Matlab在圖像后處理方面的應(yīng)用實踐及效果分析

王耀菊

摘要：Matlab中文意為矩陣實驗室，它可以用來做很多工作，例如算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)字計算的高級計算機語言等等。Matlab除了運用于矩陣運算、數(shù)據(jù)分析等常用功能外，它還可以用來創(chuàng)建電腦用戶界面，同時也能適用于各種計算機語言編寫的程序，例如C語言，C++等等。該文中筆者主要從Matlab在圖像后處理方面的應(yīng)用實踐和效果來講述Matlab的作用以及Matlab在圖像后處理方面的應(yīng)用實踐分析。

關(guān)鍵詞：matlab；圖像后處理；效果

中圖分類號：TP18 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）02-0207-03

Abstract：Matlab Chinese means a matrix lab， which can be used to do a lot of work， such as algorithm development， data visualization， data analysis， and digital computing， advanced computer languages， etc.. Matlab in addition to the use of matrix operations， data analysis and other commonly used functions， it can also be used to create a computer user interface， but also can be applied to a variety of computer languages， such as C language， C++， etc.. In this paper， the author mainly from the Matlab in the image of the application of the practice and effect of postprocessing to tell the role of Matlab and Matlab in the image of postprocessing's application practice analysis.

Key words： matlab； image postprocessing； Effect

1 Matlab在圖像后處理方面的簡要介紹

1.1 Matlab圖像文件格式簡介

隨著數(shù)學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，Matlab也發(fā)展迅猛，從早期單一的文件格式的Matlab，1.0系統(tǒng)，到目前以前出版了Matlab，8.1系統(tǒng)，其中在圖像文件格式上發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變，新版本幾乎能使用所有文件格式的圖像。

1.2 圖像處理工具箱

Matlab是一種向量性的高級語言，而不是標(biāo)量。由于Matlab這種本質(zhì)上的特點，它在圖像后處理技術(shù)上起到了非常重要的作用。從圖像的后處理過程中我們可以知道，要想對離散型數(shù)據(jù)形成的矩陣進行一次性處理，就必須得用到Matlab。而Matlab在處理圖像時，圖像處理工具箱至關(guān)重要，尤其是圖像后處理。在圖像后處理過程中，Matlab為圖像數(shù)據(jù)處理提供了可以使用的函數(shù)，這些函數(shù)的作用就是幫助我們在進行圖像后處理過程中分析圖像的細節(jié)和數(shù)據(jù)，根據(jù)這些細節(jié)和數(shù)據(jù)設(shè)計相應(yīng)的濾波算子，從而清除圖像數(shù)據(jù)內(nèi)所包含的噪聲。圖像處理工具箱還可以重構(gòu)圖像，離散余弦變換。還有一些數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)函數(shù)，這些形態(tài)學(xué)函數(shù)則可用于處理灰度圖像和二值圖像，可以快速實現(xiàn)邊緣檢測、圖像去噪、骨架提取好惡力度測定等算法。此外還可以用圖像處理工具箱對圖像進行裁剪和圖像的尺寸變換等操作。

1.3 圖像分類

1）灰度圖像。一個灰度圖像對應(yīng)在在Matlab中就是一個數(shù)據(jù)矩陣，這些矩陣的每個元素和電腦中需要處理的圖像像素一一對應(yīng)，元素值（像素值）代表像素的亮度或者灰度級。

2）二值圖像。同樣的一個二值圖像，它的數(shù)據(jù)矩陣中像素元素值有且只有“0”和“1”兩個邏輯數(shù)，其中“0”代表黑色，“1”代表白色，所以二值圖像只代表黑白兩種顏色。

3）索引圖像。一幅索引圖像包含一個圖像數(shù)據(jù)矩陣和一個預(yù)先定義的色圖（Colormap）矩陣。色圖矩陣是一個m×3的double型數(shù)組，矩陣的元素值介于[01]之間。色圖矩陣的每一行代表一種彩色，色圖矩陣的列數(shù)m代表顏色的種類。索引圖像的各種顏色都是提前在電腦中設(shè)計好的，但是這些顏色在電腦是有限存在的，每種顏色都是固定的，索引顏色的圖像最多只能顯示256種顏色。當(dāng)用Matlab接受這些索引圖像文件時，必須同時讀入其數(shù)據(jù)矩陣和色圖矩陣，即繪圖用的顏色表。

4）RGB圖像。RGB圖像在Matlab中分別用紅、綠、藍三個顏色亮度值為一組，通過對紅（R）、綠（G）、藍（B）三個顏色通道的變化以及它們相互之間的疊加來得到各式各樣的其他顏色。RGB圖像的作用是對一組圖像進行顏色的調(diào)整與修改，與索引圖像不同的是，這些代表顏色的數(shù)值在Matlab圖像數(shù)據(jù)組中儲存著，而不是存放在那些有各種各樣的顏色的圖片中。圖像數(shù)組表示該圖像像素的行列數(shù)，分別用M*N*3，M，N表示圖像數(shù)組。

