江鐵成

(1.安徽大學(xué)藝術(shù)與傳媒學(xué)院，安徽 合肥 230011；2.安徽廣播影視職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230011)

數(shù)字圖像處理是伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及而發(fā)展起來(lái)的一種全新的圖像處理技術(shù)，因此也被稱(chēng)為計(jì)算機(jī)圖像處理，能夠?qū)⒃镜膱D像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后結(jié)合專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)軟件，針對(duì)圖像進(jìn)行各種處理。在發(fā)展初期，圖像處理是為了獲取更加清晰的圖像，其面對(duì)的對(duì)象是人，換言之，就是改善圖像的視覺(jué)效果。而在不斷的發(fā)展過(guò)程中，數(shù)字圖像處理技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，處理的目的也在逐步延伸，可以幫助人們理解圖像中蘊(yùn)含的信息，對(duì)于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、科研乃至日常生活都有著非常重要的作用。

1 MATLAB軟件概述

MATLAB是對(duì)matrix&laboratory的組合縮寫(xiě)，直譯為矩陣實(shí)驗(yàn)室，其開(kāi)發(fā)者是美國(guó)Math Works公司，最初的用途是商業(yè)教學(xué)軟件，可以面對(duì)科學(xué)計(jì)算、交互式程序設(shè)計(jì)以及可視化等高端計(jì)算環(huán)境提供數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析、算法開(kāi)發(fā)等交互式環(huán)境和高級(jí)計(jì)算語(yǔ)言，在實(shí)際應(yīng)用中可以分為MATLAB和Simulink兩個(gè)部分。

就目前而言，MATLAB在教學(xué)軟件領(lǐng)域可謂聲名顯赫，尤其是在教學(xué)類(lèi)科技應(yīng)用軟件中，MATLAB的數(shù)值計(jì)算功能可以說(shuō)是獨(dú)占鰲頭，在工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、圖像處理、信息監(jiān)測(cè)等方面應(yīng)用廣泛[1]。在MATLAB軟件中，矩陣是基本的數(shù)據(jù)單位，其相關(guān)指令的表達(dá)式與工程學(xué)以及數(shù)學(xué)中的常用形式類(lèi)似，因此在對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行解決時(shí)，更加簡(jiǎn)單，也更加快捷。相比較其他同類(lèi)軟件，MATLAB具備相當(dāng)顯著的優(yōu)勢(shì)，一是編程環(huán)境簡(jiǎn)單，便于進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作，而且其本身具備相對(duì)完善的調(diào)試系統(tǒng)，可以不對(duì)程序進(jìn)行編譯，直接在編程環(huán)境下運(yùn)行，同時(shí)也可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的錯(cuò)誤，并且對(duì)錯(cuò)誤的原因進(jìn)行分析；二是應(yīng)用操作簡(jiǎn)單，用戶(hù)可以直接在命令窗口中，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)句輸入與命令執(zhí)行的同步，也可以預(yù)先編寫(xiě)好復(fù)雜的應(yīng)用程序，然后共同運(yùn)行。最新的MATLAB語(yǔ)言是立足C++語(yǔ)言基礎(chǔ)，不僅方便操作使用，而且具備較好的可拓展性和可移植性，可以深入到各個(gè)領(lǐng)域中，發(fā)揮良好的效果；三是處理能力強(qiáng)，MATLAB具備600多個(gè)常用的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，基本上能夠滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)于計(jì)算功能的各種需求，函數(shù)的相關(guān)算法經(jīng)過(guò)了優(yōu)化和容錯(cuò)處理，如果沒(méi)有特殊要求，可以直接替代C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言等，而且編程的工作量會(huì)大大減少[2]。

2 基于MATLAB的數(shù)字圖像處理技術(shù)

利用MATLAB的強(qiáng)大功能，進(jìn)行數(shù)字圖像處理，能夠達(dá)到預(yù)期的效果。以MATLAB 6.x為例，其本身提供了20種不同的圖像處理函數(shù)，基本上實(shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)字圖像處理技術(shù)的全面覆蓋，具有非常強(qiáng)大的數(shù)字圖像處理功能，這里對(duì)幾種比較常見(jiàn)的功能進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

2.1 圖像變換

圖像變換在數(shù)字圖像處理技術(shù)中占據(jù)著非常關(guān)鍵的位置，其應(yīng)用也有著非常廣泛的基礎(chǔ)。通過(guò)圖像變換功能，可以對(duì)圖像的表示數(shù)據(jù)以及表示域進(jìn)行改變，從而為后續(xù)的圖像處理提供便利。圖像變換功能常見(jiàn)于圖像的壓縮、編碼、濾波以及信息提取分析等過(guò)程，例如，結(jié)合傅里葉變換，可以在頻域中運(yùn)行數(shù)據(jù)處理分析功能，對(duì)運(yùn)算進(jìn)行簡(jiǎn)化；利用離散余弦變換，能夠?qū)⒛芰考?，?shí)現(xiàn)對(duì)于數(shù)據(jù)的無(wú)損壓縮，為圖像的傳輸和存儲(chǔ)提供便利[3]。

