数字图像处理03亮度变换与空间滤波课件

1、第三章 亮度变换与空间滤波本章主要内容图像增强的方法分两大类：空间域方法频域方法本章主要讨论空间域图像增强的方法及其MATLAB实现；空间域图像增强方法亮度变换直方图处理空间滤波（邻域处理或空间卷积）23.1 背景知识空间域技术空间域技术直接对图像的像素进行处理.33.1 背景知识点的邻域定义一个点(x, y)的邻域的主要方法是利用中心在(x, y)点的正方形或矩形子图像如11邻域, 33邻域, 55邻域43.1 背景知识空间域技术空间域技术直接对图像的像素进行处理.空间域处理可定义为g(x, y) = T f(x, y) 其中, f(x, y)为输入图像, g(x, y)为输出图像(处理后)

2、, T 是对图像 f 进行处理的操作符.亮度变换: 变换T 对单点操作 处理后图像在点(x0, y0)的像素值g(x0, y0)只与原始图像在点(x0, y0)的像素值f(x0, y0)有直接关系, 与原始图像在其他点的像素值无关. 如g(x0, y0)=a f (x0, y0)2+b f (x0, y0)+c亮度变换可写成: s=T r 其中r为f(x, y)的亮度值, s为g(x, y)的亮度值53.1 背景知识空间域技术空间滤波: 利用(x, y)的一个小邻域(如33邻域, 称为模板), 对T 进行操作. 此时, 处理后图像在某点(x0, y0)的像素值g(x0, y0)不仅与原始图像在

3、点(x0, y0)的像素值f(x0, y0)有直接关系, 与原始图像在点(x0, y0)附近其他点的像素值也有直接关系. 如下式直方图方法: 利用图像亮度值的统计信息进行处理.63.2 亮度变换函数一些基本灰度变换73.2 亮度变换函数一些基本灰度变换图像反转对灰度范围为0, L-1的图像，表达式为s=L-1-r对数变换s=clog(1 + r)幂次变换s=cr对比拉伸 s=T(r)=1 + (m/r)E183.2 亮度变换函数3.2.1 函数imadjust语法g = imadjust(f, low_in, high_in, low_out, high_out, gamma) 说明low_i

4、n, high_inlow_out, high_outgamma例3.1 使用函数imadjust93.2 亮度变换函数3.2.2 对数和对比度拉伸变换对数变换S = T(r) = clog(1 + r)例3.2 使用对数变换减少动态范围对比拉伸 s = T(r) =g=1./(1 + (m./(double(f) +eps).E)1 + (m/r)E1103.2 亮度变换函数3.2.3 亮度变换的一些实用M函数处理可变数量的输入和/或输出函数nargin和nargout函数nargchk变量varargin和varargout一个实现多种亮度变换的M函数changeclassintrans例

5、3.3 函数intrans的使用和说明 亮度标度的M函数gscale113.3 直方图处理与函数绘图3.3.1 生成并绘制图像的直方图直方图: h(rk) = nk归一化直方图: p(rk) = h(rk) / n =nk / n函数imhist: imhist(f, b)函数plot: plot(horz, v, color_linestyle_mark)例3.4 计算并绘制图像的直方图函数bar:axis, set, xlabel, ylabel, text, title, xlim, ylim函数stem123.3 直方图处理与函数绘图函数plot: plot(horz, v, colo

6、r_linestyle_mark)函数bar:bar(horz, v, width)函数stem:stem(horz, v)函数axis: axis(horzmin horzmax vertmin vertmax)函数xlabel: xlabel(textstring, fontsize, size)函数ylabel: ylabel(textstring, fontsize, size)函数text: text(xloc, yloc, textstring, fontsize, size)函数title: title(titlestring)函数set: set(gca, xtick, 0:5

7、0:255)函数set: set(gca, ytick, 0:50:255)函数ylim(auto), ylim(ymin, ymax)函数xlim(auto), xlim(xmin, xmax)133.3 直方图处理与函数绘图3.3.2 直方图均衡化函数histeq: histeq(f, nlev)例3.5 直方图均衡化3.3.2 直方图匹配生成具有指定直方图的图像的方法称为直方图匹配。函数histeq: imhist(f, hspec)例3.6 直方图匹配143.4 空间滤波空间滤波（邻域处理）(1) 定义中心点(x, y);(2) 对预先定义的以(x, y)为中心点的邻域内的像素进行运算

