實(shí)驗(yàn)二圖像的代數(shù)運(yùn)算

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告（ 2012 2013 學(xué)年 第 二 學(xué)期 ）課程名稱：圖形圖像處理 開課實(shí)驗(yàn)室：信自444 2013年 5月 15日年級(jí)、專業(yè)、班10級(jí)計(jì)科103班學(xué)號(hào)1姓名成績實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱圖像的代數(shù)運(yùn)算指導(dǎo)教師劉輝教師評(píng)語 教師簽名： 年 月 日一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解圖像的算術(shù)運(yùn)算在數(shù)字圖像處理中的初步應(yīng)用。2體會(huì)圖像算術(shù)運(yùn)算處理的過程和處理前后圖像的變化。二、 實(shí)驗(yàn)原理圖像的代數(shù)運(yùn)算是圖像的標(biāo)準(zhǔn)算術(shù)操作的實(shí)現(xiàn)方法，是兩幅輸入圖像之間進(jìn)行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的加、減、乘、除運(yùn)算后得到輸出圖像的過程。如果輸入圖像為A(x,y)和B(x,y)，輸出圖像為

2、C(x,y)，則圖像的代數(shù)運(yùn)算有如下四種形式： 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)圖像的代數(shù)運(yùn)算在圖像處理中有著廣泛的應(yīng)用，它除了可以實(shí)現(xiàn)自身所需的算術(shù)操作，還能為許多復(fù)雜的圖像處理提供準(zhǔn)備。例如，圖像減法就可以用來檢測同一場景或物體生產(chǎn)的兩幅或多幅圖像的誤差。使用MATLAB的基本算術(shù)符(+、-、*、/ 等)可以執(zhí)行圖像的算術(shù)操作，但是在此之前必須將圖像轉(zhuǎn)換為適合進(jìn)行基本操作的雙精度類型。為了更方便地對(duì)圖像進(jìn)行操作，MATLAB圖

3、像處理工具箱包含了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)所有非稀疏數(shù)值數(shù)據(jù)的算術(shù)操作的函數(shù)集合。下表列舉了所有圖像處理工具箱中的圖像代數(shù)運(yùn)算函數(shù)。表2-1 圖像處理工具箱中的代數(shù)運(yùn)算函數(shù)函數(shù)名功能描述Imabsdiff兩幅圖像的絕對(duì)差值Imadd兩幅圖像的加法Imcomplement補(bǔ)足一幅圖像Imdivide兩幅圖像的除法Imlincomb計(jì)算兩幅圖像的線性組合Immultiply兩幅圖像的乘法imsubtract兩幅圖像的減法使用圖像處理工具箱中的圖像代數(shù)運(yùn)算函數(shù)無需再進(jìn)行數(shù)據(jù)類型間的轉(zhuǎn)換，這些函數(shù)能夠接受uint8和uint16數(shù)據(jù)，并返回相同格式的圖像結(jié)果。雖然在函數(shù)執(zhí)行過程中元素是以雙精度進(jìn)行計(jì)算的，但是MA

4、TLAB工作平臺(tái)并不會(huì)將圖像轉(zhuǎn)換為雙精度類型。代數(shù)運(yùn)算的結(jié)果很容易超出數(shù)據(jù)類型允許的范圍。例如，uint8數(shù)據(jù)能夠存儲(chǔ)的最大數(shù)值是255，各種代數(shù)運(yùn)算尤其是乘法運(yùn)算的結(jié)果很容易超過這個(gè)數(shù)值，有時(shí)代數(shù)操作（主要是除法運(yùn)算）也會(huì)產(chǎn)生不能用整數(shù)描述的分?jǐn)?shù)結(jié)果。圖像的代數(shù)運(yùn)算函數(shù)使用以下截取規(guī)則使運(yùn)算結(jié)果符合數(shù)據(jù)范圍的要求：超出數(shù)據(jù)范圍的整型數(shù)據(jù)將被截取為數(shù)據(jù)范圍的極值，分?jǐn)?shù)結(jié)果將被四舍五入。例如，如果數(shù)據(jù)類型是uint8，那么大于255的結(jié)果（包括無窮大inf）將被設(shè)置為255。注意：無論進(jìn)行哪一種代數(shù)運(yùn)算都要保證兩幅輸入圖像的大小相等，且類型相同。三、 實(shí)驗(yàn)步驟1圖像的加法運(yùn)算圖像相加一般用于對(duì)同

