基于MATLAB的數(shù)字圖像處理技術(shù)及應(yīng)用

曹妥恰 沈盛

摘 要：近幾年，隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字圖像處理技術(shù)也得到了很大的重視和發(fā)展，并從實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)領(lǐng)域走向了人們的工作和生活等辦公室和商業(yè)領(lǐng)域。本文重點(diǎn)研究以MATLAB為基礎(chǔ)的數(shù)字圖像處理技術(shù)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：MATLAB 數(shù)字圖像處理技術(shù)；應(yīng)用

1 前言

MATLAB是美國(guó)mathworks公司研發(fā)出的計(jì)算機(jī)軟件語言，經(jīng)過不斷的改進(jìn)和完善，在目前已成為最優(yōu)秀的數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用軟件之一，在國(guó)際上運(yùn)用廣泛。作為一種可視化的計(jì)算機(jī)科學(xué)軟件，MATLAB在矩陣運(yùn)算、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)處理和圖形顯示上都有著很強(qiáng)大的功能，由上述功能構(gòu)成的應(yīng)用方便、界面友好的良好環(huán)境吸引了大批用戶，同時(shí)其還具有可擴(kuò)展性特征。Mathworks公司在研發(fā)該計(jì)算機(jī)軟件時(shí)針對(duì)不同領(lǐng)域設(shè)計(jì)了包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)、圖像和信號(hào)處理、非線性系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、通信等具有特殊專業(yè)功能的工具箱，該工具箱基礎(chǔ)程序由業(yè)內(nèi)水平較高的專家編寫而成，用戶可以直接使用。此外，該計(jì)算機(jī)軟件的程序源為開放性，用戶購(gòu)買后可以查看文件代碼并進(jìn)行更改，MATLAB同時(shí)支持用戶自己研發(fā)運(yùn)用函數(shù)并將其添加到MATLAB的工具箱中。通過矩陣形式表現(xiàn)的MATLAB數(shù)字圖像處理技術(shù)具有很強(qiáng)大的矩陣計(jì)算和處理功能，其語法也同樣適用于該軟件的數(shù)字圖像處理。本文通過對(duì)MATLAB的數(shù)字圖像處理技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行探索，證實(shí)其強(qiáng)大的軟件功能、簡(jiǎn)單易學(xué)的語言、友好的人祭界面以及豐富的技術(shù)支持是其成為國(guó)際上公認(rèn)的最為優(yōu)秀的軟件之一的重要條件。

2 MATLAB數(shù)字圖像處理的方法介紹

MATLAB數(shù)字圖像處理技術(shù)在推出之初時(shí)就受到了各個(gè)領(lǐng)域?qū)＜业膹?qiáng)烈關(guān)注，其功能的強(qiáng)大使得其在各個(gè)方面的應(yīng)用都游刃有余。因此各個(gè)領(lǐng)域的專家在利用MATLAB技術(shù)時(shí)研發(fā)出了工具箱，其功能具有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)、圖像和信號(hào)處理、非線性系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、通信等特殊功能。通過具有特殊功能的工具箱便于研究人員更加深層次的觀察、分析和計(jì)算其工作，由此節(jié)省計(jì)算時(shí)間。

在當(dāng)前計(jì)算機(jī)高速發(fā)展的階段下，圖像可作為人類獲得和交換信息的重要形式，通過計(jì)算機(jī)等數(shù)字硬件將圖像信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在計(jì)算機(jī)等數(shù)字硬件下進(jìn)行處理或計(jì)算，由此可以提高圖像的質(zhì)量和水平。在現(xiàn)代人的工作和生活中，圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域并呈現(xiàn)逐步擴(kuò)大的趨勢(shì)。最新的版本為MATLAB 6.X，該版本提供了二十多類圖像處理函數(shù)，包括前期研究的技術(shù)方法等成果。這些圖像處理函數(shù)有圖像運(yùn)算、像素值和統(tǒng)計(jì)、圖像變換、幾何變換、線性濾波、色彩空間轉(zhuǎn)換和結(jié)構(gòu)元素創(chuàng)建等功能。

