数字图像处理实验.doc

目 录实验1 数字图像处理的MATLAB基础3实验2 灰度图像增强5实验3 空域滤波7实验4 图像的二维傅里叶变换和频谱9实验5 图像频域增强11实验6 图像复原14实验7 彩色图像变换16实验8 彩色图像滤波18实验9 图像边缘检测20附录一 图像数据文件格式22附录二 实验报告格式25实验2 灰度图像增强一、 实验目的通过本实验使学生掌握使用MATLAB对灰度图像进行空域增强的目的，加深对空域图像增强的理解。二、 实验原理本实验是基于数字图像处理课程中的图像变换和增强理论来设计的。本实验的准备知识：教材第三章，空域图像增强方法。重点如下：1、直方图和直方图均衡通过实验领悟图像的直方图的含义，加深对图像直方图概念的理解，并且能够掌握直方图均衡的方法和效果。画图像的直方图命令， imhist(A)直方图均衡命令， Aeqhisteq（A）2、基本灰度变换3、同屏显示图像的函数图形窗口分区的命令为 subplot, 例如subplot (2,2,1) 是将图形窗分为22的4个区，在第1个区画图。示例figuresubplot(1,2,1) imshow(A); subplot(1,2,2) imshow(Aeq);将图形窗口分为两个区，分别显示图像A和Aeq。三、 实验内容（一）直方图均衡1、读入lena_gray.tif图像文件，画出其直方图，并解释之；2、对该图像进行直方图均衡，显示均衡后的图像及其直方图，并解释之；3、将均衡后的图像存为lena_gray_1.tif文件。4、再将lena_gray_1.tif文件读入并重复上述过程，说明增强效果并解释之。（二） 图像灰度变换读入lena_gray.tif文件，对其灰度进行下列调整，并显示图像：（1）将图像的灰度降低70，同屏显示原图像和灰度调整后图像；（2）将图像灰度加上一个值（如50），使图像变亮，编程，同屏显示原图像和灰度调整后图像。思考：灰度变换时应该注意什么？（3）画出灰度变换前后图像的直方图，进行比较，说明现象和原因。（4）使用MATLAB工具箱函数imadjust来调整亮度，imcomplement函数进行反色。四、 实验方法与步骤1、顺序完成上述实验内容2、按照实验内容要求，分析编程，将程序和实验结果整理成word文档，分析结果，编写实验报告。五、 实验报告要求1、本实验由学生单人独立完成。 2、每个实验均按统一格式编写实验报告。实验报告内容包括：实验要求，实验项目，典型程序流程图，程序清单，数据结果和分析讨论。实验3 空域滤波一、 实验目的通过本实验使学生掌握使用MATLAB对灰度图像进行空域增强的目的，加深对图像空域滤波增强方法的理解。二、 实验原理本实验是基于数字图像处理课程中的图像变换和增强理论来设计的。本实验的准备知识：第三章，空域图像增强方法。重点如下：1、空域滤波技术： 添加噪声命令：imnoise 中值滤波技术，复习教材中的中值滤波技术，自己编程实现中值滤波函数，并用自编的函数开展下列实验。均值滤波技术，复习教材中的中值滤波技术，自己编程实现中值滤波函数，并用自编的函数开展下列实验。2、MATLAB下设计滤波器的函数 中值滤波命令：Bmedfilt2 (I,3,3) %使用33中值滤波器对I滤波均值滤波技术： 先定义模板，如 H1/9*ones(3,3), 或 Hfspecial(average,3,3); 然后使用命令 I1imfilter(I, H)对图像I消噪。【说明：要求学生先自己编写中值滤波或均值滤波的m函数，加深对这两个滤波器的理解。】三、 实验内容（一）空域滤波读入lena_gray.tif文件，进行下列操作:（1）将图像添加上椒盐噪声， A_noised=imnoise(A, salt & pepper, 0.02)，同屏显示原图像和加噪图像，说明椒盐噪声的特点；（2）设计33、55，77三种模板的算术均值滤波器对图像进行滤波，同屏显示加噪图像和消噪图像，对滤波效果进行解释和说明；（3）设计33、55，77三种模板的中值滤波器对图像进行滤波，同屏显示加噪图像和消噪图像，对滤波效果进行解释和说明；（4）将图像添加上高斯噪声， A_noised=imnoise(A, gauss, 0.02)，同屏显示原图像和加噪图像，说明高斯噪声的特点；（5）设计33、55，77三种模板的算术均值滤波器对图像进行滤波，同屏显示加噪图像和消噪图像，对滤波效果进行解释和说明；（6）设计33、55，77三种模板的中值滤波器对图像进行滤波，同屏显示加噪图像和消噪图像，对滤波效果进行解释和说明。（二）使用MATLAB环境下的均值滤波和中值滤波函数进行上述图像处理。思考：椒盐噪声和高斯噪声有何不同特点？分别使用何种滤波器消噪效果好？四、 实验方法与步骤1、顺序完成上述实验内容2、按照实验内容要求，分析编程，将程序和实验结果整理成word文档，分析结果，编写实验报告。