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1、数字图像处理数字图像处理数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系第三章第三章 亮度变换与空间滤波亮度变换与空间滤波数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系本章主要内容本章主要内容n n图像增强的方法分两大类：图像增强的方法分两大类：图像增强的方法分两大类：图像增强的方法分两大类：空间域方法空间域方法空间域方法空间域方法频域方法频域方法频域方法频域方法n n本章主要讨论空间域图像增强的方法及其本章主要讨论空间域图像增强的方法及其本章主要讨论空间域图像增强的方法及其本章主要讨论空间域图像增强的方法及其MATLABMATLAB实现；实现；实现；实现；n n空间
2、域图像增强方法空间域图像增强方法空间域图像增强方法空间域图像增强方法亮度变换亮度变换亮度变换亮度变换直方图处理直方图处理直方图处理直方图处理空间滤波（邻域处理或空间卷积）空间滤波（邻域处理或空间卷积）空间滤波（邻域处理或空间卷积）空间滤波（邻域处理或空间卷积）2数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1 背景知识背景知识n n空间域技术空间域技术空间域技术空间域技术n n空间域技术直接对图像的像素进行处理空间域技术直接对图像的像素进行处理空间域技术直接对图像的像素进行处理空间域技术直接对图像的像素进行处理.3数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3
3、.1 背景知识背景知识n n点的邻域点的邻域点的邻域点的邻域定义一个点定义一个点定义一个点定义一个点(x x,y y)的邻的邻的邻的邻域的主要方法是利用中域的主要方法是利用中域的主要方法是利用中域的主要方法是利用中心在心在心在心在(x,y)(x,y)点的正方形点的正方形点的正方形点的正方形或矩形子图像或矩形子图像或矩形子图像或矩形子图像如如如如1 111邻域邻域邻域邻域,33,33邻域邻域邻域邻域,5555邻域邻域邻域邻域4数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1 背景知识背景知识空间域技术空间域技术空间域技术空间域技术n空间域技术直接对图像的像素进行处理空间域技术直
4、接对图像的像素进行处理.n空间域处理可定义为空间域处理可定义为g(x,y)=T f(x,y)其中其中,f(x,y)为输入图像为输入图像,g(x,y)为输出图像为输出图像(处理后处理后),T 是对图像是对图像 f 进行处理的操作符进行处理的操作符.n亮度变换亮度变换:变换变换T 对单点操作对单点操作 处理后图像在点处理后图像在点(x0,y0)的像素值的像素值g(x0,y0)只与原始图像在只与原始图像在点点(x0,y0)的像素值的像素值f(x0,y0)有直接关系有直接关系,与原始图像在其与原始图像在其他点的像素值无关他点的像素值无关.如如g(x0,y0)=a f(x0,y0)2+b f(x0,y0
5、)+cn亮度变换可写成亮度变换可写成:s=Ts=T r r 其中其中r为为f(x,y)的亮度值的亮度值,s为为g(x,y)的亮度值的亮度值5数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.1 背景知识背景知识空间域技术空间域技术空间域技术空间域技术n空间滤波空间滤波:利用利用(x,y)的一个小邻域的一个小邻域(如如33邻域邻域,称为模板称为模板),对对T 进行操作进行操作.此时此时,处理后图像在某点处理后图像在某点(x0,y0)的像素值的像素值g(x0,y0)不仅不仅与与原始图像在点原始图像在点(x0,y0)的像素值的像素值f(x0,y0)有直接关系有直接关系,与原与原始图像在
6、点始图像在点(x0,y0)附近其他点的像素值附近其他点的像素值也有也有直接关系直接关系.如如下式下式n直方图方法直方图方法:利用图像亮度值的统计信息进行处理利用图像亮度值的统计信息进行处理.6数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 亮度变换函数亮度变换函数一些基本灰度变换一些基本灰度变换一些基本灰度变换一些基本灰度变换7数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 亮度变换函数亮度变换函数一些基本灰度变换一些基本灰度变换n n图像反转图像反转图像反转图像反转对灰度范围为对灰度范围为对灰度范围为对灰度范围为0,L-10,L-1的图像，表达式为的图
