MATLAB圖像處理實(shí)例詳解第3章MATLAB圖像處理基礎(chǔ)課件

1、第3章 MATLAB圖像處理基礎(chǔ)本章主要介紹利用MATLAB來實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理的基本操作，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：MATLAB圖像處理工具箱，圖像類型的轉(zhuǎn)換，圖像文件的讀寫，圖像文件的顯示，視頻文件的讀寫。介紹這5個部分目的是為了讓廣大用戶了解MATLAB圖像處理工具箱的基礎(chǔ)上，能夠利用該工具箱來實(shí)現(xiàn)基本的圖像處理操作。3.1圖像處理工具箱在 MATLAB中，所提供的工具箱種類是非常多的，包含的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣闊，例如Control System Toolbox（系統(tǒng)控制工具箱）、Database Toolbox（數(shù)據(jù)庫工具箱）、Filter Design Toolbox（濾波器設(shè)計工具箱）

2、、Signal Processing Toolbox（信號處理工具箱）等，利用這些工具箱用戶可以非常方便地實(shí)現(xiàn)所需要的計算、分析、處理等功能。本書主要是介紹MATLAB與圖像處理的相關(guān)操作，在MATLAB中也提供了與圖像處理相關(guān)的工具箱Image Processing Toolbox（圖像處理工具箱）。下面具體介紹MATLAB中的圖像處理工具箱的相關(guān)內(nèi)容。3.1.1圖像處理工具箱使用向?qū)mage Processing Toolbox（圖像處理工具箱）是利用了MATLAB強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計算能力，為廣大用戶提供了一套全方位的參照標(biāo)準(zhǔn)算法和圖形工具，用于進(jìn)行圖像處理、分析、可視化和算法開發(fā)。該工具箱提

3、供的圖像處理操作非常廣泛，包括：圖像數(shù)據(jù)的讀取和保存：將圖像數(shù)據(jù)讀取到工作空間，處理后圖像進(jìn)行保存；圖像的顯示：將圖像文件在窗口中顯示出來；創(chuàng)建GUI：創(chuàng)建圖像用戶接口，實(shí)現(xiàn)交互操作；圖像的幾何變換：又稱圖像的空間變換，例如圖像的縮放、圖像的旋轉(zhuǎn)、圖像的平移、圖像的鏡像和圖像的裁剪等操作；圖像濾波器設(shè)計及線性濾波：可以進(jìn)行線性濾波和設(shè)計FIR等濾波器；形態(tài)學(xué)圖像處理：可以進(jìn)行膨脹和腐蝕，以及基于膨脹和腐蝕的處理，并且可以進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)重建等操作；圖像域變換：可以進(jìn)行傅里葉變換、離散正弦或余弦變換、Radon變換等；圖像增強(qiáng)：可以進(jìn)行灰度拉伸、對比度增強(qiáng)和去噪處理等；圖像分析：可以進(jìn)行圖像的直方

4、圖統(tǒng)計、邊緣檢測、邊界跟蹤和四叉樹分解等操作圖像合成：將兩幅或多幅部分圖像拼接成一幅完整圖像；圖像配準(zhǔn)：可以基于控制點(diǎn)配準(zhǔn)圖像；圖像分割：將一幅圖像按照一定規(guī)則分成多個部分，區(qū)域生長，閾值分割等；圖像ROI處理：針對圖像中感興趣區(qū)域進(jìn)行處理，ROI選取等；圖像恢復(fù)：圖像中含有噪聲或者圖像發(fā)生退化，利用某些算法將圖像進(jìn)行還原和恢復(fù)；彩色圖像處理：圖像的彩色空間類型及彩色空間變換，例如RGB彩色空間；鄰域和塊處理：可以進(jìn)行塊操作、濾波、填充、滑動鄰域操作、分離塊操作和列處理。3.2圖像類型的轉(zhuǎn)換在許多圖像處理過程中，常常需要圖像的類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，否則對應(yīng)的操作沒有意義甚至出錯。在MATLAB中，各種

5、圖像類型之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下圖所示。 3.2.1 RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像在MATLAB中，將RGB圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，需要調(diào)用函數(shù)rgb2gray( )，其調(diào)用格式如下：X=rgb2gray(I)：該函數(shù)是將RGB圖像I轉(zhuǎn)換為灰度圖像X，其中I表示RGB圖像，X表示轉(zhuǎn)換后的灰度圖像。3.2.3灰度圖像轉(zhuǎn)換為索引圖像在MATLAB中，灰度圖像是一個二維數(shù)組矩陣，而索引圖像不僅包括一個二維的數(shù)組矩陣，還包括一個M3的顏色映射表。所以要想將灰度圖像轉(zhuǎn)換成為索引圖像，則必須生成對應(yīng)的顏色映射表。在MATLAB中可以直接調(diào)用函數(shù)gray2ind( )來實(shí)現(xiàn)圖像轉(zhuǎn)換。其調(diào)用格式如下：X,map=gray2