五、 实验报告要求1、本实验由学生单人独立完成。 2、每个实验均按统一格式编写实验报告。实验报告内容包括：实验要求，实验项目，典型程序流程图，程序清单，数据结果和分析讨论。实验4 图像的二维傅里叶变换和频谱一、 实验目的通过本实验使学生掌握使用MATLAB进行二维傅里叶变换的方法，加深对二维傅里叶变换的理解和图像频谱的理解。二、 实验原理本实验是基于数字图像处理课程中的二维傅里叶变换理论来设计的。本实验的准备知识：第四章 频域图像增强中的一维傅里叶变换和二维傅里叶变换，频域图像增强的步骤，频域滤波器。实验用到的基本函数：一维傅里叶变换函数： fft, 一维傅里叶反变换函数：ifft频谱搬移函数：fftshift二维傅里叶变换函数：fft2二维傅里叶反变换函数：ifft2绘图函数：imshow， mesh【说明，如对上述函数的使用方法有疑问，请先用help命令查询。建议先用help命令查询器应用方法，再做具体实验内容。】例：计算图像f的频谱并显示F=fft2(f);S=abs(F); %求幅度imshow(S,)；%显示图像幅度频谱Fc=fftshift(F); %将图像频谱原点移动到中心显示imshow(abs(Fc); 三、 实验内容（一） 一维傅里叶变换的实现和分析1、 生成一个一维向量，x1 2 3 4 5 6 7 8; 计算该向量的傅里叶变换，并由傅里叶变换求反变换，验证结果。2、 在时间域中将x乘以(-1)n，计算其傅里叶变换，实现傅里叶变换的平移性质3、 使用fftshift函数，实现频谱的平移。（二） 二维傅里叶变换的实现和分析产生如图所示图象 f1(x,y)（6464大小，中间亮条宽16，高40，居中，暗处=0，亮处=255），用MATLAB中的fft2函数求其傅里叶变换，要求： 1、同屏显示原图f1和FFT(f1)的幅度谱图； 2、若令f2(x,y)=（-1）x+y f1(x,y)，重复过程1，比较二者幅度谱的异同，简述理由； 3、若将f2(x,y)顺时针旋转90度得到f3(x,y)，试显示FFT(f3)的幅度谱，并与FFT(f2)的幅度谱进行比较。（三）任意图像的频谱显示1、读入图像lenagray.tif，计算该图像的频谱，并将频谱原点移到中心位置显示。2、读入图像rice.tif，计算该图像的频谱，并将频谱原点移到中心位置显示。思考：图像频谱有何特点？低频分量和高频分量在图像频谱中是怎样分布的？ 四、 实验方法与步骤1、顺序完成上述实验内容2、按照实验内容要求，分析编程，将程序和实验结果整理成word文档，分析结果，编写实验报告。五、 实验报告要求1、本实验由学生单人独立完成。 2、每个实验均按统一格式编写实验报告。实验报告内容包括：实验要求，实验项目，典型程序流程图，程序清单，数据结果和分析讨论。实验5 图像频域增强一、 实验目的通过本实验使学生掌握使用MATLAB的二维傅里叶变换进行频域增强的方法。二、 实验原理本实验是基于数字图像处理课程中的图像频域增强理论来设计的。本实验的准备知识：第四章 频域图像增强中的一维傅里叶变换和二维傅里叶变换，频域图像增强的步骤，频域滤波器。根据教材285页到320页的内容，开展本实验。可能用到的函数：1、 延拓函数 padarray例：A=1,2;3,4;B=padarray(A,2,3,post);则结果为B = 1 2 0 0 0 3 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0使用该函数实现图像的0延拓。Padarray还有其它用法，请用help查询。2、 低通滤波器生成函数首先编写dftuv函数，如下function U,V=dftuv(M,N)%DFTUV Computes meshgrid frequency matrices.% U,V=DFTUV(M,N computes meshgrid frequency matrices U and V. U and V are useful for computing frequency-domain filter functions that can be used with DFTFILT. U and V are both M-by-N. % Set up range of variables.u=0:(M-1);v=0:(N-1);% Compute the indices for use in meshgrid.idx=find(uM/2);u(idx)=u(idx)-M;idy=find(vN/2);v(idy)=v(idy)-N;%Compute the meshgrid arrays.V,U=meshgrid(v,u);然后编写低通滤波器函数function H,D=lpfilter(type,M,N,D0,n)% LPFILTER computers frequency domain lowpass filters.