灰度图象增强研究与设计

结课设计（论文）灰度图象增强研究与设计数字图像处理电子信息工程专业0706082班级姓名学号指导教师职称讲师

摘要数字图像处理是一种通过计算机采用一定的算法对图形图像进行处理的技术。数字图像处理技术已经在各个领域上都有了比较广泛的应用。图像处理的信息量很大，对处理速度的要求也比较高。Matlab强大的运算和图形展示功能，使图像处理变得更加的简单和直观。本文基于MATLAB的数字图像处理环境，设计并实现了一个图像处理系统，展示如何通过利用Matlab的工具函数和多种算法实现对图形图像的各种处理。论述了利用设计的系统实现图像文件（bmp、jpg、tiff、gif等）进行打开、保存、另存、打印、退出等功能操作，图像预处理功能（包括彩色图像的灰度化变换等、一般灰度图像的二值化处理、色彩增强等），图像分割，图像特征提取等图像处理。关键词Matlab；数字图像处理；灰度化变换；二值化；色彩增强1.MATLAB简介美国Mathwork公司于1967年推出了“MatrixLaboratory”（缩写为Matlab）软件包，并不断更新和扩充。目前最新的7.x版本（windows环境）是一种功能强、效率高便于进行科学和工程计算的交互式软件包。其中包括：一般数值分析、矩阵运算、数字信号处理、建模和系统控制和优化等应用程序，并集应用程序和图形于一便于使用的集成环境中。在此环境下所解问题的Matlab语言表述形式和其数学表达形式相同，不需要按传统的方法编程。不过，Matlab作为一种新的计算机语言，要想运用自如，充分发挥它的威力，也需先系统地学习它。但由于使用Matlab编程运算与人进行科学计算的思路和表达方式完全一致，所以不象学习其它高级语言--如Basic、Fortran和C等那样难于掌握。实践证明，你可在几十分钟的时间内学会Matlab的基础知识，在短短几个小时的使用中就能初步掌握它.从而使你能够进行高效率和富有创造性的计算。Matlab大大降低了对使用者的数学基础和计算机语言知识的要求，而且编程效率和计算效率极高，还可在计算机上直接输出结果和精美的图形拷贝，所以它的确为一高效的科研助手。2.系统总体分析本系统实现了对图像（bmp、jpg、tiff、gif等）的进行打开、保存、另存、打印、退出等功能操作、图像预处理操作、图像的几何变换和特征提取等操作，整个界面如图所示：图1.系统界面2.1图像处理基本操作本部分功能能对图像（bmp、jpg、tiff、gif等）进行打开、保存、另存、打印、退出等功能操作。这几个基本功能都可以由MATLAB本身带有的函数完成。利用imread函数从图形文件中读出图像，用imshow函数显示图像，saveas(newFig,[pathname,filename])用来另存图像到另一个位置，用print函数打印图像，用close函数退出。2.2图像预处理功能图像的预处理功能包括：第一.彩色图像的灰度化变换、灰度图像的二值化处理；灰度图是含只含亮度信息，不包含色彩信息的图像。灰度化处理是把含有亮度和色彩的彩色图像变换成灰度图像的过程。灰度变换就是指对图像上各个像素点的灰度值x按某个函数T（）变换到y。例如为了提高图像的清晰度，需要将图像的灰度级整个范围或其中某一段（A，B）扩展或压缩到（A，B）；需要显示出图像的细节部分等都要求采用灰度变换方法。灰度变换有时又被称为图像的对比度增强或对比度拉伸。假定输入图像中的一个像素的灰度级为Z，经过T(Z)函数变换后输出图像对应的灰度级为Z，其中要求Z和Z都要在图像的灰度范围之内。根据T()形式，可以将灰度变换分为线性变换和非线性变换。具体应用中采用何种T()，需要根据变换的要求而定。在这里，本系统利用了MATLAB的一个函数rgb2grey进行初步的灰度化转换。打开名为1.jpg的图像，点击图像灰度化按钮，效果如下：图2.原图1.jpg与转换的灰度图图象二值化是指根据给定阈值T，将整幅图象中大于或等于T的象素点灰度值赋为1，小于T的象素点灰度值赋为0，从而得到仅有0和1两个灰度值的黑白图象。