總體來說，MATLAB的圖像處功能類型主要有以下4種類型：（1）不同圖像類型轉(zhuǎn)換功能；（2）圖像變換功能；（3）圖像信息增強(qiáng)功能；（4）分界線檢查和分割圖像功能。

2.1 不同圖像類型轉(zhuǎn)換功能

MATLAB工具箱可以支持如灰度圖像、二進(jìn)制圖像、索引圖像以及RGB等多種圖像類型。但不同圖像由于表現(xiàn)方式的差異在圖像類型上差異較大，為了方便對(duì)圖像的處理需要將圖像類型轉(zhuǎn)化成統(tǒng)一的格式。MATLAB的圖像處理工具箱中的轉(zhuǎn)換函數(shù)可以將兩種不同的圖像類型轉(zhuǎn)化成同一格式，可以將彩色圖像進(jìn)行灰化處理后轉(zhuǎn)換成灰度圖像，或?qū)⒒叶葓D像、二值圖像等轉(zhuǎn)換成索引圖像。部分圖像類型在轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)遇到數(shù)據(jù)類型不匹配的問題，因此MATLAB的圖像處理工具箱中提供了各種類型之間相互轉(zhuǎn)換的函數(shù)，如double就是把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雙精度類型的函數(shù)。

2.2 圖像變換功能

圖像的變換技術(shù)同樣在數(shù)字圖像處理技術(shù)中應(yīng)用廣泛。圖像的變換功能主要是更改圖像的表示數(shù)據(jù)或者表示域，由此在圖像表現(xiàn)方式不對(duì)等的情況下將其統(tǒng)一起來，由此處理過程會(huì)更加方便。一般運(yùn)用圖像灰化、編碼、壓縮等抽取圖像信息并進(jìn)行分析。如傅里葉變換（Fourier Transform）在頻域中進(jìn)行圖像的處理和分析，由此使得圖像的運(yùn)算和分析更加簡(jiǎn)單便捷。離散余弦變換則在集中利用少數(shù)數(shù)據(jù)情況下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮，由此利用圖像的存儲(chǔ)和傳輸。

2.3 圖像信息增強(qiáng)功能

圖像增強(qiáng)的功能是凸顯圖像中重要的信息，并削弱圖像中不重要信息的表現(xiàn)。在不考慮圖像像素降低的情況下，可以減弱不需要的圖像信息。對(duì)圖像進(jìn)行信息增強(qiáng)的方式主要有兩種：頻率域法和空間域法。頻率域法主要是修正圖像的變換系數(shù)值，這需要將其放在特定的頻率域中進(jìn)行，此種方法處理下的吐下那個(gè)可以選擇增強(qiáng)或減弱部分圖像信息。空間域則是指在一定的空間域內(nèi)直接處理圖像的灰度系數(shù)。兩種方法的直接區(qū)別在于空間域?qū)儆谥苯釉鰪?qiáng)的方法，屬于直接增強(qiáng)的圖像處理方式有直方圖修正等。而頻率域則屬于間接的圖像增強(qiáng)。

2.4 分界線檢查和分割圖像功能

邊緣檢測(cè)屬于重要區(qū)域處理方法，主要是提取背景和物體的交界線以將其分離開來。這一方法的實(shí)現(xiàn)是通過背景和目標(biāo)在圖像特質(zhì)上的差異來實(shí)現(xiàn)，這些圖像特質(zhì)差異包括顏色、質(zhì)地、灰度系數(shù)等。[3]簡(jiǎn)單來說，通過檢測(cè)圖像目標(biāo)和背景的圖像特質(zhì)發(fā)生變化的位置。

