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基于matlab图像频域分析与仿真.docx
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摘要:图像增强是指按一定的需要突出一幅图像中的某些信息,同时削弱和去除某些不需
要的信息,使之改善图像的质量,加强图像判读和识别效果的处理技术,论文在介绍图像
频域增强原理的基础上,在频域内通过对低通滤波器、高通滤波器的图像增强进行了研究,
介绍了相关的理论和数学模型,并利用 MATLAB 工具进行实现。实验证明,低通滤波器
和高通滤波器都能较好的改善图像质量。
Abstract:Image enhancement means according to certain need to highlight a picture
of some of the information, and weaken and remove some don't need information,
to improve image quality and enhance the image interpretation and recognition
effect, the paper introduces the processing image frequency domain enhancement,
the basis of the principle of in frequency domain of low pass filter through the
image enhancement, high-pass filter was studied, introduced the related theory
and mathematical model, and use of MATLAB tools for implementation. Experimental
proof, low-pass filter and high-pass filter can better improve image quality.
Keywords: Image enhancement Low-pass filtering High-pass filtering
1 绪论......................................................... 3
1.1引言 ......................................................... 3
1.2 国内外研究的情况............................................. 3
1.3 基于 Matlab图像处理应用...................................... 5
2 空域滤波增强................................................. 9
2.1 基本简介..................................................... 9
2.2 平滑滤波器.................................................. 10
2.2.1 线性平滑滤波器............................................ 10
2.2.2 非线性平滑滤波器.......................................... 11
2.3 锐化滤波器................................................ 11
2.3.1 线性锐化滤波器............................................ 11
2.3.2非线性锐化滤波 ............................................ 12
3 频域增强的基本理论........................................... 6
3.1 频域增强..................................................... 7
3.2 傅立叶变换................................................... 7
3.3 低通滤波..................................................... 7
3.4高通滤波 ..................................................... 8
4 Matlab实现与结果分析 ....................................... 11
4.1 实验步骤.................................................... 11
4.2 结论........................................................ 14
参考文献.................................................... 16
致 谢...................................................... 16
附录 A .......................................................... 18
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在图像形成、传输或变换的过程中,由于受到其他客观因素诸如系统噪声、曝光不足
或过量、相对运动等影响,获取图像往往会与原始图像之间产生某种差异。变化后的图像
通常模糊不清或者经过机器提取的信息量减少,甚至提供错误信息,因此必须对其采取一
