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图像增强算法设计与实现.pdf
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平顶山学院本科毕业设计
目 录
1 绪 论..................................................................................................................1
1.1 课题背景及意义.....................................................................................1
1.2 研究现状及课题主要内容.....................................................................2
1.3 本文的工作结构.....................................................................................3
2 图像增强的基本理论........................................................................................5
2.1 图像增强的定义.....................................................................................5
2.2 数字图像的基本概念.............................................................................5
2.2.1 数字图像的表示..........................................................................5
2.2.2 图像的灰度变换..........................................................................5
2.2.3 灰度直方图..................................................................................6
2.3 本章小结.................................................................................................6
3 图像增强的算法分析........................................................................................7
3.1 直方图均衡化.........................................................................................7
3.2 图像二值化.............................................................................................7
3.3 对比度增强.............................................................................................8
3.4 平滑滤波...............................................................................................10
3.5 锐化....................................................................................................... 11
3.6 彩色增强............................................................................................... 11
3.7 本章小结...............................................................................................13
4 图像增强的实现..............................................................................................14
4.1 Matlab 系统开发的目标 .......................................................................14
4.2 直方图均衡化图像增强效果的实现...................................................16
4.2.1 直方图修正技术的基础............................................................16
4.2.2 直方图的均衡化数学基础........................................................16
4.2.3 直方图均衡化的算法................................................................17
4.2.4 灰度级的选取............................................................................18
4.2.5 统计各灰度级像素....................................................................19
4.2.6 利用累积分布函数 T(r)求累计直方图 ....................................20
4.3 图像二值化图像增强效果的实现.......................................................21
4.4 对比度增强图像效果的实现...............................................................22
4.5 平滑滤波图像增强效果的实现...........................................................25
图像增强算法设计与实现
4.6 锐化图像增强效果的实现...................................................................28
4.7 彩色增强图像效果的实现...................................................................28
4.8 本章小结............................................................................................... 30