7、像，表达式为的图像，表达式为的图像，表达式为s=L-1-rs=L-1-rn n对数变换对数变换对数变换对数变换s=s=c clog(1+r)log(1+r)n n幂次变换幂次变换幂次变换幂次变换s=s=c cr r n n对比拉伸对比拉伸对比拉伸对比拉伸 s=T(r)=s=T(r)=1+(m/r)E18数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 亮度变换函数亮度变换函数3.2.1 函数函数imadjustn n语法语法语法语法g=imadjust(f,low_in,high_in,low_out,high_out,gamma)g=imadjust(f,low_in,hi
8、gh_in,low_out,high_out,gamma)n n说明说明说明说明low_in,high_inlow_in,high_inlow_out,high_outlow_out,high_outgammagamman n例例例例3.1 3.1 使用函数使用函数使用函数使用函数imadjustimadjust9数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 亮度变换函数亮度变换函数3.2.2 对数和对比度拉伸变换对数和对比度拉伸变换n对数变换对数变换S=T(r)=clog(1+r)例例3.2 使用对数变换减少动态范围使用对数变换减少动态范围n n对比拉伸对比拉伸对比拉伸
9、对比拉伸 s=T(r)=s=T(r)=g=1./(1+(m./(double(f)+eps).E)g=1./(1+(m./(double(f)+eps).E)1+(m/r)E110数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.2 亮度变换函数亮度变换函数3.2.3 亮度变换的一些实用亮度变换的一些实用M函数函数n n处理可变数量的输入和处理可变数量的输入和处理可变数量的输入和处理可变数量的输入和/或输出或输出或输出或输出函数函数函数函数narginnargin和和和和nargoutnargout函数函数函数函数nargchknargchk变量变量变量变量vararginvar
10、argin和和和和varargoutvarargoutn n一个实现多种亮度变换的一个实现多种亮度变换的一个实现多种亮度变换的一个实现多种亮度变换的MM函数函数函数函数changeclasschangeclassintransintrans例例例例3.3 3.3 函数函数函数函数intransintrans的使用和说明的使用和说明的使用和说明的使用和说明n n 亮度标度的亮度标度的亮度标度的亮度标度的MM函数函数函数函数gscalegscale11数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.3 直方图处理与函数绘图直方图处理与函数绘图3.3.1 生成并绘制图像的直方图生成并
11、绘制图像的直方图直方图直方图直方图直方图:h(r:h(rk k)=n)=nk k归一化直方图归一化直方图归一化直方图归一化直方图:p(r:p(rk k)=h(r)=h(rk k)/n=n)/n=nk k/n/n函数函数函数函数imhist:imhist(f,b)imhist:imhist(f,b)函数函数函数函数plot:plot(horz,v,plot:plot(horz,v,colorcolor_linestyle_mark)_linestyle_mark)例例例例3.4 3.4 计算并绘制图像的直方图计算并绘制图像的直方图计算并绘制图像的直方图计算并绘制图像的直方图函数函数函数函数bar
12、:bar:axis,set,xlabel,ylabel,text,title,xlim,ylimaxis,set,xlabel,ylabel,text,title,xlim,ylim函数函数函数函数stemstem12数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.3 直方图处理与函数绘图直方图处理与函数绘图n函数函数plot:plot(horz,v,color_linestyle_mark)n函数函数bar:bar(horz,v,width)n函数函数stem:stem(horz,v)n函数函数axis:axis(horzmin horzmax vertmin vertmax
13、)n函数函数xlabel:xlabel(textstring,fontsize,size)n函数函数ylabel:ylabel(textstring,fontsize,size)n函数函数text:text(xloc,yloc,textstring,fontsize,size)n函数函数title:title(titlestring)n函数函数set:set(gca,xtick,0:50:255)n函数函数set:set(gca,ytick,0:50:255)n函数函数ylim(auto),ylim(ymin,ymax)n函数函数xlim(auto),xlim(xmin,xmax)13数字图像
