毕业设计(论文)基于matlab的直方图均衡化研究.doc
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1、武昌理工学院本科毕业设计(论文)题目:基于matlab的直方图均衡化研究学院:信息工程学院专业:自动化0801学号:学生姓名:指导教师: 二一一年 十二月 十六日基于matlab的直方图均衡化研究摘 要直方图均衡化处理的“中心思想”是把原始图像的灰度直方图从比较集中的某个灰度区间变成在全部灰度范围内的均匀分布。直方图均衡化就是对图像进行非线性拉伸,重新分配图像像素值,使一定灰度范围内的像素数量大致相同。直方图均衡化就是把给定图像的直方图分布改变成“均匀”分布直方图分布。这种方法通常用来增加许多图像的局部对比度,尤其是当图像的有用数据的对比度相当接近的时候。通过这种方法,亮度可以更好地在直方图上
2、分布。这样就可以用于增强局部的对比度而不影响整体的对比度,直方图均衡化通过有效地扩展常用的亮度来实现这种功能。本文主要研究的是就直方图均衡化改进方法,解决原始直方图均衡化在图像灰阶和噪声上面的缺点,经过试验得出数据指出它们的优点,具有较好的增强效果。通过本次毕业设计了解数字图像处理中图像增强的知识,设计基于matlab的直方图均衡化模块,完成对输入图像的质量增强功能,并使用有效的评价指标对增强前后图像进行评价,培养分析问题和解决问题的能力。关键词:直方图均衡化;均匀;亮度;增强Histograme qualization research based on matlabYushizhuangA
3、bstractHistogram equalization processing center thought is the original image of gray histogram from quite centralized a gray interval in allbecome gray within the scope of the uniform distribution。The image histogram equalization is nonlinear tensile, redistribution image pixels, so that must be wi
4、thin the scope of the gray roughly the same number ofpixels.Histogram equalization is given of the image histogram distribution change into uniform distribution histogram distribution. This method is generally used to add many image local contrast, especially when the image of useful data fairly clo
5、se to the contrast of the time. Through this method, the brightness of can better in the distribution histogram. This can be used to increase local contrast and do not affect overall contrast, histogram equalization through effectively expand thebrightness of the commonly used to implement this func
6、tion. This dissertation mainly studies the histogram equalization is improving methods to solve the original histogram equalization in the image gray-scale and noise of the above shortcomings, after concluded that the data point out their advantages, and has a good effect. Through the graduation des
7、ign understand digital image processing of image enhancement of knowledge, design based on the matlab histogram equalization module and the completion of the quality of the input image enhancement function, and use the effective evaluation of the enhanced image before and after evaluation, cultivate
8、 the ability to analyze and solve problems. Key Words:Histogram equalization;uniform;brightness;good effect目录第1章 绪 论11.1 引言11.2国内外研究现状2第2章 图像的基本理论32.1 数字图像的基本概念32.1.1 图像增强的基本方法32.2 MATLAB 简介6第3章 基于直方图均衡化改进算法的图像增强93.1 直方图修正93.2 直方图均衡化缺点分析103.2.1直方图均衡化与图像灰阶关系113.2.2 直方图均衡化与图像噪声关系113.3改进的直方图均衡化算法123.3.
9、1 改进算法123.4 实验结果133.5本章小结14第4章 总 结16致 谢17参考文献18第1章 绪 论1.1 引言图像增强是图像处理的最基本手段, 它往住是各种图像分析与处理时的预处理过程。图像增强就是增强图像中用户感兴趣的信息,其主要目的有两个:一是改善图像的视觉效果,提高图像成分的清晰度;二是使图像变得更有利于计算机处理。图像增强方法一般分为空间域和变换域两大类。空间域方法直接对图像像素的灰度进行处理。变换域方法在图像的某个变换域中对变换系数进行处理,然后通过逆变换获得增强图像。在空间域内对图像进行点运算,它是一种既简单又重要的图像处理技术,它能让用户改变图像上像素点的灰度值,这样通
10、过点运算处理将产生一幅新图像。直方图均衡化算法是图像增强空域法中的最常用、最重要的算法之一。它以概率理论作基础, 运用灰度点运算来实现直方图的变换, 从而达到图像增强的目的。这些方法是不以图像保真为原则的,它们是通过增强处理设法有选择地突出某些对人或机器分析感兴趣地信息,抑制一些无用信息,以提高图像地使有价值。在实际应用中,应针对不同的图像应采用不同的图像增强方法,或同时采用几种适当的增强算法进行实验,从中选出视觉效果较好的、计算不复杂的、又合乎应用要求的一种算法。图像直方图是图像处理中一种十分重要的图像分析工具,它描述了一幅图像的灰度级内容,任何一幅图像的直方图都包含了丰富的信息,它主要用在
