MATLAB图像处理基础

MATLAB图像处理基础2.2.1图像文件格式及图像类型1．MATLAB支持的几种图像文件格式：⑴JPEG（JointPhotogyaphicExpeytsGroup）：一种称为联合图像专家组的图像压缩格式。⑵BMP（WindowsBitmap）：有1位、4位、8位、24位非压缩图像，8位RLE（RunlengthEncoded）的图像。文件内容包括文件头（一个BITMAPFILEHEADER数据结构）、位图信息数据块（位图信息头BITMAPINFOHEADER和一个颜色表）和图像数据。⑶PCX（WindowsPaintbrush）：可处理1位、4位、8位、16位、24位等图像数据。文件内容包括文件头、图像数据和扩展色图数据。⑷TIFF（TaggedIamgeFileFormat）：处理1位、4位、8位、24位非压缩图像，1位、4位、8位、24位packbit压缩图像，1位CCITT压缩图像等。文件内容包括文件头、参数指针表与参数域、参数数据表和图像数据四部分。⑸PNG（PortableNetworkGraphics）：包括1位、2位、4位、8位和16位灰度图像，8位和16位索引图像，24位和48位真彩色图像。⑹GIF（GraphicsInterchangeFormat）：任何1位到8位的可交换的图像。⑺HDF（HierarchialDataFormat）：有8位、24位光栅图像数据集。⑻ICO（WindowsIconresource）：有1位、4位、8位非压缩图像。⑼CUR（WindowsCursorresource）：有1位、4位、8位非压缩图像。⑽XWD（XWindowsDump）：包括1位、8位Zpixmaps，XYBitmaps，XYPixmmmaps。⑾RAS（SunRasterimage）：有1位bitmap、8位索引、24位真彩色和带有透明度的32位真彩色。⑿PBM（PortableBitmap）。⒀PGM（PortableGraymap）。⒁PPM（PortablePixmap）。2．MATLAB支持五种图像类型，即二值图像、索引图像、灰度图像、RGB图像和多帧图像阵列。有关它们的定义见下表2.1。表2.1图像类型及其对应的像素数据类型图像类型Double数据uint8和uint16数据二值图像图像为m×n的整数矩阵，元素值范围[0,1]图像为m×n的整数矩阵，元素值范围[0,1]索引图像图像为m×n的整数矩阵，元素值范围[0,p]图像为m×n的整数矩阵，元素值范围[0,p-1]灰度图像图像为m×n的浮点数矩阵，元素值范围[0,1]图像为m×n的整数矩阵，元素值范围[0,255]或[0,65535]RGB图像图像为m×n×3的浮点数矩阵，元素值范围[0,1]图像为m×n×3的整数矩阵，元素值范围[0,255]或[0,65535]其中，多帧图像阵列是由多帧图像组成的，每一帧图像可以为前四种图像中的一种，但组成一个多帧图像阵列的图像必须为同一种。cat函数可以将具有相同尺寸的几个独立图像存成多帧文件。对于多帧图像也可以从中提取单帧。2.2.2图像类型判断及转换1．在MATLAB中如果要判断一个图像文件的类型，可使用如下指令：lisbw：若图像为二值图像，则返回真。lisgray：若图像为灰度图像，则返回真。lisind：若图像为索引图像，则返回真。lisrgb：若图像为RGB图像，则返回真。2．在MATLAB系统中，要将一个类型的图像文件转换成另一个类型的图像文件，只需将前一个文件的图像数据用imread读出，再用imwrite以适当的格式写到后一个图像文件中去即可。另外，要将灰度图像I转换成RGB图像，可运用cat指令。cat函数可以把一些单一的图像合并成图像序列。在图像序列中每个图像需有相同的大小，如果是索引图像，色图也要一致。此外，MATLAB还提供了若干函数，用于图像类型的转换。这些函数有：ldither：用抖动法（dithering）转换图像。该函数通过颜色抖动（颜色抖动即改变边沿像素的颜色，使像素周围的颜色近似于原始图像的颜色，从而以空间分辨率来换取颜色分辨率）来增强输出图像的颜色分辨率。该函数可以把RGB图像转换成索引图像或把灰度图像转换成二值图像。lgray2ind：灰度图像或二值图像向索引图像转换。lgrayslice：设定阈值将灰度图像转换为索引图像。lim2bw：设定阈值将灰度、索引、RGB图像转换为二值图像。lim2double：将图像数组转换为double型。lim2uint8：将图像数组转换为uint8型。lim2uint16：将图像数组转换为uint16型。该函数不支持二值图像序列的转换。lind2gray：索引图像向灰度图像转换。lind2rgb：索引图像向RGB图像转换。lmat2gray：将一个数据矩阵转换为灰度图像。lrgb2gray：RGB图像向灰度图像转换或将彩色色图转换成灰度色图。lrgb2ind：RGB图像向索引图像转换。包含三种不同方法：均衡量化、最小值量化、色图映射。lim2java：一般图像向Java图像转换。llabel2rgb：标志图像向RGB图像转换。2.2.3图像的查询及读写在MATLAB中要查询一个图像文件的信息，只要用imfinfo指令加上文件及其完整路径名即可。函数调用格式为：info=imfinfo(filename,fmt)info=imfinfo(filename)参数fmt对应于所有图像处理工具箱中所有支持的图像文件格式。MATLAB提供了两个重要的用于图像文件的读写的指令，分别是从图像文件中读取数据的imread，以及将数据写入到图像文件中的imwrite。1．imread的常见调用格式为：A=imread(filename,fmt)其作用是将文件名用字符串filename表示的，扩展名用fmt表示的图像文件中的数据读到矩阵A中。如果filename所指的为灰度级图像，则A为一个二维矩阵；如果filename所指的为RGB图像，则A为一个m×n×3的三维矩阵。