14、处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.3 直方图处理与函数绘图直方图处理与函数绘图3.3.2 直方图均衡化直方图均衡化函数函数函数函数histeq:histeq(f,nlev)histeq:histeq(f,nlev)例例例例3.5 3.5 直方图均衡化直方图均衡化直方图均衡化直方图均衡化3.3.2 直方图匹配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。生成具有指定直方图的图像的方法称为直方图匹配。生成具有指定直方图的图像的方法称为直方图匹配。生成具有指定直方图的图像的方法称为直方图匹配。函数函数函数函数histeq:imhist(f,hspec)histeq:i
15、mhist(f,hspec)例例例例3.6 3.6 直方图匹配直方图匹配直方图匹配直方图匹配14数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.4 空间滤波空间滤波n空间滤波（邻域处理）空间滤波（邻域处理）(1)定义中心点定义中心点(x,y);(2)对预先定义的以对预先定义的以(x,y)为中心点的邻域内的像素进行运算为中心点的邻域内的像素进行运算;(3)令运算结果为该点处处理的响应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对图像中的每个点重复(1)(3)步骤步骤.n n空间滤波的分类：空间滤波的分类：空间滤波的分类：空间滤波的分类：线性空间滤波线性空间滤波线性空间
16、滤波线性空间滤波,对邻域中像素的计算为对邻域中像素的计算为对邻域中像素的计算为对邻域中像素的计算为线性运算线性运算线性运算线性运算.如均如均如均如均值滤波等值滤波等值滤波等值滤波等.非线性空间滤波非线性空间滤波非线性空间滤波非线性空间滤波,对邻域中像素的计算为对邻域中像素的计算为对邻域中像素的计算为对邻域中像素的计算为非线性运算非线性运算非线性运算非线性运算.如如如如统计排序滤波等统计排序滤波等统计排序滤波等统计排序滤波等15数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系w(-1,-1)w(-1,0)w(-1,1)w(0,-1)w(0,0)w(0,1)w(1,-1)w(1,0)w
17、(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)图像图像图像图像f f(x,yx,y)yx滤波器滤波器滤波器滤波器掩模掩模掩模掩模滤波掩模滤波掩模滤波掩模滤波掩模核核核核,模板模板模板模板窗口窗口窗口窗口16数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.4 空间滤波空间滤波n n3.4.1 3.4.1 线性空间滤波线性空间滤波线性空间滤波线性空间滤波n n工具箱中实现线性滤波的函数工具箱中实现线性滤波的函数工具箱中实现线性滤波的函数工具箱中实现线性滤波的函数i
18、mfilterimfilterg=imfilter(f,w,filtering_mode,boundary_options,size_options)g=imfilter(f,w,filtering_mode,boundary_options,size_options)filtering_mode:filtering_mode:corr(corr(默认值默认值默认值默认值),conv),convboundary_options:boundary_options:P(P(默认值为默认值为默认值为默认值为0),replicate,symmetric,circular0),replicate,sym
19、metric,circularsize_options:size_options:full,same(full,same(默认值默认值默认值默认值)例例例例3.7 3.7 使用函数使用函数使用函数使用函数imfilterimfilter17数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.4 空间滤波空间滤波3.4.2 3.4.2 非线性空间滤波非线性空间滤波非线性空间滤波非线性空间滤波pp非线性滤波也是基于邻域操作的非线性滤波也是基于邻域操作的非线性滤波也是基于邻域操作的非线性滤波也是基于邻域操作的,通过定义一个通过定义一个通过定义一个通过定义一个m*nm*n的邻的邻的邻的邻,