% H=lpfilter(TYPE,M,N,D0,n) creates the transfer function of a lowpass filter, H, of the specified TYPE and size(M-by-N). To view the filter as an image or mesh plot, it should be centered using H=fftshift(H).% valid values for TYPE, D0, and n are:% ideal Ideal lowpass filter with cutoff frequency D0. n need not be supplied. D0 must be positive.% btw Butterworth lowpass filter of ordern, and cutoff D0. The default value for n is 1. D0 must be positive.% gaussian Gaussian lowpass filter with cutoff (standard deviation)D0. n need not be supplied. D0 must be positive. %Use function dftuv to set up the meshgrid arrays needed for computing the required distances.U,V=dftuv(M,N); % D=sqrt(U.2+V.2); % Compute the distances D(U,V)% Begin filter computations.switch type case ideal H=double(D=D0); case btw if nargin=4 n=1; end H=1./(1+(D./D0).(2*n); case gaussian H=exp(-(D.2)./(2*(D02); otherwise error(Unknown filter type)end通过调用函数lpfilter可生成相应的滤波器掩膜矩阵。参考该函数可相应的生成高通滤波器函数。3、 频域滤波F=fft2(f,size(H,1),size(H,2); % 对延拓的f计算FFT。注意，这里隐含着对f的延拓。G=real(ifft2(H.*F); % 滤波Gf=G(1:size(f,1),1:size(f,2); %裁剪后的图像三、 实验内容（一） 图像频域增强的步骤参考教材286页的Figure 4.36，重复该图像中的步骤，并将相应的结果显示出来。（二）频域低通滤波 产生实验四中的白条图像。设计不同截止频率的理想低通滤波器、Butterworth低通滤波器，对其进行频域增强。观察频域滤波效果，并解释之。 设计不同截止频率的理想低通滤波器、Butterworth低通滤波器，对含高斯噪声的lena图像进行频域增强。观察频域滤波效果，并解释之。（三）频域高通滤波 设计不同截止频率的理想高通滤波器、Butterworth高通滤波器，对上述白条图像进行频域增强。观察频域滤波效果，并解释之。设计不同截止频率的理想高通滤波器、Butterworth高通滤波器，对含高斯噪声的lena图像进行频域增强。观察频域滤波效果，并解释之。四、 实验方法与步骤1、顺序完成上述实验内容2、按照实验内容要求，分析编程，将程序和实验结果整理成word文档，分析结果，编写实验报告。五、 实验报告要求1、本实验由学生单人独立完成。 2、每个实验均按统一格式编写实验报告。实验报告内容包括：实验要求，实验项目，典型程序流程图，程序清单，数据结果和分析讨论。实验6 彩色图像变换一、 实验目的通过本实验使学生掌握使用MATLAB进行彩色图像处理的方法，加深对彩色空间和彩色图像的理解。二、 实验原理本实验是基于数字图像处理课程中的第六章-彩色图像处理理论来设计的。本实验的准备知识：第六章彩色图像处理中的彩色空间，彩色图像处理方法。重点如下：1、 彩色空间及其相互转换：a) RGB空间b) CMY空间c) HSI空间2、彩色空间中各图像分量的演示和意义，关键命令：f=imread(C:.lena_color.tif, TIF);显示： imshow红色图像分量： f(:,:,1)绿色图像分量： f(:,:,2)蓝色图像分量： f(:,:,3)三、 实验内容（一）彩色RGB空间的各个分量读取lena_color.tif图像，显示彩色图像，（1）提取三个图像分量，同屏显示彩色图像及其各个分量图像，说明各个图像分量的意义。（2）同屏显示三个图像分量的直方图，并解释之。