些手段进行改善,获取图像真正的信息。在获取正确信息之前,要对图像进行处理,一般
处理方法有两种,一是图像增强;二是图像复原。图像复原技术需要了解图像质量下降的
原因,首先要建立“降质模型”,再利用该模型恢复原始图像,因此分析起来比较麻烦。
而图像增强与此不同,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
选择地突出,而衰减不需要的特征,它的目的主要是提高图像的可懂度。图像增强的方法
分为空域法和频域法两类,空域法主要是对图像中的各个像素点进行操作;而频域法是在
图像的某个变换域内,修改变换后的系数,对图像进行操作,然后再进行反变换得到处理
后的图像。本文主要采用频域法中的低通滤波、高通滤波对图像进行增强处理。
20 世纪 20 年代图片第一次通过海底电缆从伦敦传往纽约。 当时人们通过字符模
拟得到中间色调的方法来还原图像。早期的图像增强技术往往涉及硬件参数的设置,
如打印过程的选择和亮度等级的分布等问题。在
1921 年年底提出了一种基于光学还
原的新技术。在这一时期由于引入了一种用编码图像纸带去调制光束达到调节底片感
光程度的方法,使灰度等级从 5 个灰度级增加到 15 个灰度等级,这种方法明显改善
了图像复原的效果。 到 20 世纪 60 年代早期第一台可以执行数字图像处理任务的大型
研究人员在美国喷气推进实验室 (JPL) 里使用计算机以及其它硬件设备,采用几何校
正、灰度变换、去噪声、傅里叶变换以及二维线性滤波等增强方法对航天探测器“徘
徊者 7 号”发回的几千张月球照片进行处理, 同时他们也考虑太阳位置和月球环境的
影响,最终成功地绘制出了月球表面地图。随后他们又对
回地球的几万张照片进行了较为复杂的数字图像处理, 使图像质量进一步提高。 这些
成绩不仅引起世界许多有关方面的注意而且 JPL 本身也更加重视对数字图像处理地
1965 年“徘徊者 8 号”发
研究和设备的改进,并专门成立了图像处理实验室
IPL。在 IPL 里成功的对后来探测
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飞船发回的几十万张照片进行了更为复杂的图像处理, 最终获得了月球的地形图、 彩
色图以及全景镶嵌图。从此数字图像增强技术走进了航空航天领域。
20 世纪 60 年代末和 20 世纪 70 年代初有学者开始将图像增强技术用于医学图像、
年 X 射线由伦琴发现。20 世纪 70 年代 Godfrey N. Hounsfield 先生和 Allan M. Cormack
教授共同发明计算机轴向断层技术: 一个检测器围绕病人, 并用 X 射线源绕着物体旋
转。X 射线穿过身体并由位于对面环中的相应检测器收集起来。其原理是用感知的数
据去重建切片图像。 当物体沿垂直于检测器的方向运动时就产生一系列的切片, 这些
切片组成了物体内部的再现图像。 到了 20 世纪 80 年代以后,各种硬件的发展使得人
们不仅能够处理二维图像, 而且开始处理三维图像。 许多能获得三维图像的设备和分
世纪 90 年代,图像增强技术已经逐步涉及人类生活和社会发展的各个方面。计算机
程序用于增强对比度或将亮度编码为彩色, 以便解释 X 射线和用于工业、 医学及生物
科学等领域的其他图像。 地理学用相同或相似的技术从航空和卫星图像中研究污染模
式。在考古学领域中使用图像处理方法已成功地复原模糊图片。 在物理学和相关领域
中计算机技术能增强高能等离子和电子显微镜等领域的实验图片。 直方图均衡处理是
图像增强技术常用的方法之一。 1997 年 Kim 提出如果要将图像增强技术运用到数码
相机等电子产品中, 那么算法一定要保持图像的亮度特性。 在文章中 Kim 提出了保持
亮度特性的直方图均衡算法 (BBHE) 。Kim 的改进算法提出后, 引起了许多学者的关注。
在 1999 年 Wan 等人提出二维子图直方图均衡算法 (DSIHE) 。接着 Chen 和 Ramli 提出
最小均方误差双直方图均衡算法 (MMBEBHE) 。为了保持图像亮度特性,许多学者转而
研究局部增强处理技术,提出了许多新的算法:递归均值分层均衡处理
归子图均衡算法 (RSIHE) 、动态直方图均衡算法 (DHE) 、保持亮度特性动态直方图均衡
算法(BPDHE) 、多层直方图均衡算法 (MHE) 、亮度保持簇直方图均衡处理 (BPWCHE) 等等。
在借鉴国外相对成熟理论体系和技术应用体系的条件下, 国内的增强技术和应用
也有了很大的发展。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
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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
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。
图像的读写与显示操作:用imread()读取图像,imwrite()输出图像。把图像显示于
屏幕有imshow(),image()函数。imerop()对图像进行裁剪,旋转用imrotate()实现。
2.MATLAB的图像增强方法
图像增强的目的是采用一系列技术去改善图像的视觉效果或将图像转换成一种更适
合于人眼观察和机器自动分析的形式。常用的图像增强方法有以
下几种:
均匀置化的自然图像的灰度直方图通常在低灰度区间上频率较大,采用直方图修整可
使原图像灰度集中的区域拉开或使灰度分布均匀,从而增大反差,使图像的细节清晰,达
到增强目的。直方图均衡化可用histeq()函数实现。
(2)灰度变换法。
一般的图像整个图像偏亮或偏暗,为此需要对图像中的每一像素的灰度级进行标度
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苦茶子12138
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