5、一場景的多幅圖像求平均效果，以便有效地降低具有疊加性質(zhì)的隨機(jī)噪聲。直接采集的圖像品質(zhì)一般都較好，不需要進(jìn)行加法運(yùn)算處理，但是對(duì)于那些經(jīng)過長距離模擬通訊方式傳送的圖像（如衛(wèi)星圖像），這種處理是必不可少的。在MATLAB中，如果要進(jìn)行兩幅圖像的加法，或者給一幅圖像加上一個(gè)常數(shù)，可以調(diào)用imadd函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。imadd函數(shù)將某一幅輸入圖像的每一個(gè)像素值與另一幅圖像相應(yīng)的像素值相加，返回相應(yīng)的像素值之和作為輸出圖像。imadd函數(shù)的調(diào)用格式如下：Z = imadd（X，Y）其中，X和Y表示需要相加的兩幅圖像，返回值Z表示得到的加法操作結(jié)果。圖像加法在圖像處理中應(yīng)用非常廣泛。例如，以下代碼使用加法操作將

6、圖2.1中的(a)、(b)兩幅圖像疊加在一起：I = imread(rice.tif)；J = imread(cameraman.tif)；K = imadd(I,J)；imshow(K)；疊加結(jié)果如圖2.2所示。 圖2.1 待疊加的兩幅圖像 圖2.2 疊加后的圖像效果給圖像的每一個(gè)像素加上一個(gè)常數(shù)可以使圖像的亮度增加。例如，以下代碼將增加圖3(a)所示的RGB圖像的亮度，加亮后的結(jié)果如圖3(b)所示。RGB = imread(flower.tif)；RGB2 = imadd(RGB,50)；subplot(1,2,1)；imshow(RGB)；subplot(1,2,2)；imshow(RG

7、B2)； 加50 減50 原圖 加50 減50圖2.3 亮度增加與變暗兩幅圖像的像素值相加時(shí)產(chǎn)生的結(jié)果很可能超過圖像數(shù)據(jù)類型所支持的最大值，尤其對(duì)于uint8類型的圖像，溢出情況最為常見。當(dāng)數(shù)據(jù)值發(fā)生溢出時(shí)，imadd函數(shù)將數(shù)據(jù)截取為數(shù)據(jù)類型所支持的最大值，這種截取效果稱之為飽和。為了避免出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，在進(jìn)行加法計(jì)算前最好將圖像轉(zhuǎn)換為一種數(shù)據(jù)范圍較寬的數(shù)據(jù)類型。例如，在加法操作前將uint8圖像轉(zhuǎn)換為uint16類型。2圖像的減法運(yùn)算圖像減法也稱為差分方法，是一種常用于檢測圖像變化及運(yùn)動(dòng)物體的圖像處理方法。圖像減法可以作為許多圖像處理工作的準(zhǔn)備步驟。例如，可以使用圖像減法來檢測一系列相同場景圖

8、像的差異。圖像減法與閾值化處理的綜合使用往往是建立機(jī)器視覺系統(tǒng)最有效的方法之一。在利用圖像減法處理圖像時(shí)往往需要考慮背景的更新機(jī)制，盡量補(bǔ)償由于天氣、光照等因素對(duì)圖像顯示效果造成的影響。在MATLAB中，使用imsubtract函數(shù)可以將一幅圖像從另一幅圖像中減去，或者從一幅圖像中減去一個(gè)常數(shù)。imsubtract函數(shù)將一幅輸入圖像的像素值從另一幅輸入圖像相應(yīng)的像素值中減去，再將這個(gè)結(jié)果作為輸出圖像相應(yīng)的像素值。imsubtract函數(shù)的調(diào)用格式如下：Z = imsubtract(X,Y)；其中，Z是X-Y操作的結(jié)果。以下代碼首先根據(jù)原始圖像（如圖2.4(a)所示）生成其背景亮度圖像，然后再從