2 Matlab在圖像后處理技術(shù)上的應(yīng)用

Matlab在圖像后處理過程中應(yīng)用十分廣泛，一些精確圖片的修剪、美化過程基本上都需要Matlab才能夠順利完成。Matlab在圖像后處理技術(shù)的第一步就是彩色圖像的灰度化。在RGB模型中，如果R=G=B，則它代表著彩色圖像的灰度化，其中R=G=B的值就是灰度值。Matlab軟件中既有顏色信息也有亮點信息，灰度圖像的形成是因為電腦中錄入圖像時只接受亮度而沒有顏色信息?；叶戎档娜≈捣秶煌瑫r就代表著亮度的不同，因此灰度值也可稱作亮度值。當(dāng)灰度值在電腦軟件中顯示為0時，圖片就是黑色，灰度值在電腦軟件中顯示為1時，對應(yīng)圖片為白色?；叶戎档臄?shù)據(jù)能夠直接地反映了該圖片的后處理效果和視覺反應(yīng)。

2.1 Matlab在圖像增強中的應(yīng)用

在圖像處理過程中遇到的問題很多，例如亮度不足造成圖像灰度偏低，圖像傳感器在線路傳送過程中產(chǎn)生噪聲污染等等。受到這些因素的影響，使得圖像質(zhì)量降低，輕者圖像清晰度不夠、細節(jié)地方處置不當(dāng)，重則造成圖像模糊不清。要想解決這些問題就必須使用Matlab圖像后處理技術(shù)在對圖像進行增強處理。

1）Matlab對直方圖的操作

Matlab直方圖是對圖像中通個灰度值的統(tǒng)計特性與灰度值的函數(shù)，Matlab直方圖能明確地表示圖像中各個灰度級出現(xiàn)的概率和頻率，通常被運用于圖像分割、圖像灰度變換等處理過程中。灰度直方圖均衡化就是對直方圖操作的重要技術(shù)，均勻量化的自然圖像的灰度直方圖在低灰度區(qū)間的出現(xiàn)頻率較大，結(jié)果就是電腦中比較暗的圖片細節(jié)根本無法看清。為了解決這一問題，才用灰度直方圖均勻化可是圖像中灰度低區(qū)間分散開或者是灰度均勻化，使得各個細節(jié)區(qū)域都能用肉眼分辨。

2）平滑與銳化濾波

上文中提到，圖像在處理后會在線路傳送過程產(chǎn)生噪聲污染，Matlab圖像后處理中的平滑技術(shù)剛好能消除圖像中的噪聲，處理方法是在頻率上使用低通濾波。在圖片后處理的過程中，會出現(xiàn)有些圖像中灰度值不穩(wěn)定，處于不斷跳躍變化的狀態(tài)，這就造成了圖像后處理過程遇到了問題，一般把噪聲的起點定義為與臨界圖像灰度相差很明顯的地方。這種噪聲同時也是一直高頻率的物理量。低通濾波的作用就是削弱圖像中這些高頻率成分，從而達到平滑圖像信號的效果，進而能夠消除噪音的。但是平滑技術(shù)也會帶來另外一個負面影響，低通濾波在消除噪音的過程中會對圖片的后處理產(chǎn)生干擾，也就是使圖片的邊界地點變得模糊不清。而銳化技術(shù)剛好可以解決這一缺陷，銳化技術(shù)采用的是頻率上的高通濾波，因為高頻率成分能夠減少圖像中的模糊，這就是所謂的銳化作用。所以，平滑與銳化技術(shù)的共同作用，使得在MATLAB圖像后處理過程中既能消除噪聲污染，又能減少圖像中的模糊，達到了對圖像增強處理的效果。

3）灰度變換法

一般的圖像在Matlab圖像后處理過程都會遇到整個圖像偏亮或偏暗的問題，處理這一問題的關(guān)鍵是擴大圖像的灰度值范圍，使其變得亮度合理自然，這一操作的主要是對圖片的灰度等級進行標(biāo)度變換。采用灰度變換法能有效解決這類問題，灰度變換發(fā)可用imadjust（）函數(shù)實現(xiàn)，在Matlab程序中讀入imadjust（）函數(shù)，即可解決。

2.2 MATLAB的邊緣檢測功能

在Matlab后處理過程中，如果某個圖片落在Matlab軟件操作屏幕的邊界上時，那么在它相鄰的區(qū)域就會出現(xiàn)一個灰度級變化的區(qū)域帶。通過對個灰度點的灰度值進行計算和分析，可以判斷該點是否為邊緣點。這一方法有效避免了在邊緣檢測的數(shù)學(xué)計算過程中噪聲的干擾，甚至導(dǎo)致?lián)p壞屏幕邊緣的原圖像。這種邊緣檢測的方法也叫做閾值分割處理，圖像分割技術(shù)就是將圖像中有意義的東西和它的背景分離開，然后再用區(qū)域描述將分離的對象進行數(shù)值表達，使計算機能夠準確的進行下一步操作，這種處理的作用就是既能增強了圖像的目標(biāo)與背景的對比，增強了邊緣的顯示程度，又能準確提取細胞區(qū)域。