灰度图象二值化的数学形式如下：通过对多层次的灰度图象进行二值化处理，有助于分析理解和识别图象并减少计算量，特别是在边缘检测和提取中，二值化图象能有效地将背景和目标区分开来，通过搜索产生0和1间的跃变位置，可以快速准确的提取目标区域边界象素点。其大概过程是这样，首先在进行图像的处理之前先获得该对象的句柄，初始化对象，将其转换为灰度图，然后利用函数im2bw将灰度图转换为二值图。本系统设计了一个按钮，使用时可以根据需要设定阈值的大小，从而进行不同程度的二值化处理。其效果如下：图3.图像二值化T=0.28图4.图像二值化T=0.5第二.直方图的统计及绘制，根据此找到图像的阈值点；图像直方图是图像处理中一种十分重要的图像分析工具，它描述了一幅图像的灰度级内容，任何一幅图像的直方图都包含了丰富的信息，它主要用在图象分割，图像灰度变换等处理过程中。从数学上来说图像直方图是图像各灰度值统计特性与图像灰度值的函数，它统计一幅图像中各个灰度级出现的次数或概率；从图形上来说，它是一个二维图，横坐标表示图像中各个像素点的灰度级，纵坐标为各个灰度级上图像各个像素点出现的次数或概率。在本系统中，先用rgb2gray这个函数实现把真彩图转换为灰度图，再用imhist函数用于显示灰度图像的N级直方图，灰度图默认N为256（对二值图默认为2）。再对直方图上的灰度级进行统计。打开名为1.jpg的图像，绘制直方图效果如下：图5.直方图图6.统计直方图图5为1.jpg的原始图像对应的直方图，从图5可以看出，1.jpg图像的灰度主要分布在中高灰度级上，在低灰度级上图像的像素数几乎为零。图6是统计直方图。那么，这个时候找该图的阈值点就是找直方图的波谷了第三.数字图像的增强处理功能；影响系统图像清晰程度的因素很多，例如室外光照度不够均匀就会造成图像灰度过于集中；由CCD（摄像头）获得的图像经过A/D（数/模转换，该功能在图像系统中由数字采集卡来实现）转换、线路传送都会产生噪声污染等等。因此图像质量不可避免的降低了，轻者表现为图像不干净，难于看清细节；重者表现为图像模糊不清，连概貌也看不出来。因此，在对图像进行分析之前，必须要对图像质量进行改善，一般情况下改善的方法有两类：图像增强和图像复原。本系统只考虑图像增强功能。图像增强不考虑图像质量下降的原因，只将图像中感兴趣的特征有选择的突出，而衰减不需要的特征，它的目的主要是提高图像的可懂度。本系统完成了直方图均值化、中值滤波、图像锐化、伪彩色增强四种图像处理的功能。直方图均衡化是灰度变换的一个重要应用，广泛应用在图像增强处理中，它是以累计分布函数变换为基础的直方图修正法，可以产生一幅灰度级分布具有均匀概率密度的图像，扩展了像素的取值动态范围。若像素点的原灰度为R，变换后的灰度为S，需要注意的是R、S是归一化后的灰度值，其灰度变换函数T()为：S=T

(R)；k=0,1…,；式中，是第j级灰度值的概率，是图像中j级灰度的像素总数，是图像中灰度级的总数目，是图象中像素的总数。对变换后的S值取最靠近的一个灰度级的值，建立灰度级变换表，将原图像变换为直方图均衡的图像。在MATLAB中，先将图像灰度化，再得到图像的句柄，用函数histeq用柱状图均等化增强对比，再画出此时图像数据的直方图。以下是功能实现的效果图：图7.原始灰度图图8.经过直方图均衡化处理的图像图9.直方图均衡化从上述效果图可以看出，经过直方图均衡化处理后，灰度图像变的清晰了，从直方图来看，与图7相比，处理后的图像直方图分布更均匀了，在每个灰度级上图像都有像素点。但是直方图均衡化存在着两个缺点：一是变换后图像的灰度级减少，某些细节消失；二是某些图像，如直方图有高峰，经处理后对比度不自然的过分增强。一般来说，图像的能量主要集中在其低频部分，噪声所在的频段主要在高频段，同时系统中所要提取的汽车边缘信息也主要集中在其高频部分，因此，如何去掉高频干扰又同时保持边缘信息，是我们研究的内容。