9、原始圖像中將背景亮度圖像減去，從而生成圖2.4(b)所示的圖像：rice = imread(rice.tif)；background = imerode(rice, strel(disk,15)；rice2 = imsubtract(rice, background)；subplot(1,2,1)；imshow(rice)；subplot(1,2,2)；imshow(rice2)； 圖2.4 原始圖像、減去背景圖像如果希望從圖像數(shù)據(jù)I的每一個(gè)像素減去一個(gè)常數(shù)，可以將上述調(diào)用格式中的Y替換為一個(gè)指定的常數(shù)值，例如：Z = imsubtract(I,50)；減法操作有時(shí)會(huì)導(dǎo)致某些像素值變?yōu)橐粋€(gè)負(fù)數(shù)

10、，對(duì)于uint8或uint16類型的數(shù)據(jù)，如果發(fā)生這種情況，那么imsubtract函數(shù)自動(dòng)將這些負(fù)數(shù)截取為0。為了避免差值產(chǎn)生負(fù)值，同時(shí)避免像素值運(yùn)算結(jié)果之間產(chǎn)生差異，可以調(diào)用函數(shù)imabsdiff。imabsdiff將計(jì)算兩幅圖像相應(yīng)像素差值的絕對(duì)值，因而返回結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生負(fù)數(shù)。該函數(shù)的調(diào)用格式與imsubtract函數(shù)類似。3. 圖像的乘法運(yùn)算兩幅圖像進(jìn)行乘法運(yùn)算可以實(shí)現(xiàn)掩模操作，即屏蔽掉圖像的某些部分。一幅圖像乘以一個(gè)常數(shù)通常被稱為縮放，這是一種常見的圖像處理操作。如果使用的縮放因子大于1，那么將增強(qiáng)圖像的亮度，如果因子小于1則會(huì)使圖像變暗?？s放通常將產(chǎn)生比簡單添加像素偏移量自然得多的明

11、暗效果，這是因?yàn)檫@種操作能夠更好地維持圖像的相關(guān)對(duì)比度。此外，由于時(shí)域的卷積或相關(guān)運(yùn)算與頻域的乘積運(yùn)算對(duì)應(yīng)，因此乘法運(yùn)算有時(shí)也被作為一種技巧來實(shí)現(xiàn)卷積或相關(guān)處理。在MATLAB中，使用immultiply函數(shù)實(shí)現(xiàn)兩幅圖像的乘法。immultiply函數(shù)將兩幅圖像相應(yīng)的像素值進(jìn)行元素對(duì)元素的乘法操作（MATLAB點(diǎn)乘），并將乘法的運(yùn)算結(jié)果作為輸出圖形相應(yīng)的像素值。immulitply函數(shù)的調(diào)用格式如下：Z = immulitply(X,Y)其中，Z=X*Y。例如，以下代碼將使用給定的縮放因子對(duì)圖2.5(a)所示的圖像進(jìn)行縮放，從而得到如圖2.5(b)所示的較為明亮的圖像：I = imread(m

12、oon.tif)；J = immultiply(I,1.2)；subplot(1,2,1)；imshow(I)；subplot(1,2,2)；imshow(J)； 圖2.5 原圖和乘以因子1.5 的圖像uint8圖像的乘法操作一般都會(huì)發(fā)生溢出現(xiàn)象。Immultiply函數(shù)將溢出的數(shù)據(jù)截取為數(shù)據(jù)類型的最大值。為了避免產(chǎn)生溢出現(xiàn)象，可以在執(zhí)行乘法操作之前將uint8圖像轉(zhuǎn)換為一種數(shù)據(jù)范圍較大的圖像類型，例如uint16。4圖像的除法運(yùn)算除法運(yùn)算可用于校正成像設(shè)備的非線性影響，這在特殊形態(tài)的圖像（如斷層掃描等醫(yī)學(xué)圖像）處理中常常用到。圖像除法也可以用來檢測兩幅圖像間的區(qū)別，但是除法操作給出的是相應(yīng)像

13、素值的變化比率，而不是每個(gè)像素的絕對(duì)差異，因而圖像除法也稱為比率變換。在MATLAB中使用imdivide函數(shù)進(jìn)行兩幅圖像的除法。imdivide函數(shù)對(duì)兩幅輸入圖像的所有相應(yīng)像素執(zhí)行元素對(duì)元素的除法操作（點(diǎn)除），并將得到的結(jié)果作為輸出圖像的相應(yīng)像素值。imdivide函數(shù)的調(diào)用格式如下：Z = imdivide(X,Y)其中，Z=X/Y。例如，以下代碼將圖4所示的兩幅圖像進(jìn)行除法運(yùn)算，請(qǐng)將這個(gè)結(jié)果和減法操作的結(jié)果相比較，對(duì)比它們之間的不同之處：Rice = imread(rice.tif)；I = double(rice)；J= I * 0.43 + 90；Rice2 = uint8(J)；I