6、ind(I,n)：該函數(shù)是將灰度圖像I轉(zhuǎn)換為索引圖像，其中I指的是原灰度圖像，n是灰度級數(shù)，默認(rèn)值為64，X,map對應(yīng)轉(zhuǎn)換后的索引圖像，map中對應(yīng)的顏色值為顏色圖gray(n)中的顏色值。X,map=gray2ind(BW,n)：該函數(shù)是將二值圖像BW轉(zhuǎn)換為索引圖像，其中I指的是二值圖像，n是灰度級數(shù)，默認(rèn)值為2，X,map對應(yīng)轉(zhuǎn)換后的索引圖像，map中對應(yīng)的顏色值為顏色圖gray(n)中的顏色值。二值圖像實(shí)際上也是灰度圖像，只是其灰度級為2 而已3.2.4索引圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像利用函數(shù)gray2ind( )可以將灰度圖像轉(zhuǎn)換為索引圖像，同樣，索引圖像也是可以轉(zhuǎn)換成為灰度圖像的，在MATL

7、AB中直接調(diào)用函數(shù)ind2gray( )即可實(shí)現(xiàn)，其調(diào)用格式如下：I=ind2gray(X,map)：該函數(shù)是將具有顏色映射表map的索引圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，去除了索引圖像中的顏色、飽和度信息，保留了圖像的亮度信息。其中X,map對應(yīng)索引圖像，I表示轉(zhuǎn)換后的灰度圖像。輸入圖像的數(shù)據(jù)類型可以是double型或uint8型，但輸出為double型。3.2.5索引圖像轉(zhuǎn)換為RGB圖像在MATLAB中，利用函數(shù)rgb2ind( )可以將RGB圖像轉(zhuǎn)換為索引色圖像，同樣索引圖像也可以轉(zhuǎn)換為RGB圖像，利用函數(shù)ind2rgb( )即可實(shí)現(xiàn)，其調(diào)用格式如下：RGB=ind2rgb(X,map)：該函數(shù)是將索

8、引圖像X,map轉(zhuǎn)換為RGB圖像，其中X,map指向索引圖像，RGB指向轉(zhuǎn)換后的真彩色圖像。轉(zhuǎn)換過程中形成一個三維數(shù)組，然后將索引圖像的顏色映射表中的顏色值賦值給三維數(shù)組。輸入圖像的數(shù)據(jù)類型可以是double型、uint8型或uint16型，輸出為double型。3.2.7數(shù)值矩陣轉(zhuǎn)換為灰度圖像在MATLAB中，一個數(shù)據(jù)矩陣就相當(dāng)于一幅數(shù)字圖像，只是在數(shù)字圖像中對應(yīng)的數(shù)組元素必須在一定的取值范圍，因此，只要將對應(yīng)數(shù)據(jù)矩陣中的元素按一定規(guī)律進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就可以將矩陣轉(zhuǎn)換為圖像了。在MATLAB中可以利用函數(shù)mat2gray( )，將一個數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)換為一幅灰度圖像，其調(diào)用格式為：I=mat2gray(

9、X, xmin, xmax)：該函數(shù)是按照指定的取值區(qū)間xmin,xmax將數(shù)據(jù)矩陣X轉(zhuǎn)換為灰度圖像I，xmin對應(yīng)灰度值0，即黑色，xmax對應(yīng)灰度值1，即白色。數(shù)據(jù)矩陣中小于xmin的值取為0，大于xmax的值取為1。如果不指定取值區(qū)間xmin, xmax，即缺省情況下，將數(shù)據(jù)矩陣X中最小值設(shè)為xmin，最大值設(shè)為xmax。3.3圖像文件的讀寫在MATLAB中，用戶想要對一幅圖像或者圖像文件進(jìn)行操作和處理，最首要的一個步驟就是對需要處理的圖像或者文件進(jìn)行“讀取”，然后再進(jìn)行具體的操作和處理，最后可以將處理后的圖像進(jìn)行保存。MATLAB為廣大用戶提供了專門的函數(shù)，可以方便地進(jìn)行圖像信息的讀取

10、，圖像文件的保存。本節(jié)中將具體講述圖像文件讀寫的相關(guān)內(nèi)容。3.3.2圖像文件的讀取在MATLAB中，圖像文件的讀取最主要的是利用函數(shù)imread( )，該函數(shù)幾乎支持MATLAB中所有的圖像文件格式。根據(jù)所讀取圖像格式的不同以及圖像類型的不同，該函數(shù)的調(diào)用格式也各不相同。下面將分別從“常見圖像格式讀取”和“特殊圖像格式讀取”兩部分進(jìn)行介紹：1.常見圖像格式讀取2.特殊圖像格式讀取3.3.3圖像文件的保存MATLAB中利用函數(shù)imwrite( )來實(shí)現(xiàn)圖像文件的寫入操作，即保存，與函數(shù)imread( )的作用相對。其調(diào)用格式通常有以下幾種：imwrite(I, filename, fmt)：該函