为了去除噪声，有必要对图像进行平滑，可以采用低通滤波的方法去除高频干扰。图像平滑包括空域法和频域法两大类，在空域法中，图像平滑的常用方法是采用均值滤波或中值滤波，对于均值滤波，它是用一个有奇数点的滑动窗口在图像上滑动，将窗口中心点对应的图像像素点的灰度值用窗口内的各个点的灰度值的平均值代替，如果滑动窗口规定了在取均值过程中窗口各个像素点所占的权重，也就是各个像素点的系数，这时候就称为加权均值滤波；对于中值滤波，对应的像素点的灰度值用窗口内的中间值代替。中值滤波器属于非线性空间滤波器，用于除去图像中的椒盐噪声。本系统先将灰度图用imnoise函数加椒盐噪声，采用5*5的窗口进行滤波。其效果图如下：图10.中值滤波后的灰度图由上图可以看到中值滤波去除了一定的噪声，但同时使图像中的边缘变的模糊。锐化滤波能减弱或消除图像中的低频率分量，但不影响高频率分量。因为低频分量对应图像中灰度值缓慢变化的区域，因而与图像的整体特性，如整体对比度和平均灰度值等有关。锐化滤波将这些分量滤去可使图像反差增加，边缘明显。系统用fspecial函数创建类型“unsharp”预定义过滤器，再利用imfilter函数进行处理，其效果如下：图11.图像锐化后的效果由上可以看到图像的边缘和轮廓线变得清晰。伪彩色增强是将一个波段或单一的黑白图像变换为彩色图像，从而把人眼不能区分的微小的灰度差别显示为明显的色彩差异，更便于解译和提取有用信息。系统对灰度化之后的图像用grayslice函数实现伪彩色增强。grayslice函数用阈值的方法把灰度图转换为索引图。其效果如图：图12.伪彩色增强后的图像效果我们可以看到经过处理的图像色彩差异很明显了。第四.图像的各种几何矫正变换；本系统实现了镜像变换和图像的旋转功能。图像的镜像变换分为两种：一种是水平镜像,另一种是垂直镜像。图像的垂直镜像操作是以原图像的水平中轴线为中心，将图像分为上下两部分进行对称变换。图像的水平镜像操作是以原图像的垂直中轴线为中心，将图像分为左右两部分进行对称变换；镜像变换后图的高和宽都不变。设图像高度为Height，宽度为Width，原图中的(x0,y0)经过水平镜像后，坐标将变成（Width-x0,y0）。即：x1=Width-x0;y1=y0。点（x0,y0）经过垂直镜像后，坐标将变成为（x0,Height-y0），即：x1=x0;y1=Height-y0。系统实现效果如下：图13.垂直镜像变换图14.水平镜像变换图15.图像的旋转2.3图像分割处理图像分割是将图像划分成若干个互不相交的小区域的过程，小区域是某种意义下具有共同属性的像素的连通集合。如不同目标物体所占的图像区域、前景所占的图像区域等。系统首先对图像进行灰度化处理，再实现了图像分割的膨胀、腐蚀、开运算、闭运算的功能操作，其效果图如下：图16.膨胀图17.腐蚀图18.开运算图19.闭运算2.4图像的特征提取图像的特征是指图像中可用作标志的属性，图像特征分为：视觉特征和统计特征。视觉特征是指人的视觉直接感受到的自然特征（例如区域的颜色、亮度、纹理、轮廓等），统计特征是指需要通过变换或测量才能得到的人为特征（例如各种变换的谱、直方图、各阶距等）。系统完成了对图像的单元统计和统计特征区域的面积，用edge函数识别强度图像中的边界，统计图像的个数；用regionprops计算特征区域的面积。其效果如图：图20.单元统计图21.图像的面积以上是在MATLAB命令行窗口出现两个图形的计算面积。总结本文基于MATLAB的数字图像处理环境，设计并实现了一个图像处理系统，展示如何通过利用Matlab的工具函数和多种算法实现对图形图像的各种处理。论述了利用设计的系统实现图像文件（bmp、jpg、tiff、gif等）进行打开、保存、另存、打印、退出等功能操作，图像预处理功能（包括彩色图像的灰度化变换等、一般灰度图像的二值化处理、色彩增强等），图像分割，图像特征提取等图像处理。由于知识有限，时间紧迫，对于图像处理也是初次接触，找了很多资料，仍然觉得力不从心。因此只实现了几种简单的功能。在以后的学习过程中，会继续深入下去。感谢陈老师的悉心教导，同时感谢同学的大力帮忙。