20、以其中心点滑过一幅图像的方式进行操作以其中心点滑过一幅图像的方式进行操作以其中心点滑过一幅图像的方式进行操作以其中心点滑过一幅图像的方式进行操作.pp线性空间滤波基于计算乘积之和（一个线性表达式）线性空间滤波基于计算乘积之和（一个线性表达式）线性空间滤波基于计算乘积之和（一个线性表达式）线性空间滤波基于计算乘积之和（一个线性表达式）pp非线性空间滤波则基于非线性操作（非线性表达式）非线性空间滤波则基于非线性操作（非线性表达式）非线性空间滤波则基于非线性操作（非线性表达式）非线性空间滤波则基于非线性操作（非线性表达式）pp工具箱提供两个执行常规非线性滤波的函数工具箱提供两个执行常规非线性滤波的函
21、数工具箱提供两个执行常规非线性滤波的函数工具箱提供两个执行常规非线性滤波的函数:函数函数函数函数nlfilternlfilter和和和和函数函数函数函数colfiltcolfiltn n函数函数函数函数nlfilternlfilter直接执行二维操作直接执行二维操作直接执行二维操作直接执行二维操作n n函数函数函数函数colfiltcolfilt以列的形式组织数据以列的形式组织数据以列的形式组织数据以列的形式组织数据n n函数函数函数函数colfiltcolfilt占用更多的内在占用更多的内在占用更多的内在占用更多的内在,但执行比但执行比但执行比但执行比函数函数函数函数nlfilternlfi
22、lter18数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.4 空间滤波空间滤波函数函数函数函数nlfilternlfilter Perform general sliding-neighborhood operationspSyntax B=nlfilter(A,m n,fun)pDescription B=nlfilter(A,m n,fun)applies the function fun to each m-by-n sliding block of A.fun is a function that accepts an m-by-n matrix as input a
23、nd returns a scalarscalar result.fun must be a function handle.19数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.4 空间滤波空间滤波函数函数colfiltg=colfilt(f,m,n,block_type,fun,parameters)pblock_type:nsliding 表示处理过程是在输入图像中逐个像素地滑表示处理过程是在输入图像中逐个像素地滑动该动该m*n区域区域.n distinct 表示处理过程是在输入图像中互不相交的表示处理过程是在输入图像中互不相交的m*n块块进行进行.pfun引用一个函数引用
24、一个函数,符号符号称为函数句柄称为函数句柄,它是它是MATLAB数据数据类型类型.n函数函数fun必须分别对矩阵的每一列进行操作必须分别对矩阵的每一列进行操作.pparameters表示函数表示函数fun可能需要的参数可能需要的参数.20数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.4 空间滤波空间滤波pp在使用在使用在使用在使用colfiltcolfilt时，在进行滤波之前，输入图像必须经过填时，在进行滤波之前，输入图像必须经过填时，在进行滤波之前，输入图像必须经过填时，在进行滤波之前，输入图像必须经过填充。可使用函数充。可使用函数充。可使用函数充。可使用函数padarra
25、ypadarray:pppadarraypadarray函数函数函数函数fpfp=padarray(fpadarray(f,padsizepadsize,padvalpadval,direction),direction)padsizepadsize r,cr,c（r r行行行行,c,c列）列）列）列）padvalpadval P(P(默认值为默认值为默认值为默认值为0),replicate,symmetric,0),replicate,symmetric,circularcirculardirection direction pre,post,both(pre,post,both(默认值默认
26、值默认值默认值)pp例例例例3.8 3.8 使用函数实现非线性空间滤波使用函数实现非线性空间滤波使用函数实现非线性空间滤波使用函数实现非线性空间滤波n nprod(aprod(a),prod(a,1):a),prod(a,1):a的列元素积的列元素积的列元素积的列元素积,结果为一行结果为一行结果为一行结果为一行.n nprod(a,2):aprod(a,2):a的行元素积的行元素积的行元素积的行元素积,结果为一列结果为一列结果为一列结果为一列.21数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.5 图像处理工具箱的标准空间滤波器图像处理工具箱的标准空间滤波器3.5.1 3.5.