8、;(3) 令运算结果为该点处处理的响应;(4) 对图像中的每个点重复(1)(3)步骤.空间滤波的分类：线性空间滤波, 对邻域中像素的计算为线性运算. 如均值滤波等. 非线性空间滤波,对邻域中像素的计算为非线性运算.如统计排序滤波等15w(-1,-1)w(-1,0)w(-1,1)w(0,-1)w(0,0)w(0,1)w(1,-1)w(1,0)w(1,1)f(x-1,y-1)f(x-1,y)f(x-1,y+1)f(x,y-1)f(x,y)f(x,y+1)f(x+1,y-1)f(x+1,y)f(x+1,y+1)图像f (x, y)yx滤波器掩模滤波掩模核, 模板窗口163.4 空间滤波3.4.1 线

9、性空间滤波工具箱中实现线性滤波的函数imfilterg=imfilter(f, w, filtering_mode, boundary_options, size_options)filtering_mode: corr (默认值), convboundary_options: P(默认值为0), replicate, symmetric, circularsize_options: full, same (默认值)例3.7 使用函数imfilter173.4 空间滤波3.4.2 非线性空间滤波非线性滤波也是基于邻域操作的, 通过定义一个m*n的邻, 以其中心点滑过一幅图像的方式进行操作.线性

10、空间滤波基于计算乘积之和（一个线性表达式）非线性空间滤波则基于非线性操作（非线性表达式）工具箱提供两个执行常规非线性滤波的函数:函数nlfilter和函数colfilt函数nlfilter直接执行二维操作函数colfilt以列的形式组织数据函数colfilt占用更多的内在, 但执行比函数nlfilter183.4 空间滤波函数nlfilter Perform general sliding-neighborhood operationsSyntax B = nlfilter(A, m n, fun)Description B=nlfilter(A, m n, fun) applies the

11、function fun to each m-by-n sliding block of A. fun is a function that accepts an m-by-n matrix as input and returns a scalar result. fun must be a function handle.193.4 空间滤波函数colfiltg=colfilt( f, m, n, block_type, fun, parameters)block_type: sliding 表示处理过程是在输入图像中逐个像素地滑动该m*n区域. distinct 表示处理过程是在输入图像

12、中互不相交的m*n块进行.fun引用一个函数, 符号称为函数句柄, 它是MATLAB数据类型.函数fun必须分别对矩阵的每一列进行操作.parameters表示函数fun可能需要的参数.203.4 空间滤波在使用colfilt时，在进行滤波之前，输入图像必须经过填充。可使用函数padarray:padarray函数fp = padarray(f, padsize, padval, direction)padsize r,c（r行, c列）padval P(默认值为0), replicate, symmetric, circulardirection pre, post, both (默认值)

13、例3.8 使用函数实现非线性空间滤波prod(a), prod(a,1): a的列元素积, 结果为一行.prod(a,2): a的行元素积, 结果为一列.213.5 图像处理工具箱的标准空间滤波器3.5.1 线性空间滤波器用于生成滤波掩模w的函数fspecial的语法w=fspecial(type, parameters)表3.4列出函数fspecail支持的空间滤波器类型及参数例3.9 使用函数例3.10 手工指定滤波器和增强技术的比较22表3.4列出函数fspecail支持的空间滤波器类型及参数类型函数与参数averagediskguassianlaplacianlogmotion pre

14、wittsobelunsharpfspecial(average, r, c) 大小为rc矩形平均值滤波器(33)fspecial(disk, r) 半径为r的圆形平均值滤波器(r=5)fspecial(guassian, r, c, sig) 为rc高斯低通滤波器(33, 0.5)fspecial(laplacian, alpha) 为33拉普拉斯滤波器(0 1, 0.5)fspecial(log, r, c, sig) 为rc高斯-拉普拉斯滤波器(55, 0.5)fspecial(motion, len, theta) len个像素线性运动, 运动方向为theta的滤波器(9, 0), s

15、ize=1,9fspecial(prewitt) 大小为33的Prewitt滤波器wv, wh = wvfspecial(sobel)大小为33的Sobel滤波器sv, sh = svfspecial(unsharp, alpha)大小为33的非锐化滤波器(0 1, 0.2)233.5 图像处理工具箱的标准空间滤波器因而有:函数 f (x, y) 的拉普拉斯算子定义为二阶导数的通用数字近似为和243.5 图像处理工具箱的标准空间滤波器使用拉普拉斯算子增强图像的基本公式为(c=1或-1)w=fspecial(laplacian, alpha)实现一个更为常见的拉普拉斯算子掩模。253.5 图像处理工具箱的标准空间滤波器3.5.2 非线性空间滤波器IPT用于生成非线性滤波的一个工具函数ordfilt2, 它可以生成统计排序滤波器，其语法：g = ordfilt2(f,