论大学生写作能力写作能力是对自己所积累的信息进行选择、提取、加工、改造并将之形成为书面文字的能力。积累是写作的基础，积累越厚实，写作就越有基础，文章就能根深叶茂开奇葩。没有积累，胸无点墨，怎么也不会写出作文来的。写作能力是每个大学生必须具备的能力。从目前高校整体情况上看，大学生的写作能力较为欠缺。一、大学生应用文写作能力的定义那么，大学生的写作能力究竟是指什么呢？叶圣陶先生曾经说过，“大学毕业生不一定能写小说诗歌，但是一定要写工作和生活中实用的文章，而且非写得既通顺又扎实不可。”对于大学生的写作能力应包含什么，可能有多种理解，但从叶圣陶先生的谈话中，我认为：大学生写作能力应包括应用写作能力和文学写作能力，而前者是必须的，后者是“不一定”要具备，能具备则更好。众所周知，对于大学生来说，是要写毕业论文的，我认为写作论文的能力可以包含在应用写作能力之中。大学生写作能力的体现，也往往是在撰写毕业论文中集中体现出来的。本科毕业论文无论是对于学生个人还是对于院系和学校来说，都是十分重要的。如何提高本科毕业论文的质量和水平，就成为教育行政部门和高校都很重视的一个重要课题。如何提高大学生的写作能力的问题必须得到社会的广泛关注，并且提出对策去实施解决。二、造成大学生应用文写作困境的原因：（一）大学写作课开设结构不合理。就目前中国多数高校的学科设置来看，除了中文专业会系统开设写作的系列课程外，其他专业的学生都只开设了普及性的《大学语文》课。学生写作能力的提高是一项艰巨复杂的任务，而我们的课程设置仅把这一任务交给了大学语文教师，可大学语文教师既要在有限课时时间内普及相关经典名著知识，又要适度提高学生的鉴赏能力，且要教会学生写作规律并提高写作能力，任务之重实难完成。（二）对实用写作的普遍性不重视。“大学语文”教育已经被严重地“边缘化”。目前对中国语文的态度淡漠，而是呈现出全民学英语的大好势头。中小学如此，大学更是如此。对我们的母语中国语文，在大学反而被漠视，没有相关的课程的设置，没有系统的学习实践训练。这其实是国人的一种偏见。应用写作有它自身的规律和方法。一个人学问很大，会写小说、诗歌、戏剧等，但如果不晓得应用文写作的特点和方法，他就写不好应用文。（三）部分大学生学习态度不端正。很多非中文专业的大学生对写作的学习和训练都只是集中在《大学语文》这一门课上，大部分学生只愿意被动地接受大学语文老师所讲授的文学经典故事，而对于需要学生动手动脑去写的作文，却是尽可能应付差事，这样势必不能让大学生的写作水平有所提高。（四）教师的实践性教学不强。学生写作能力的提高是一项艰巨复杂的任务，但在教学中有不少教师过多注重理论知识，实践性教学环节却往往被忽视。理论讲了一大堆，但是实践却几乎没有，训练也少得可怜。阅读与写作都需要很强的实践操作，学习理论固然必不可少，但是阅读方法和写作技巧的掌握才是最重要的。由于以上的原因，我们的大学生的写作水平着实令人堪忧，那么如何走出这一困境，笔者提出一些建议，希望能对大学生写作水平的提高有所帮助。三、提高大学生应用写作能力的对策（一）把《应用写作》课设置为大学生的必修课。在中国的每一所大学，《应用写作》应该成为大学生的必修课。因为在这个被某些人形容为实用主义、功利主义甚嚣尘上的时代，也是个人生存竞争最激烈的时代，人们比任何时代都更需要学会写作实用性的文章，比如职场竞争中的求职信，生活中的财经文书、法律文书等，以提高个人的生存竞争能力。（二）端正大学生的学习态度。首先，要让大学生充分认识到实用写作课的重要性，这门课关乎到他人生的每一个方面，诸如就职，求爱，理财，人际交往等，是他终生都需要使用的一些基础性的知识，也是他必备的一项生存技能。其次，实用写作有它自身的规律和方法。它不是你想怎样写都行的，它有严格的格式性的要求，所以需要系统的研究学习。最后，实用写作课的实践性非常强，所以