（二） RGB-CMY空间的转换（1）编写程序，实现将lena图像的反色，也就是转换为CMY空间。（2）提取CMY空间的三个图像分量，同屏显示彩色图像及其各个分量图像，说明各个图像分量的意义。（3）同屏显示三个图像分量的直方图，并解释之。（4）可再使用MATLAB下的求补色图像imcomplement函数实现。（三） 彩色变换读取lena_color.tif图像，（1）将该RGB图像的亮度降低70，并同屏显示原图像与亮度降低后图像。（2）将该RGB图像中的红色分量的亮度降低50，并同屏显示原图像与变换后彩色图像。（3）将该RGB图像中的绿色分量的亮度降低50，并同屏显示原图像与变换后彩色图像。思考：彩色变换时应该注意什么？四、 实验方法与步骤1、顺序完成上述实验内容2、按照实验内容要求，分析编程，将程序和实验结果整理成word文档，分析结果，编写实验报告。五、 实验报告要求1、本实验由学生单人独立完成。 2、每个实验均按统一格式编写实验报告。实验报告内容包括：实验要求，实验项目，典型程序流程图，程序清单，数据结果和分析讨论。实验7 彩色图像滤波一、 实验目的通过本实验使学生掌握使用MATLAB进行彩色图像处理的方法，加深对彩色空间和彩色图像的理解。二、 实验原理本实验是基于数字图像处理课程中的彩色图像处理理论来设计的。本实验的准备知识：第六章彩色图像处理中的彩色空间，彩色图像处理方法。重点如下：1、RGB图像与HSI图像之间的相互转换2、彩色图像消噪 添加噪声命令：imnoise 中值滤波技术，均值滤波技术三、 实验内容（一）HSI空间分量读取lena_color.tif图像，进行下列操作:1、 编写函数，将其从RGB空间转换到HIS空间，分别显示其H分量、S分量和I分量。2、 编写函数，将图像从HIS空间转换到RGB空间，分别显示R分量，G分量和B分量。（二）RGB空间的彩色平滑读取lena_color.tif图像，进行下列操作:（1） 采用77均值滤波器对彩色图像的所有分量进行相同平滑，同屏显示原图像和平滑后图像，对结果进行说明；（2） 采用77均值滤波器对彩色图像的红分量进行平滑，其它分量不变，同屏显示原图像和平滑后图像，对结果进行说明；（3） 采用直方图均衡方法，对彩色图像的三个分量进行增强，同屏显示原图像和增强后图像，对结果进行说明；（4） 将图像添加上椒盐噪声， A_noised=imnoise(A, salt & pepper, 0.02)，选择合适的滤波器进行滤波，观察滤波效果；（5） 将图像添加上高斯噪声， A_noised=imnoise(A, gauss, 0.02)，选择合适的滤波器进行滤波，观察滤波效果；思考：彩色图像的滤波应该注意什么？ 四、 实验方法与步骤1、顺序完成上述实验内容2、按照实验内容要求，分析编程，将程序和实验结果整理成word文档，分析结果，编写实验报告。五、 实验报告要求1、本实验由学生单人独立完成。 2、每个实验均按统一格式编写实验报告。实验报告内容包括：实验要求，实验项目，典型程序流程图，程序清单，数据结果和分析讨论。实验8 图像边缘检测一、 实验目的通过本实验使学生掌握图像边缘检测的基本方法，加深对图像分割的理解。二、 实验原理本实验是基于数字图像处理课程中的图像分割理论来设计的。本实验的准备知识：第三章空域图像增强，第十章图像分割中关于图像锐化和边缘检测的方法。重点如下：1、 图像锐化的意义，其中的关键算子有：a) Prewitt算子b) Sobel算子c) LoG算子2、 图像分割的意义，其中的关键算子：prewitt算子，sobel算子3、 图像边缘检测技术三、 实验内容（一）图像锐化读取lena_gray.tif图像，（1）使用prewitt算子对图像进行锐化，同屏显示原图像和锐化后图像，并解释结果。（2）使用sobel算子对图像进行锐化，同屏显示原图像和锐化后图像，并解释结果。（3）使用LoG算子对图像进行锐化，同屏显示原图像和锐化后图像，并解释结果。（4）对比上述锐化结果，说明三个算子的优缺点。（二） 图像边缘检测读取house.tif图像，（1）设计合适的算子，检测图像中的横向边缘，同屏显示原图像和边缘图像，并解释结果。（2）设计合适的算子，检测图像中的纵向边缘，同屏显示原图像和边缘图像，并解释结果。（3）将上述两幅边缘图像叠加，试解释结果的意义。（三） 图像分割读取rice.tif图像，（1）使用prewitt算子对图像进行分割，同屏显示原图像和分割后图像，并解释结果。（2）使用sobel算子对图像进行分割，同屏显示原图像和分割后图像，并解释结果。四、 实验方法与步骤1、顺序完成上述实验内容2、按照实验内容要求，分析编程，将程序和实验结果整理成word文档，分析结果，编写实验报告。五、 实验报告要求1、本实验由学生单人独立完成。 2、每个实验均按统一格式编写实验报告。实验报告内容包括：实验要求，实验项目，典型程序流程图，程序清单，数据结果和分析讨论。