MATLAB在数字图像处理教学中的应用

1、第18卷 第10期 武汉科技学院学报 Vol.18 No.10 MATLAB 在数字图像处理教学中的应用张国琴,吴周桥(武汉科技学院 电子信息系,湖北 武汉 430073摘要:本文通过直方图均衡、空间域滤波两个例子说明了MATLAB 在数字图像处理教学中的应用。应用这种教学方法,不仅加深了学生对基本概念的理解,同时也激发了学生学习的兴趣。关键词:图像处理;MATLAB ;直方图均衡;空间域滤波中图分类号:TP312 文献标识码:A 文章编号:1009-5160(2005-0033-03数字图像处理是20世纪60年代发展起来的一门新兴学科。随着微型机性能的提高,数字图像处理技术也得到了广泛的普及

2、,当前图像处理技术在工业自动化、工业检测、医学、遥感探测等各个方面都发挥着十分重要的作用。正是在这种形势下,我校在电子信息专业的学生中开设了数字图像处理课程。数字图像处理是一门如何用计算机对图像进行处理的学科,本课程主要讲解数字图像处理和分析基本原理和方法,强调编程实践和建立图像处理应用系统的方法。教学的基本要求是:了解数字图像处理的基本概念,图像处理技术相关科学和领域的情况及图像处理和分析的组成系统和模块。利用计算机完成图像信息各种处理,包括图像变化、图像增强、图像复原、图像恢复和重建、图像编码、图像分割、图像分析目标的表达与描述。掌握计算机语言进行图像处理的基本编程方法。“数字图像处理”课

3、程起点高、难度大, 理论性很强。学生在学习时, 普遍感到数字图像处理的概念抽象, 对其中的分析方法与基本理论不能很好地理解与掌握。为了让学生既能够掌握基本理论,又能培养学生的动手能力。并且考虑到电子信息专业的同学不同于计算机专业,没有开设VC 课程,但在大三开设了MA TLAB 课程,已经掌握了MA TLAB 的一些基本编程能力。所以我们在“数字图像处理”课程教学中引进MATLAB 软件。MA TLAB 有丰富的图像处理工具箱,为非计算机专业的学生提供了一个很好的编程平台,可以使同学们更快、更好掌握图像处理的基本理论和分析方法。1 MATLAB 软件图像处理工具箱的特点MATLAB 软件为数字

4、图像处理提供了功能丰富的图像处理工具箱。它是由一系列支持图像处理操作的函数组成。涵盖了图像处理的几乎所有的技术方法,是学习和研究图像处理的人员难得的宝贵资料和加工工具。所支持的图像处理操作有:几何操作、区域操作和块操作;线性滤波和滤波器设计;傅立叶变换,离散余弦变换;二值图像操作等。和其他工具箱一样,用户还可以书写自己的函数,以满足特定的需要。也可以将这个工具箱和信号处理工具箱或小波工具箱联合起来使用。图像处理这门课程要求学生能够利用计算机完成图像信息的很多基本处理。由于图像操作很多,这里以图像增强中的直方图均衡和空间域滤波为例,来说明MATLAB 在图像处理教学中的应用。2 示例分析2.1

5、直方图均衡化灰度直方图表示数字图像中每一灰度级出现的频数(该灰度级的像素数与图像的总像素数之比。公式为(/k k p r n n =,k=0,1,2。其中r k 表示第k 个灰度级,n 表示像素总数,n k 表示第k 级灰度的像素数。直方图均衡化的基本思想是把原始图像的直方图变换成均匀分布的形式,这样就增加了象素灰度值的动态范围,从而达到了增强图像整体对比度的效果 。图1 (a和图1 (b分别是一幅原始图像和它的直方图,图1 (c和图1 (d分别是根下面一段程序进行直方图均衡化后的图像和直方图。收稿日期:2005-06-25作者简介:张国琴(1977-,女,研究方向:数字信号处理,数字图像处理

6、.武汉科技学院学报2005年 34I = imread('tire.tif' figure, imshow(JJ = histeq(I; figure, imhist(I,64imshow(I figure,imhist(J,64 通过程序的演示,可以使学生对直方图的意义、直方图的生成有一个直观的了解。从图1可以看出原始图像动态范围较小,而且较暗,反映在直方图上主要集中在低灰度值一边(如图2。为了使图像更清晰,我们采用直方图均衡化的方法,在MATLAB中,可以直接调用J=histeq (I,n 函数来完成这项工作,其中I是原始图像矩阵,J是变换后所得的图像矩阵;用户可以指定均衡

7、化后的灰度级数n,默认值为64。从处理前后的图像可以看出,许多原始图像中看不清楚的细节在直方图均衡化后所得的图像中都变得十分清晰。2.2 空间域线性滤波和中值滤波空间域线性滤波是用模板h(x,y与图像f(x,y做卷积运算。模板的大小以及内部元素的不同,图像滤波后的效果会很有很大区别。中值滤波是一种非线性空间滤波,它是用一个奇数点的滑动窗口,将窗口正中那点的值用窗口内各点的中值来代替。当然中值滤波窗口的形状和大小的不同也会使图像处理结果不同。限于篇幅关于各种不同滤波模板及不同中值滤波窗口处理图像结果有什么不同,这里不做详细讨论。只以空间域线性滤波的一种平均值滤波,即采用模板为1111(11191

8、11h x y=和33×的正方形中值滤波窗口为例来演示一下对于椒盐噪声的处理结果,程序如下:I=imread('eight.tif' K1=filter2(fspecial('average',3,J/255;J=imnoise(I,'salt & pepper',0.02; K2=medfilt2(J,3,3;imshow(I figure,imshow(K1figure,imshow(J figure,imshow(K2图2 (a是原始图像,图2 (b是附加椒盐噪声的图像,图2 (c是对图2 (b进行平均值滤波后的图像。图2

9、 (d是对图2 (b进行中值滤波后的结果。这样可以使同学们清楚的看到对于椒盐噪声,采用平均值滤波只能使噪声点得到抑制,但不能完全消除,而中值滤波效果要好得多。3 结束语(a原始图像 (b原始图像直方图(d直方图均衡化后的直方图(c直方图均衡化后的图像图1 直方图以及直方图均衡化第10期 张国琴,等:MATLAB 在数字图像处理教学中的应用35 在数字图像处理的教学中,引进MATLAB 软件可以快速模拟仿真,大大提高教学效率,使学生从中获得具体、生动的印象。同时由于MATLAB 易学的特点可以通过课程设计,让学生自己动手编写程序进行更多的实验内容,从而提高对讲课内容的理解,激发学生的学习热情和钻

10、研精神。 参考文献:1 张兆礼, 赵春晖, 梅晓丹. 现代图像处理技术及MATLAB 实现M. 北京:人民邮电出版社, 2001.2 飞思科技产品研发中心. MATLAB6.5辅助图像处理M. 北京:电子工业出版社, 2003.3 桑国明,刘智. 用MATLAB 和VB 混合编程开发数字图像处理教学演示软件J. 计算机与现代化, 2004, (11.MATLAB Application to the Teaching of Digital Image ProcessingZHANG Guo-qin, WU Zhou-qiao(Dept. of Electronics and Informati

11、on, Wuhan University of science and Engineering, Wuhan Hubei 430073,ChinaAbstract: With the aid of examples such as histogram equalization analysis and spatial filtering, this article explains the application of MATLAB in Image processing. Introduce Mat lab into the teaching process of “Digital Signal Processing” course ,it is very helpful to enhancing understanding , and impro