3 基于MATLAB圖像處理技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

本文主要介紹的MATLAB的圖像處理技術(shù)應(yīng)用為灰度直方圖均衡化。一般情況下自然圖像較為平衡均勻的灰度直方圖其頻率所處的區(qū)間灰度較低，由此導(dǎo)致圖像中的亮度較暗的區(qū)域細(xì)節(jié)表現(xiàn)不清楚。這一點(diǎn)可以通過直方圖的修正將原圖中灰度頻率較為集中的區(qū)域分布均勻，由此造成的反差可以清楚的表現(xiàn)圖像的細(xì)節(jié)，由此達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。其操作方法如下：首先將真彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，這是直方圖均衡化的第一步驟，以下所有的圖像處理均需通過灰度化處理后的圖像進(jìn)行。在對(duì)灰度圖進(jìn)行直方圖的均衡化的處理過程中，利用工具箱的圖像增強(qiáng)函數(shù)進(jìn)行灰度調(diào)整，將灰度化的圖像中需要變換的灰度范圍拉開，將亮度集中于圖中需要表現(xiàn)的信息，并將不重要的信息變暗。將進(jìn)行灰度直方圖均衡化處理后的圖像和原圖進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)前圖像更加清晰，其形狀相比于原直方圖更能反映出其想要表達(dá)的效果?；叶染饣蟮膱D像的灰度范圍變大，與原圖的反差較大。最后一個(gè)步驟是將灰度圖像進(jìn)行平滑和銳化處理，MATLAB的圖像工具箱中有平滑和銳化處理的函數(shù)，用戶也可以根據(jù)自身需要對(duì)工具性添加濾波算子[4]。

4 總結(jié)

圖像處理實(shí)例主要是通過對(duì)MATLAB圖像工具箱功能的部分應(yīng)用，通過在處理圖像時(shí)對(duì)圖像進(jìn)行分離、統(tǒng)一化和二元化的處理將圖像在計(jì)算機(jī)中轉(zhuǎn)化成的字符特征提取出來，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器識(shí)別后利用MATLAB工具箱中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能對(duì)分類后的字符進(jìn)行模擬。這一功能具有語言簡(jiǎn)潔、便于閱讀、功能強(qiáng)大且涉及領(lǐng)域廣泛等功能。MATLAB的工具箱中幾乎包含了所有的圖像處理技術(shù)。工具箱在應(yīng)用廣泛的同時(shí)又具有開放性和高度的安全性等特征，因此我們?cè)谥苯邮褂霉ぞ呦涞耐瑫r(shí)，還可以將自己研究出的代碼加入到工具箱中提升其函數(shù)功能。此外，MATLAB中所具有的小波工具箱的轉(zhuǎn)換函數(shù)可以對(duì)圖像進(jìn)行處理。由此可見，MATLAB作為計(jì)算機(jī)軟件在處理數(shù)字圖像時(shí)具有快速實(shí)現(xiàn)模擬仿真、提高實(shí)驗(yàn)效率等優(yōu)點(diǎn)。在開發(fā)使用程序時(shí)，MATLAB可以利用MEX動(dòng)態(tài)連接C語言實(shí)現(xiàn)研發(fā)混合編程，在工程應(yīng)用上具有更加便利的條件。

本文介紹MATLAB圖像處理的使用方式在生活中的圖像處理中具有很大的作用，以拉試卷計(jì)算法和灰度處理作為處理方法，利用VC2008作為處理平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上研發(fā)出的圖像處理軟件會(huì)更加使用和便捷。以MATLAB為基礎(chǔ)的圖像處理技術(shù)通過計(jì)算機(jī)將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，方便于人們?cè)诠ぷ骱蜕钪袑?duì)在計(jì)算機(jī)上對(duì)圖像進(jìn)行可視化的利用，其應(yīng)用十分廣泛，前景巨大。

參考文獻(xiàn)

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[3]閻夢(mèng)晴，于司杭，王培亮，等.MATLAB數(shù)字圖像處理在根系固土中的應(yīng)用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，（31）：11039-11042，11061.

[4]江麗.基于MATLAB的數(shù)字圖像處理技術(shù)在等離子體顯示器中的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù)，2015，（6）：3-4.

（作者單位：合肥工業(yè)大學(xué)宣城校區(qū)）