27、1 线性空间滤波器线性空间滤波器线性空间滤波器线性空间滤波器用于生成滤波掩模用于生成滤波掩模用于生成滤波掩模用于生成滤波掩模w w的函数的函数的函数的函数fspecialfspecial的语法的语法的语法的语法w=fspecial(type,parameters)w=fspecial(type,parameters)表表表表列出函数列出函数列出函数列出函数fspecailfspecail支持的空间滤波器类型及参数支持的空间滤波器类型及参数支持的空间滤波器类型及参数支持的空间滤波器类型及参数例例例例3.9 3.9 使用函数使用函数使用函数使用函数例例例例3.10 3.10 手工指定滤波器和增强技
28、术的比较手工指定滤波器和增强技术的比较手工指定滤波器和增强技术的比较手工指定滤波器和增强技术的比较22数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系表表表表列出函数列出函数列出函数列出函数fspecailfspecail支持的空间滤波器类型及参数支持的空间滤波器类型及参数支持的空间滤波器类型及参数支持的空间滤波器类型及参数类型类型类型类型函数与参数函数与参数函数与参数函数与参数averagediskguassianlaplacianlogmotion prewittsobelunsharpfspecial(average,r,c)大小为大小为rc矩形平均值滤波器矩形平均值滤波器(
29、33)fspecial(disk,r)半径为半径为r的圆形平均值滤波器的圆形平均值滤波器(r=5)fspecial(guassian,r,c,sig)为为rc高斯低通滤波器高斯低通滤波器(33,0.5)fspecial(laplacian,alpha)为为33拉普拉斯滤波器拉普拉斯滤波器(0 1,0.5)fspecial(log,r,c,sig)为为rc高斯高斯-拉普拉斯滤波器拉普拉斯滤波器(55,0.5)fspecial(motion,len,theta)len个像素线性运动个像素线性运动,运动方向为运动方向为theta的滤波器的滤波器(9,0),size=1,9fspecial(prewi
30、tt)大小为大小为33的的Prewitt滤波器滤波器wv,wh=wvfspecial(sobel)大小为大小为33的的Sobel滤波器滤波器sv,sh=svfspecial(unsharp,alpha)大小为大小为33的非锐化滤波器的非锐化滤波器(0 1,0.2)23数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.5 图像处理工具箱的标准空间滤波器图像处理工具箱的标准空间滤波器因而有因而有:函数函数 f(x,y)的拉普拉斯算子定义为的拉普拉斯算子定义为二阶导数的通用数字近似为二阶导数的通用数字近似为和和24数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.5 图像
31、处理工具箱的标准空间滤波器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)w=fspecial(laplacian,alpha)实现一实现一实现一实现一个更为常见的拉普拉斯算子掩模。个更为常见的拉普拉斯算子掩模。个更为常见的拉普拉斯算子掩模。个更为常见的拉普拉斯算子掩模。25数字图像处理数字图像处理计算机科学与工程系计算机科学与工程系3.5 图像处理工具箱的标准空间滤波器图像处理工具箱的标准空间滤波器3.5.2 3.5.2 非线性空间滤波器非线性空间滤波器非线性空间滤波器
32、非线性空间滤波器IPTIPT用于生成非线性滤波的一个工具函数用于生成非线性滤波的一个工具函数用于生成非线性滤波的一个工具函数用于生成非线性滤波的一个工具函数ordfilt2,ordfilt2,它可以生它可以生它可以生它可以生成统计排序滤波器，其语法：成统计排序滤波器，其语法：成统计排序滤波器，其语法：成统计排序滤波器，其语法：g=ordfilt2(f,order,domain)g=ordfilt2(f,order,domain)最小滤波器最小滤波器最小滤波器最小滤波器:g=ordfilt2(f,1,:g=ordfilt2(f,1,ones(m,nones(m,n)最大滤波器最大滤波器最大滤波器
33、最大滤波器:g=ordfilt2(f,m*n,:g=ordfilt2(f,m*n,ones(m,nones(m,n)中值滤波器中值滤波器中值滤波器中值滤波器:g=ordfilt2(f,median(1:m*n),:g=ordfilt2(f,median(1:m*n),ones(m,nones(m,n)g=medfilt2(f,m,n,g=medfilt2(f,m,n,padoptpadopt)m,n:m,n:滤波器的滤波器的滤波器的滤波器的size,size,默认值为默认值为默认值为默认值为33padoptpadopt:zeros(:zeros(默认值默认值默认值默认值),symmetric,),symmetric,indexedindexed例例例例3.11 3.11 使用函数使用函数使用函数使用函数medfilt2medfilt2进行中值滤波进行中值滤波进行中值滤波进行中值滤波26