5 总结.................................................................................................................. 31
参考文献.............................................................................................................. 34
致 谢.................................................................................................................. 35
平顶山学院本科毕业设计
1 绪 论
随着计算机的技术不断发展与提高,其强大的功能已被人们深刻认识,它已
进入社会的各个领域并发挥着越来越重要的作用。目前,图像应用已遍布人们的
生活各个角落,图像增强算法就这样应运而生。本章从课题背景及意义,研究现
状及课题主要内容,本文的工作结构几个方面进行分析描述。
1.1 课题背景及意义
近几年来,计算机图像处理已经应用到几乎所有与成像有关的领域。它是利
用计算机对数字图像进行一系列操作,从而获得预期结果。而在对图像处理过程
中,则需要运用图像增强技术以改善图像的质量,增强对某一种信息的辨识能力,
以便更好的应用于现代社会的各个领域。而实际应用中则有太多情况都有可能导
致图像品质变差,使图像传递的信息无法被正常读取和识别。例如,在采集图像
过程中由于光照强度环境或物体表面反光等原因造成的图像整体光照不均等等。
因此研究有效地图像增强算法成为推动图像分析和图像理解应用领域发展的关
键内容之一。
根据人眼对颜色的心理感觉,设计在 HSI 颜色空间上基于小波分析的医学
彩色内窥镜图像增强方法。在增强亮度分量的同时,也可以对饱和度分量进行细
微调节。该方法可以抑制噪声,使细节得到增强,也可以使处理后的图像更加清
晰且色泽鲜明。同时基于 MATLAB 的开放式,可用其对有噪图像或退化图像进
行去噪或还原、增强图像以获得更高清晰度、提取特征、分析形状和纹理以及对
两个图像进行匹配。图像增强是图像处理的重要组成部分,传统的图像增强方法
对于改善图像质量发挥了极其重要的作用。随着图像技术研究的不断进步和深入
研究,新的图像增强方法不断涌现。随着交互式图像增强技术的广泛应用,人们
可以主观的控制图像增强效果,同时利用直方图均衡技术的图像增强也有了许多
新的进步:例如动态分层直方图均衡算法、多层直方图结合亮度保持的均衡算法
等等。这些算法通过进行图像分割,在子层图像内进行均衡处理,解决了直方图
均衡过程中出现的对比度过拉伸问题,并且可以控制子层灰度的映射范围。
图像直方图是图像处理的分析工具,它呈现了灰度级内容的图像,任何这种
图像的直方图包含了丰富的信息,它主要用于转换的图像灰度等级,图像分割过
1
图像增强算法设计与实现
程。从数学角度看,图像的直方图函数是每个图像与图像的灰度值的统计特性,
它是每个灰度级的图像出现的统计概率;而从图形上看,它的二维图中,通常横
坐标表示图像中各个像素点的灰度级,纵坐标则是各个灰度级上图像各个像素点
出现的概率。在实践中,图像可能不需要有整个直方图的均匀分布,而是希望有
目的地增强某个灰度级分布范围内的图像。
1.2 研究现状及课题主要内容
图像处理技术始于 20 世纪 60 年代,由于当时图像存储成本高,处理设备造
价高,因而其应用面很窄。1964 年美国加州理工学院的喷气推进实验室,首次
对徘徊者 7 号太空飞船发回的月球照片进行了处理,得到了前所未有的清晰图
像,这标志着图像处理技术开始得到实际应用。70 年代进入发展期,出现了 CT
和卫星遥感图像,对图像处理的发展起到了很好的促进作用。80 年代进入普及
期,此时微机已经能够承担起图形图像处理的任务。VLSI 的出现更使得处理速
度大大提高,其造价也进一步降低,极大的促进了图像处理系统的普及和应用。
90 年代是图像处理技术实用化时期,图像处理的信息量巨大,对处理的速度要
求极高
[1]
。21 世纪的图像处理技术要向高质量化方面发展,实现图像的实时处理,
采用数字全息技术使图像包含最为完整和丰富的信息,实现图像的智能生成、处
理、理解和识别。
在借鉴国外相对成熟理论体系和技术应用体系的条件下,加强国内技术和应
用有了较大的发展。总体来说,图像增强技术的发展大致经历了初创期、发展期、
普及期和应用期 4 个阶段。初创期开始于 20 世纪 60 年代,当时的图像采用像素
型光栅进行扫描显示,大多采用中、大型机对其进行处理。在这一时期由于图像
存储成本高,处理设备造价高,因而其应用面很窄。20 世纪 70 年代进入了发展
期,开始大量采用中、大型机进行处理,图像处理也逐渐改用光栅扫描显示方式,
特别是出现了 CT 和卫星遥感图像,对图像增强处理提出了一个更高的要求。到
了 20 世纪 80 年代,图像增强技术进入普及期,此时的计算机已经能够承担起图
形图像处理的任务。20 世纪 90 年代进入了应用期,人们运用数字图像增强技术
处理和分析遥感图像,以有效地进行资源和矿藏的勘探、调查、农业和城市的土
地规划、作物估产、气象预报、灾害及军事目标的监视等。在生物医学工程方面,
运用图像增强技术对 X 射线图像、超声图像和生物切片显微图像等进行处理,
提高图像的清晰度和分辨率。在工业和工程方面,主要应用于无损探伤、质量检
测和过程自动控制等方面。在公共安全方面,人像、指纹及其他痕迹的处理和识
2
平顶山学院本科毕业设计
别,以及交通监控、事故分析等都在不同程度上使用了图像增强技术。图像增强
是图像处理的重要组成部分,传统的图像增强方法对于改善图像质量发挥了极其
重要的作用。随着对图像技术研究的不断深入和发展,新的图像增强方法不断出
现。例如一些学者将模糊映射理论引入到图像增强算法中,提出了包括模糊松弛、
模糊熵、模糊类等增强算法来解决增强算法中映射函数选择问题,并且随着交互
式图像增强技术的应用,可以主观控制图像增强效果。同时利用直方图均衡技术
的图像增强也有许多新的进展:例如提出了多层直方图结合亮度保持的均衡算
法、动态分层直方图均衡算法。这些算法通过分割图像,然后在子层图像内做均
衡处理,较好地解决了直方图均衡过程中的对比度过拉伸问题,并且可以控制子
层灰度映射范围,增强效果较好。
图像增强的过程往往也是一个矛盾的过程:图像增强希望既去除噪声又增强
边缘。但是,增强边缘的同时会同时增强噪声,而滤去噪声又会使边缘在一定程
度上模糊。因此,在图像增强的时候,往往是将这两部分进行折中,找到一个好
的代价函数达到需要的增强目的。
传统的图像增强算法在确定转换函数时常是图像变换、灰度变换、直方图变
换、图像平滑与锐化、色彩增强等。常用的一些图像增强方法是学习图像增强的
基础,至今它们对于改善图像质量仍发挥着重要的作用。本文着重研究了这些增
强方法对图像进行增强处理,针对图像增强的普遍性问题,研究和实现常用的图
像增强方法及其算法,讨论不同的增强算法的适用场合,并对其图像增强方法进
行性能评价。
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
是以累积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,基于 MATLAB 的直方图均衡化
算法实现,在生物医学工程,通信工程,工程和工业,军事公安,文化艺术等方
面具有广泛的应用。
1.3 本文的工作结构
本文主要分析课题的研究意义及现状,通过理论分析图像增强的可能性与结
果预期。通过对比各种图像增强算法的方法,比较各种方法的优缺点,从而使得
能够通过某种方法得到某种预期的图像增强效果。共分为五部分,具体内容安排
如下:
第一章 绪论 介绍分析课题背景意义、现状等。
3
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