机图像处理,它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。
数字图像处理最早出现于20世纪50年代,当时的电子计算机已经发展到一定水平,人们开始利用计算机来处理图形和图像信息。
数字图像处理作为一门学科大约形成于20世纪60年代初期。
早期的图像处理的目的是改善图像的质量,它以人为对象,以改善人的视觉效果为目的。
图像处理中,输入的是质量低的图像,输出的是改善质量后的图像,常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。
首次获得实际成功应用的是美国喷气推进实验室(JPL)。
他们对航天探测器徘徊者7号在1964年发回的几千张月球照片使用了图像处理技术,如几何校正、灰度变换、去除噪声等方法进行处理,并考虑了太阳位置和月球环境的影响,由计算机成功地绘制出月球表面地图,获得了巨大的成功。
随后又对探测飞船发回的近十万张照片进行更为复杂的图像处理,以致获得了月球的地形图、彩色图及全景镶嵌图,获得了非凡的成果,为人类登月创举奠定了坚实的基础,也推动了数字图像处理这门学科的诞生。
在以后的宇航空间技术,如对火星、土星等星球的探测研究中,数字图像处理技术都发挥了巨大的作用。
数字图像处理取得的另一个巨大成就是在医学上获得的成果。
1972年英国EMI公司工程师Housfield发明了用于头颅诊断的X射线计算机断层摄影装置,也就是我们通常所说的CT(ComputerTomograph)。
CT的基本方法是根据人的头部截面的投影,经计算机处理来重建截面图像,称为图像重建。
1975年EMI公司又成功研制出全身用的CT装置,获得了人体各个部位鲜明清晰的断
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