2.2 類(lèi)型轉(zhuǎn)換

在MATLAB軟件中，支持多種不同的圖像類(lèi)型，如灰度圖像、RGB圖像、索引圖像以及二級(jí)制圖像等，可以滿(mǎn)足數(shù)字圖像處理的各種要求。不過(guò)，在部分圖像處理操作中，對(duì)于圖像的類(lèi)型有著非常嚴(yán)格的限制，當(dāng)原本的圖像無(wú)法滿(mǎn)足圖像處理要求時(shí)，就需要針對(duì)圖像的類(lèi)型進(jìn)行轉(zhuǎn)換[4]。MATLAB圖像處理工具箱中設(shè)置有圖像類(lèi)型轉(zhuǎn)換函數(shù)，可以滿(mǎn)足不同圖像類(lèi)型之間的相互轉(zhuǎn)換，例如，利用rgb2gray()函數(shù)，可以將彩色圖像轉(zhuǎn)化為灰度圖像，利用gray2ind( ) 函數(shù)則能夠?qū)⒒叶葓D像或者二值圖像轉(zhuǎn)化為索引圖像。不過(guò)，在進(jìn)行圖像類(lèi)型的轉(zhuǎn)換操作時(shí)，應(yīng)該注意數(shù)據(jù)類(lèi)型不匹配的問(wèn)題，其可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)化后的圖像失真，或者圖像信息的丟失、損壞。對(duì)此，MATLAB圖像處理工具箱同樣有所考慮，提供了不同數(shù)據(jù)類(lèi)型之間的轉(zhuǎn)換函數(shù)，以解決數(shù)據(jù)類(lèi)型不匹配的問(wèn)題。例如，運(yùn)用double()函數(shù)，借以將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為雙精度的類(lèi)型。

2.3 邊緣檢測(cè)

在圖像處理中，有時(shí)候需要針對(duì)某一個(gè)區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化處理，此時(shí)就需要用到邊緣檢測(cè)技術(shù)，這里的邊緣指的是背景與需要提取的目標(biāo)對(duì)象之間的分界線(xiàn)，只有準(zhǔn)確提取出邊緣，才能實(shí)現(xiàn)背景區(qū)域與目標(biāo)區(qū)域的可靠區(qū)分。邊緣檢測(cè)功能，主要是利用背景與目標(biāo)物體在某一種圖像特征上的差異性來(lái)實(shí)現(xiàn)邊緣的檢測(cè)和提取，這些差異性包括了顏色、灰度、紋理特征等。從本質(zhì)上講，邊緣檢測(cè)就是對(duì)圖像特性出現(xiàn)變化的位置進(jìn)行檢測(cè)，其基本內(nèi)容有兩個(gè)，一是對(duì)能夠反應(yīng)灰度變化的邊緣點(diǎn)進(jìn)行抽取，二是對(duì)部分邊界點(diǎn)或者填補(bǔ)邊界間斷點(diǎn)進(jìn)行剔除，同時(shí)將邊緣連接起來(lái)，形成完整的線(xiàn)條[5]。假定一個(gè)像素處于邊界線(xiàn)上，則其本身所處的領(lǐng)域就會(huì)成為灰度級(jí)變化的地帶，而在這種變化中，最為有用的特征有兩個(gè)，一是灰度的變化率，二是灰度的方向。結(jié)合邊緣測(cè)算子，能夠?qū)γ恳粋€(gè)像素的相鄰域進(jìn)行檢查，同時(shí)衡量灰度變化率，確定灰度的方向，一般情況下，此時(shí)采用的多是基于方向?qū)?shù)掩模求卷積方法。MATLAB圖像處理工具箱提供有edge()函數(shù)，該函數(shù)可以完成對(duì)于prewitt 算子、Robert S 算子、canny算子以及sobel算子等的邊緣檢測(cè)。

2.4 圖像增強(qiáng)

對(duì)于一些信息相對(duì)模糊的圖像，運(yùn)用圖像增強(qiáng)技術(shù)，能夠?qū)ζ渲斜容^重要的信息進(jìn)行突出，弱化或者去除其中的冗余信息，提升圖像的整體質(zhì)量和效果。結(jié)合圖像增強(qiáng)功能，可以在無(wú)視圖像質(zhì)量下降原因的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)多余信息的衰減。通常來(lái)講，圖像增強(qiáng)的方法包括頻率域法和空間域法兩種，頻率域法是指在圖像本身的某一個(gè)變換域內(nèi)，針對(duì)圖像的變換系數(shù)進(jìn)行修正，結(jié)合逆變換，得到增強(qiáng)后的圖像，這種方法屬于一種間接的增強(qiáng)法，包括同態(tài)圖像增強(qiáng)、低通濾波增強(qiáng)等；空間域法是在空間域中，直接針對(duì)圖像的灰度系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和處理，屬于直接增強(qiáng)法，可以分為灰度變換、灰度級(jí)校正以及直方圖修正等[6]。