附录一 图像数据文件格式图像数据文件的格式已有很多种，不同的系统平台和软件常使用不同的图像文件格式。例如Macintosh机普遍使用MacPaint格式；Sun Microsystems支持Sun光栅格式；Photoshop下使用PSD格式等。目前常用的图像文件格式有：BMP格式，GIF格式，TIFF格式，JPEG格式等。1、 BMP(bitmap)格式，全称为Microsoft设备独立位图（device independent bitmap）bmp文件大体上分成四个部分，如图所示。位图文件头BITMAPFILEHEADER位图信息头BITMAPINFOHEADER调色板Palette实际的位图数据ImageData第一部分为位图文件头BITMAPFILEHEADER，是一个结构，这个结构的长度是固定的，为14个字节(WORD为无符号16位整数，DWORD为无符号32位整数)，其定义和各个域的说明如下：typedef struct tagBITMAPFILEHEADER WORD bfType; /指定文件类型，必须是0x424D，即字符串“BM”，也就是说所有.bmp文件的头两个字节都是“BM”。DWORD bfSize; /WORD bfReserved1; /指定文件大小，包括这14个字节。WORD bfReserved2; /为保留字，不用考虑DWORD bfOffBits; /为从文件头到实际的位图数据的偏移字节数，即图1中前三个部分的长度之和。 BITMAPFILEHEADER; 第二部分为位图信息头BITMAPINFOHEADER，也是一个结构，这个结构的长度是固定的，为40个字节(LONG为32位整数)，其定义和各个域的说明如下：typedef struct tagBITMAPINFOHEADERDWORD biSize; /指定这个结构的长度，为40。LONG biWidth; /指定图象的宽度，单位是象素。LONG biHeight; /指定图象的高度，单位是象素。WORD biPlanes; /必须是1，不用考虑。WORD biBitCount /指定表示颜色时要用到的位数，常用的值为1(黑白二色图), 4(16色图), 8(256色), 24(真彩色图)(新的.bmp格式支持32位色，这里就不做讨论了)。DWORD biCompression; /指定位图是否压缩，有效的值为BI_RGB，BI_RLE8，BI_RLE4，BI_BITFIELDS(都是一些Windows定义好的常量)。要说明的是，Windows位图可以采用RLE4，和RLE8的压缩格式，但用的不多。我们今后所讨论的只有第一种不压缩的情况，即biCompression为BI_RGB的情况。DWORD biSizeImage; /指定实际的位图数据占用的字节数，其实也可以从以下的公式中计算出来：biSizeImage=biWidth biHeight要注意的是：上述公式中的biWidth必须是4的整倍数(所以不是biWidth，而是biWidth，表示大于或等于biWidth的，最接近4的整倍数。举个例子，如果biWidth=240，则biWidth=240；如果biWidth=241，biWidth=244)。如果biCompression为BI_RGB，则该项可能为零。LONG biXPelsPerMeter; /指定目标设备的水平分辨率，单位是每米的象素个数。LONG biYPelsPerMeter; /指定目标设备的垂直分辨率，单位同上。DWORD biClrUsed; /指定本图象实际用到的颜色数，如果该值为零，则用到的颜色数为2biBitCount。DWORD biClrImportant; /指定本图象中重要的颜色数，如果该值为零，则认为所有的颜色都是重要的。 BITMAPINFOHEADER; 第三部分为调色板Palette，当然，这里是对那些需要调色板的位图文件而言的。有些位图，如真彩色图，前面已经讲过，是不需要调色板的，BITMAPINFOHEADER后直接是位图数据。调色板实际上是一个数组，共有biClrUsed个元素(如果该值为零，则有2biBitCount个元素)。数组中每个元素的类型是一个RGBQUAD结构，占4个字节，其定义如下：typedef struct tagRGBQUAD BYTE rgbBlue; /该颜色的蓝色分量BYTE rgbGreen; /该颜色的绿色分量BYTE rgbRed; /该颜色的红色分量BYTE rgbReserved; /保留值 RGBQUAD; 第四部分就是实际的图象数据了。对于用到调色板的位图，图象数据就是该象素颜在调色板中的索引值。对于真彩色图，图象数据就是实际的R、G、B值。下面针对2色、16色、256色位图和真彩色位图分别介绍。对于2色位图，用1位就可以表示该象