14、p = imdivide(rice, rice2)；Imshow(Ip, )；除法操作的結(jié)果如圖2.6所示。 圖2.6 原圖和減背景后的圖像相除的圖像效果5圖像的四則代數(shù)運(yùn)算可以綜合使用多種圖像代數(shù)運(yùn)算函數(shù)來完成一系列的操作。例如，使用以下語句計(jì)算兩幅圖像的平均值：I = imread(rice.tif)；I2 = imread(cameraman.tif)；K = imdivide(imadd(I,I2),2)；建議最好不要用這種方式進(jìn)行圖像操作，這是因?yàn)?，?duì)于uint8或uint16數(shù)據(jù)，每一個(gè)算術(shù)函數(shù)在將其輸出結(jié)果傳遞給下一項(xiàng)操作之前都要進(jìn)行數(shù)據(jù)截取，這個(gè)截取過程將會(huì)大大減少輸出圖像的信

15、息量。執(zhí)行圖像四則運(yùn)算操作較好的一個(gè)辦法就是使用函數(shù)imlincomb。函數(shù)imlincomb按照雙精度執(zhí)行所有代數(shù)運(yùn)算操作，而且僅對(duì)最好的輸出結(jié)果進(jìn)行截取，該函數(shù)的調(diào)用格式如下：Z = imlincomb(A,X,B,Y,C)；其中，Z=A*X+B*Y+C。MATLAB會(huì)自動(dòng)根據(jù)輸入?yún)?shù)的個(gè)數(shù)判斷需要進(jìn)行的運(yùn)算。例如，以下語句將計(jì)算Z=A*X+C：Z = imlincomb(A,X,C)而以下語句將計(jì)算Z=A*X+B*Y：Z = imlincomb(A,X,B,Y,)四、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1 描述實(shí)驗(yàn)的基本步驟，用數(shù)據(jù)和圖片給出各個(gè)步驟中取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行必要的討論。2 必須包括原始圖像及其計(jì)

16、算處理后的圖像以及相應(yīng)的解釋。1)圖像加法運(yùn)算I = imread('2.bmp');J = imread('1.jpg');K = imadd(I,J);imshow(K); %使用加法操作將圖2.1中的1.jpg、2.bmp兩幅圖像疊加在一起：RGB = imread('1.jpg');RGB2 = imadd(RGB,50);subplot(1,2,1);imshow(RGB);subplot(1,2,2);imshow(RGB2); %亮度加502）圖像減法運(yùn)算rice = imread('2.bmp');backgrou

17、nd = imerode(rice, strel('disk',1);rice2 = imsubtract(rice, background);subplot(1,2,1);imshow(rice);subplot(1,2,2);imshow(rice2);RGB = imread('1.jpg');RGB2 = imsubtract(RGB,50);subplot(1,2,1);imshow(RGB);subplot(1,2,2);imshow(RGB2); %亮度減503)圖像乘法運(yùn)算I = imread('1.jpg');J = immul

18、tiply(I,1.8);subplot(1,2,1);imshow(I);subplot(1,2,2);imshow(J); % 原圖和乘以因子1.8 的圖像4）圖像除法運(yùn)算clear all;close all;rice = imread('2.bmp');I = double(rice);J= I * 0.01 + 10;rice2 = uint8(J);Ip = imdivide(rice, rice2);Imshow(Ip, );5)圖像四則代數(shù)運(yùn)算I = imread('1.jpg'); I2 = imread('2.bmp'); subplot(2,2,1);imshow(I); subplot(2,2,2);imshow(I2);K = imdivide(imadd(I,I2),2); subplot(2,1,2);imshow(K);%計(jì)算兩幅圖像的平均值：五、 思考題由圖像算術(shù)運(yùn)算的運(yùn)算結(jié)果，思考圖像減法運(yùn)算在什么場合上發(fā)揮優(yōu)勢？答：使用背景減法