2.5 圖像縮放

結(jié)合MATLAB圖像處理工具箱，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于郵箱的縮小或者放大操作，這里結(jié)合實(shí)例進(jìn)行討論。假設(shè)存在一個(gè)圖像，其行數(shù)和列數(shù)分別為m、n，從實(shí)際應(yīng)用需求分析，必須圖像進(jìn)行擴(kuò)大處理，擴(kuò)大后的圖像行數(shù)和列數(shù)分別為2m、2n，為了保證擴(kuò)大后圖像的清晰度不會(huì)降低，需要運(yùn)到圖像差值算法。在基于MATLAB的數(shù)字圖像處理中，圖像大小的調(diào)節(jié)可以采用如下方法：

B=im resize(A，scale)

B=im resize(A，scale，method)

B=im resize(A，[mrow sncols])

在該調(diào)節(jié)方法中，A表示對(duì)圖像進(jìn)行縮放的矩陣，scale表示圖像縮放的倍數(shù)，其數(shù)值以1為界限，如果小于1，則為圖像縮小操作，如果大于1，則為圖像擴(kuò)大操作，在該例子中，scale的數(shù)值為2。Method表示圖像縮放的指定效果，能夠采用的算法眾多，包括最近鄰法、雙線(xiàn)性插值法以及雙三次插值法等，[mrow sncols]則代表了指定效果的縮放圖像的行列數(shù)。

3 實(shí)踐應(yīng)用

這里主要結(jié)合灰度直方圖均衡化，對(duì)基于MATLAB的數(shù)字圖像處理技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

均衡量化的自然圖像灰度直方圖一般在低灰度區(qū)間的頻率相對(duì)較大，會(huì)導(dǎo)致圖像中光線(xiàn)較暗的區(qū)域無(wú)法細(xì)節(jié)展示不清晰，無(wú)法對(duì)圖像信息進(jìn)行提取。對(duì)此，可以結(jié)合空間域法中的直方圖修正，使得原圖的灰度分布更加均勻，或者將其灰度集中區(qū)域拉開(kāi)，對(duì)反差進(jìn)行增強(qiáng)，從而使得圖像細(xì)節(jié)的展示更加清晰[7]。直方圖均衡化可以結(jié)合histeq()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體如下：

I=imread(’p4.jpg’)；

J=histeq(I)；

Imshow(I)；

Imshow(J)；

其圖像增強(qiáng)效果見(jiàn)圖1。

注：左邊為原圖，右邊為增強(qiáng)處理后的圖像圖1 直方圖均衡圖像增強(qiáng)技術(shù)的效果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

最近幾年，伴隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字圖像處理技術(shù)受到了越來(lái)越多的重視，在許多新的領(lǐng)域中得到了越發(fā)廣泛的應(yīng)用，開(kāi)始逐漸走入人們的日常工作和生活?；贛ATLAB的數(shù)字圖像處理技術(shù)與常規(guī)數(shù)字處理技術(shù)相比，不僅功能更加完善，而且操作異常簡(jiǎn)單，適用性增強(qiáng)，可以對(duì)原本繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化，在很大程度上推動(dòng)了數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展。

[1] 張煜東,王水花,陳書(shū)文.基于Matlab的數(shù)字圖像處理教學(xué)[J].教育文化論壇,2014,6(3):89-91.

[2] 李晶路.基于MATLAB的數(shù)字圖像處理與分析[J].無(wú)線(xiàn)互聯(lián)科技,2014,(9):82-83.

[3] 郝強(qiáng),趙河明,張毅.基于MATLAB的數(shù)字圖像處理技術(shù)與應(yīng)用[J].河北農(nóng)機(jī),2014,(11):45-46.

[4] 張瑤,劉生輝.基于MATLAB的圖像融合技術(shù)[J].中國(guó)科技信息,2016,(1):55-56.

[5] 蔣慶磊,聶永濤.基于MATLAB的微內(nèi)孔圖像處理技術(shù)的研究[J].河北農(nóng)機(jī),2016,(5):68.

[6] 程小紅.基于MATLAB圖形簡(jiǎn)單處理應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù)(學(xué)術(shù)交流),2013,(15):3610-3613.

[7] 吳東超,崔斌.基于MATLAB的數(shù)字圖像處理方法與實(shí)現(xiàn)[J].中小企業(yè)管理與科技(旬刊),2011,(33):221.