2.3 圖像變換功能

圖像變換功能是Matlab在圖像后處理過程中的必不可卻的一部分，在圖像壓縮、濾波、編碼和后續(xù)的特征抽取或數(shù)據(jù)分析處理過程中發(fā)揮著極其重要的作用，它提供了圖像后處理常用的一些函數(shù)數(shù)據(jù)，為Matlab圖像后處理技術(shù)提供了方便。Matlab在圖像變換上基本都是圖像的幾何變換，圖像的幾何變換分為5種類型：

1） 平移和剪裁，使用translate函數(shù)和movesult對圖像進行平移，通過改變程序中的參數(shù)可以控制平移的方式。

2）圖像的扭曲變換，扭曲變換可用Maketform函數(shù)進行，利用給定的參量建立變換結(jié)構(gòu)，根據(jù)得到的結(jié)構(gòu)體變量T，調(diào)用imtransform函數(shù)進行變換。

3）鏡像變換，鏡像變換是對一些水平、垂直等位置關(guān)系的圖像進行幾何變換，利用雙精度取點就可實現(xiàn)這一操作。

4） 縮放與旋轉(zhuǎn)變換，就是通過電腦Matlab函數(shù)對圖像進行縮小、放大以及旋轉(zhuǎn)三種幾何變換。

5）錯切和二維投影

3 Matlab圖像后處理技術(shù)在教學(xué)過程中的實踐

“數(shù)字圖像處理”作為電信類專業(yè)的核心專業(yè)課，其目標(biāo)是使學(xué)生掌握數(shù)字圖像處理的理論、方法 和技巧，以便解決相關(guān)領(lǐng)域的實際問題。由于該門課程理論與實踐、原理和應(yīng)用結(jié)合緊密，故“重理 論、輕實踐”的傳統(tǒng)教學(xué)方法很難滿足實際應(yīng)用的 需求。因此，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升理論認知 水平，實現(xiàn)課程理論講解與實踐操作的有機結(jié)合，在 教學(xué)過程中可采用以 Matlab 軟件為載體的多重輔 助教學(xué)手段。通過編程、建模和仿真分析等方式，使 學(xué)生深刻理解基本原理的內(nèi)涵，同時也提高了學(xué)生動手實踐和分析與解決問題的能力，實際授課中取到了較好的教學(xué)效果。

1）圖像處理的基本運算

在教會學(xué)生基本的圖像文件格式讀寫和顯示后，就要讓他們進一步掌握圖像處理的基本運算。Matlab圖像處理技術(shù)提供了圖像的和、差等線性運算，也提供了一維和二維離散傅立葉變換、離散余弦變換等等。

2）圖像的分析和增強

圖像的分析和增強是Matlab在圖像處理技術(shù)上最全面也是最關(guān)鍵的一個步驟，在Matlab圖像的統(tǒng)計計算上，該軟件可以給學(xué)生提供改善圖片的關(guān)鍵技術(shù)，例如校正、直方圖均衡、調(diào)整對比度等等，這些技術(shù)是Matlab中最難的一部分，這一部分需要老師著重講解和介紹，才能使學(xué)生運用自如。

3）Matlab提供了非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)函數(shù)，例如腐蝕、膨脹算子以及在此基礎(chǔ)上的開、閉算子等等，這些算子不僅有助于圖像的處理，還對學(xué)生的C語言水平有著極大的提高。

結(jié)語：實踐證明，MATLAB軟件功能強大。Matlab對于圖像處理有很大的優(yōu)勢，在圖像處理中應(yīng)用Matlab會大大節(jié)約實驗事件并有很好的效果。Matlab圖像后處理技術(shù)幾乎包括所有經(jīng)典的圖像處理方法，它能有效應(yīng)對各種劣質(zhì)或者損壞圖像，在圖像精確處理方面發(fā)揮著不可替代的作用。Matlab功能十分強大，界面簡潔，易學(xué)易用，不僅僅能夠為圖片后處理提供強大的支持，還可與C語言等計算機程序結(jié)合使用，為工程性操作提供了更多便利條件。因此，在圖像處理技術(shù)中使用MATLAB語言可以快速實現(xiàn)對圖片的精準處理和操作，提高了對圖片處理的技術(shù)和質(zhì)量。

參考文獻：

[1] 楊燁，車立娟. Matlab在醫(yī)學(xué)圖像后處理中的應(yīng)用[J]. 上海中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報，2009（2）：40-42.

[2] 曾繁如，何政偉，李喆. MATLAB軟件與ALOS遙感影像在震害建筑物自動識別中的應(yīng)用——以都江堰市區(qū)為例[J]. 西北地震學(xué)報，2009（4）：327-332.

[3] 自動化技術(shù)、計算機技術(shù)[J]. 中國無線電電子學(xué)文摘，2006（1）：157-218.