Filename表示的文件名必须在MATLAB的搜索路径范围内，否则需指出其完整路径。imread的其他几种重要的调用格式为：[X,map]=imread(filename.fmt)[…]=imread(filename)[…]=imread(URL,…)[…]=imread(…,idx)(CUR,ICOandTIFFonly)[…]=imread(…,’frames’,idx)(GIFonly)[…]=imread(…,ref)(HDFonly)[…]=imread(…,’BackgroundColor’,BG)(PNGonly)[A,map,alpha]=imread(…)(ICO,CURandPNGonly)上面一些参数的含义如下：idx是指读取图标（cur、ico、tiff）文件中第idx个图像，默认值为1。’frame’,idx是指读取gif文件中的图像帧，idx值可以是数量、向量或’all’。ref是指整数值。alpha是指透明度。2．imwrite的常用调用格式为：imwrite(A,filename,fmt)imwrite(X,map,filename,fmt)imwrite(…,filename)imwrite(…,Param1,Val1,Param2,Val2…)其中imwrite(…,Param1,Val1,Param2,Val2…)可以让用户控制HDF、JPEG、TIFF等一些图像文件格式的输出特性。在MATLAB中，默认的保存类型是uint8。由于PNG和TIFF格式支持16位的图像，所以保存这类图像时，保存类型就是uint16。2.2.4图像的显示显示图像的最基本的手段是使用image函数。该函数还产生了图像对象的句柄，并允许对对象的属性进行设置。此外，imagesc函数也具有image的功能，所不同的是imagesc函数还自动将输入数据比例化，以全色图的方式显示。imshow函数比image和imagesc更常用，它能自动设置句柄图像的各种属性。imshow可用于显示各类图像。对于每类图像，调用方法如下：limshowfilename：显示图像文件。limshow(BW)：显示二值图像，BW为黑白二值图像矩阵。limshow(X,map)：显示索引图像，X为索引图像矩阵，map为色彩图示。limshow(I)：显示灰度图像，I为二值图像矩阵。limshow(RGB)：显示RGB图像，RGB为RGB图像矩阵。limshow(I,[lowhigh])：将非图像数据显示为图像，这需要考虑数据是否超出了所显示类型的最大允许范围，其中[lowhigh]用于定义待显示数据的范围。有关图像显示的函数或其辅助函数，除了上述的以外，MATLAB还提供了一些用于进行图像的特殊显示的函数。lcolorbar：为图像的显示增加一个颜色条，这一用法对于了解被显示图像的灰度级别特别有用。lgetimage：获取图像数据。limmovie：将多帧索引图像制作成连续图像格式。其调用格式为：mov=immovie(D,map)不过这种功能只对索引图像有效，其中D为多帧索引图像阵列，map为索引图像的对应色阶。对于其他类型图像，则需要首先将其转换为索引图像。lmontage：多帧图像的一次显示。它能将每一帧分别显示在一幅图像的不同区域，所有子区的图像都用同一个色彩条。lmovie：播放多帧连续图像。lsubimage：在一个图形区域内显示多个图像。ltruesize：调整图像显示的尺寸。lwarp：显示图像的纹理表面图。前面提到的图像显示手段都只能在二维平面上显示，MATLAB6.5的一个强大功能是能将平面图像显示在空间三维曲面上。这是由warp函数的纹理成图功能来实现的，该功能能通过双线性插值将平面图像投影到三维曲面上。lzoom：将图像或二维图形进行放大或缩小显示。zoom本身是是一个开关键，zoomon用于打开缩放模式，zoomoff用于关闭该模式，zoomin用于放大局部图像，zoomout用于缩小图像。至于多个图像的显示，则可分为两个方面：在不同的图形窗口显示不同的图像，可以用figure指令来实现；在同一个图形窗口显示多图，可以用subplot来实现。第三章图像运算3.1图像的点运算点运算将输入图像映射为输出图像，输出图像每个像素点的灰度值仅由对应的输入像素点的值决定。它常用于改变图像的灰度范围及分布，是图像数字化及图像显示的重要工具。点运算因其作用性质，也被称为对比度增强、对比度拉伸或灰度变换。在真正进行图像处理之前，有时可以用点运算来克服图像数字化设备的局限性。点运算实际上是灰度到灰度的映射过程。点运算不会改变图像内像素点之间的空间关系。设输入图像为A(x,y)，输出图像为B(x,y)，则点运算可表示为：B(x,y)=f[A(x,y)](3-1)点运算可完全由灰度变换（gray-scaletransformation）函数s=f(r)决定，后者描述了输入灰度级与输出灰度级之间的映射关系。图像的点运算分为线性点运算和非线性点运算两种。3.1.1线性点运算线性点运算是指灰度变换函数f为线性函数时的运算。如图3.1，当a＞1时，输出图像对比度增大；当a＜1时，输出图像对比度降低；当a＝1,b＝0时，输出图像就是输入图像的简单复制；当a＝1,b≠0时，仅使输出图像的灰度值上移或下移，其效果是使整个图像更亮或更暗。如果a为负值，暗区域将变亮，亮区域将变暗，点运算完成了图像求补。除了调节对比度以外，还有一种典型的线性点运算的应用就是灰度标准化。设灰度图像为I[W][H]，其中W表示图像宽度，H表示图像的高度，那么灰度图像的平均灰度和方图3.1线性函数差由如下计算公式得到：平均灰度：(3-2)方差：(3-3)可以将其变换为具有相同均值和方差的变换函数（线性映射），其形式如下：(3-4)其中σ0和u0为给定的变换参数。灰度标准化可以用来生成一些常用的平均模型。3.1.2非