11、图象分割,图像灰度变换等处理过程中。从数学上来说图像直方图是图像各灰度值统计特性与图像灰度值的函数,它统计一幅图像中各个灰度级出现的次数或概率;从图形上来说,它是一个二维图,(一般)横坐标表示图像中各个像素点的灰度级,纵坐标为各个灰度级上图像各个像素点出现的次数或概率,它是图像最基本的统计特征。在实际应用中,有时并不需要图像有整体的均匀分布直方图,而是希望有目的地增强某个灰度级分布范围内的图像。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,它是以累计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。1.2国内外研究现状图
12、像增强技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就,属于这些领域的有航空航天、生物医学工程、工业检测、机器人视觉、军事制导、文化艺术等,使图像增强处理成为一门引人注目、前景远大的新兴学科。随着图像增强处理技术的深入发展,从70年代中期开始,随着计算机技术和人工智能、思维科学研究的迅速发展,图像增强处理向更高、更深层次发展。很多国家,特别是发达国家投入更多的人力、物力到这项研究,取得了不少重要的研究成果。而在我国,随着医学技术以及计算机技术的高速发展,在图像增强领域也得了丰硕的成果。与此同时,图像处理技术在许多应用领域受到广泛重视并取得了重大的开拓性成就,属于这些领域的有航空航天,生物
13、医学工程,工业检测,机器人视觉,公安司法,军事制导,文化艺术等,使得图像处理成为一门引人注目,前景远大的新型学科。在飞机遥感和卫星遥感技术中,要对大量的空中摄像得来的照片进行处理分析,以前需要雇用几千人,而现在改用配备有高级计算机的图像处理系统来判读分析,既节省人力,又加快了速度,还可以从照片中提取人工所不能发现的大量有用情报。 在军事方面图像处理和识别主要用于导弹的精确制导,各种侦察照片的判读,具有图像传输,飞机,坦克和军舰模拟训练系统等;在公共安全方面,图像处理技术可用于指纹识别,人脸面部鉴别,不完整图片的复原,以及交通监控,事故分析等。目前已投入运行的高速公路不停车自动收费系统中的车辆和
14、车牌的自动识别都是图像处理技术成功应用的例子;在文化艺术方面,目前图像技术的应用有数字图像艺术创作,动画制作,游戏,工艺美术设计,文物资料照片的复制和修复等等,以至于现在已逐渐形成一门新的艺术计算机美术。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。它是以累计分布函数变换为基础的直方图修正法,可以产生一副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,在航天和航空技术,生物医学工程,通信工程,工业和工程,军事公安,文化艺术等方面均有广泛的应用。第2章 图像的基本理论2.1 数字图像的基本概念通常获得的图像不能直接用计算机进行
15、处理,在进行处理前必须先转换为数字图像。数字化的过程包括3个步骤:扫描、采样和量化。从计算机的角度来看数字图像可看作为对二维函数f(x,y)进行采样和量化即离散处理后得到的图像 。因此,通常会用二维矩阵来表示一幅图像。当一幅图像从物理过程产生时,它的值通常正比于物理源的辐射能量(如电磁波)。因此,f(x,y)一定是非零和有限的。讲一副图像进行数字化将得到一个二维整数矩阵,如式2-1定义了一副大小为M*N的数字图像 (2-1)其中矩阵的每个元素称为图像单位、图像元素或像素。采样采样是用一个网络把待处理的图像覆盖,取每一小格上模拟图像的中点或交叉点处模拟图像的亮度值作为该方格上的值。它对图像空间的
16、离散化决定了图像的空间分辨率。量化将采样后所得的各像素灰度值从模拟量到离散量的转换称为图像灰度的量化。它决定了图像的灰度分辨率。2.1.1 图像增强的基本方法图像增强技术通常有两类方法:空间域方法和频率域方法。空间域增强方法针对像素灰度值直接处理。常见的如灰度变换、图像空域平滑和锐化处理、直方图修正、伪彩色处理等。频率域增强方法则是基于图像的傅里叶变换来增强或抑制所希望的频谱,从而实现对图像频谱的改善。灰度变换灰度变换是图像增强技术中最简单也是最重要的手段之一。灰度变换可扩展图像对比度,获得较为清晰图像。它对输入的像素灰度进行修正,灰度变换可表示为g(x,y)=T(f(x,y) (2-2)其中
17、T表示输入灰度值和输出灰度值之间的函数关系。根据不同的应用要求和函数的性质,可采用下文的灰度变换方法。比例线性灰度变换 对给定的灰度空间,设原图图像f(x,y)的灰度变换范围为a,b,变换后的图像的灰度扩展为c,d,则可采用下式来实现 g(x,y)=(f(x,y)-a)+c (2-3)比例线性灰度变换运算比较简单,它能有效的改变图像视觉效果。分段线性变换分段线性变换在拉伸特征物体的灰度细节和抑制不感兴趣的灰度级时有较好的增强效果,其数学表达式如下; f(x,y) 0f(x,y)a g(x,y) = (f(x,y)-a)+c af(x,y)b (2-4) (f(x,y)-b)+d bf(x,y)
18、e灰度非线性变换 灰度非线性变化是指由g(x,y)=T(f(x,y)一个非线性单值函数所确定的灰常用的有指数变化、对数变化和两者组合变化等。(1)对数变换常用来压缩输入图像中高灰度区的对比度,而拉伸低灰度值。对数变换的一般形式为: (2-5) 公式中c为比例常数。曲线形式如下图所示。图2-1 对数变换(2)指数变换的一般形式为: (2-6) 此处a,b,c是为了调整曲线位置和形状的参数。如下图所示,指数变换主要是压缩低值灰度区域,拉伸高值灰度区域。图2-2 指数变换2.2 MATLAB 简介MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的简称,是美国MathWorks公司出品的
19、商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多,并且math work也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C+ ,JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用,此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序,用户可以直接进行下载就可以用。不仅如此,Matl
20、ab还具有如下优势:(1)友好的工作平台和编程环境:MATLAB由一系列工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件,其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。随着MATLAB的商业化以及软件本身的不断升级,MATLAB的用户界面也越来越精致,更加接近Windows的标准界面,人机交互性更强,操作更简单。而且新版本的MATLAB提供了完整的联机查询、帮助系统,极大的方便了用户的使用。简单的编程环境提供了比较完备的调试系统,程序不必经过编译就可以直接运行,而且能够及时地报告出现的错
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