11、數(shù)是把圖像數(shù)據(jù)I保存到由字符串“filename”指定的文件中，存儲的文件格式由fmt指定。與函數(shù)imread( )使用類似，如果所指定的保存文件filename不在當(dāng)前目錄下或MATLAB的目錄下，必須指明其完整路徑。fmt的取值必須是MATLAB所支持的圖像文件格式。圖像數(shù)據(jù)I不能為空，如果I為灰度圖像，那么I應(yīng)該是一個M N的二維數(shù)組，如果I為彩色圖像，那么I應(yīng)該是一個MN3的三維數(shù)組。如果fmt指定的格式為TIFF，那么函數(shù)imwrite( )可以接受MN4的三維數(shù)組。imwrite(X,map, filename, fmt)：該函數(shù)是用于保存索引色圖像，其中X表示索引色圖像數(shù)據(jù)矩陣，

12、map表示與其關(guān)聯(lián)的顏色映射表，filename為保存的文件名，fmt為文件的保存格式。如果X是uint8或uint16類型的數(shù)組，函數(shù)imwrite( )將數(shù)組中的實(shí)際數(shù)據(jù)按相同的類型保存在文件filename中，前提是所保存的文件格式必須支持uint8或uint16的數(shù)據(jù)類型，否則會出錯。在MATLAB中支持16位圖像的存儲的文件格式有PNG和TIFF。如果X是double類型的數(shù)組，函數(shù)imwrite( )采用uint8(X-1)表示數(shù)組中的值并寫入到文件filename中。顏色映射表map必須是MATLAB所支持的顏色映射表類型。imwrite(, filename)：該函數(shù)是將圖像保

13、存到文件中時，從filename的擴(kuò)展名中推斷圖像的文件格式，該擴(kuò)展名要求必須是MATLAB所支持的類型。函數(shù)imwrite()中在filename之前的參數(shù)“”與前面提到的格式是相同的調(diào)用方式。imwrite(, Param1,Val1, Param2,Val2,)：該函數(shù)是用于在保存HDF、JPEG、PBM、PGM、PPM、PNG、RAS、GIF和TIFF等類型文件時指定某些參數(shù)值。例如，在保存JPEG文件時，可以存儲以下參數(shù)：品質(zhì)（Quality）、注釋（Comment）、模式（Mode）和像素位數(shù)（BitDepth）；在保存HDF文件時，可以指定圖像的壓縮性（Compression）、

14、品質(zhì)（Quality）和寫入模式（WriteMode）。不同的文件格式所保存的參數(shù)不同，用戶可以參考幫助文檔中的相關(guān)介紹。例如imwrite(I, trees.png, BitDepth,8)其含義是將圖像I保存在文件“trees.png”中，并且給參數(shù)BitDepth賦值為8。3.4圖像文件的顯示在數(shù)字圖像處理中，對一幅圖像進(jìn)行處理和操作，第一步是將該圖像讀取出來，然后完成后續(xù)的處理操作。但用戶如何知道處理的結(jié)果怎樣呢，它與原圖像之間有什么差別呢。這就要求將圖像可以在屏幕上進(jìn)行顯示，然后人眼就能最直接地對圖像進(jìn)行觀察和分辨。在MATLAB中提供了豐富的函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對圖像的顯示，例如顯示灰度

15、圖像，顯示彩色圖像，顯示多幀圖像，顯示圖像像素信息等。本小節(jié)將具體介紹MATLAB中圖像顯示函數(shù)以及各自的功能。 圖（a） 圖（b） 3.4.2像素信息的顯示在MATLAB圖像處理工具箱中包含兩個函數(shù)可以返回用戶指定的圖像像素的數(shù)據(jù)值：函數(shù)impixel( )和函數(shù)impixelinfo( )。1.函數(shù)impixel( )函數(shù)impixel( )可以返回選中像素或像素集的數(shù)據(jù)值。用戶可以直接將像素坐標(biāo)作為該函數(shù)的輸入?yún)?shù)或者用鼠標(biāo)選中像素。2.函數(shù)impixelinfo( )：函數(shù)impixelinfo的功能是在當(dāng)前顯示的圖像中創(chuàng)建一個像素信息工具。這個像素信息工具顯示的是鼠標(biāo)光標(biāo)所在圖像的像

16、素點(diǎn)的信息，并且可以顯示該圖像窗口中的所有圖像中的像素的信息。該像素信息顯示工具默認(rèn)在圖像窗口的左下角，其中內(nèi)容包括兩個部分：一是一個字符串“Pixel Info”，二是在字符串后的像素信息。3.5.1視頻文件的讀取在MATLAB中，讀取視頻文件有幾種方法，所支持的函數(shù)也非常多。在MATLAB早期版本中，主要是利用函數(shù)aviinfo( )和函數(shù)aviread( )來進(jìn)行讀取視頻文件信息及視頻流，在比較新的版本中，主要是利用函數(shù)mmfileinfo( )、函數(shù)mmreader( )和函數(shù)read( )來對視頻文件進(jìn)行讀取。3.5.2視頻文件的播放對于視頻文件的播放，在MATLAB中直接調(diào)用函數(shù)movie( )即可。其調(diào)用格式如下：movie(M)：該函數(shù)是播放視頻流M一次，其中M是一個結(jié)構(gòu)體，它包含兩個屬性CData和Colormap。movi