基于MATLAB的图像处理方法及分析

的图像处理方法及分析

刘翠艳

（天津工业大学，天津

300160）

对其结构、特点及应用做了介绍。重点阐述了多种算法综合运

通过形态学方法进行图像特征提取与分析，利用傅——————————————————————————

—作者简介：刘翠艳，女，天津武清人，本科，研究方向：电子信息科学与技术。

图像信息是人类获得外界信息的主要来源，在近代科学研究、

军事技术、工农业生产、医学、气象及天文学等领域中，人们越来越多地利用图像信息来认识和判断事物，解决实际问题。获得图像信息非常重要，

但目的不仅仅是为了获得图像，而更重要的是将图像信息进行处理，在大量复杂的图像中找出我们所需要的信息。因此图像信息处理在某种意义上讲，比获得图像更为重要。图像处理就是对原始图像进行加工，突出有用信息。

2．图像处理技术概述

利用计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等的理论、

方法和技术称为数字图像处理。(1)图像处理技术的分类

图像处理技术基本可以分成两大类：模拟图像处理和数字图像处理，数字图像处理是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机进行处理的过程。数字图像处理技术的发展涉及信息科学、计算机科学、数学、物理学以及生物学等学科，因此数理及相关的边缘学科对图像处理科学的发展有越来越大的影响。

(2)图像处理方法1）图像数字化

把连续的图像用一组数字表示，便于用计算机分析处理。未经任何处理的图像在空间和时间上是连续的二维函数，在计算机里要先对它进行抽样量化，即变为数字图像，之后才可以进行各种处理。数字图象是一个整数阵列，最基本的表示形式是矩阵。

2）图像压缩

在满足一定的图像质量要求下对图像进行编码，可以压缩表示图像的数据。

所谓数据压缩，就是通过改变信息的表示方式，在有限的信息空间中表示尽可能多的信息。在信息设备容量有限的前提下，通过数据压缩，能够提供更多的信息，更好地满足人们对信息的需求。

3）图像增强

图像增强就是采用一系列技术去增强图像中用户感兴

趣的信息，其目的主要有两个：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。在图像增强中，中值滤波和直方图规定化都是强有力的图像增强方法。

4）图像复原

常用的复原算法有基于同步的结构纹理填充算法，算法包括图像分解、图像润饰和纹理合成这3个主要技术。其算法的实现过程为：首先将图像分解为结构子图和纹理子图；然后两部分子图分别经润饰技术和纹理合成技术修复；最后将重建的两部分子图合并得到完整的新图。

3．M A TLA B 软件简介

MATLAB 是Math works 公司于推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，其全称是Matrix Laboratory ，亦即矩阵实验室，经过多年的逐步发展与不断完善，现已成为国际公认的最优秀的科学计算与数学应用软件之一，是近几年来在国内外广泛流行的一种可视化科学计算软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、

界面友好的用户环境，而且还具有可扩展性特征。用MATLAB 对图像进行处理是当前科技领域的一个重要的课题，它是用一组有序的灰度或彩色数据元素构成图像，数组的每一个元素对应于图像的一个像素值。这样MATLAB 就可以利用其强大的矩阵计算功能实现对图像的数字处理。

MATLAB 的图像处理功能主要集中在图像处理工具箱(Image Processing Toolbox)中，图像处理工具箱是由一系列支持图像处理操作的函数组成，可以进行诸如几何操作、线性滤波和滤波器设计、图像变换、图像分析与图像增强、二值图像操作以及形态学处理等图像处理操作。开发的基于MATLAB 的图像增强处理系统利用了该工具箱中的这些复杂函数，进行算法融合，能够满足防空武器系统环境下对图像增强处理的特殊需要。

MATLAB 提供了图像文件读入函数imread （），可用它来读入BMP 、HDF 、JPEG 、PCX 、TIFF 、XWD 等格式图像文件。MATLAB 还提供了imwrite

（）图像写出函数。显示图像—84—

函数有image （）、imshow （）等。4．图像处理技术的分析

.

图像处理的过程是一个将多种算法综合运用的过程，任

何单独算法都不是完美的，多种算法的结合才能够相互取长补短从而弥补不足，达到更好的处理效果。

(1)直方图规定化和维纳滤波综合算法。

直方图规定化是针对直方图均衡化不能控制变换后的直方图而且不具备交互作用的特性，将直方图变换成为某个特定的形状，如指数、对数、双曲等，有选择地增强某个灰度值范围的对比度，从而使得直方图修正更具灵活性。而维纳滤波是一种自适应滤波技术，该技术根据图像的局部方差来调整滤波器的输出，当局部方差大时，滤波器的平滑效果较小；当局部方差小时，滤波器平滑效果强。维纳滤波具有很好的选择性，可以更好地保存图像的边缘和高频细节信息，而且使用起来非常方便。将这两种算法的结合起来对图像进行增强处理，可明显提高图像对比度，减小干扰、增强目标边缘，从算法的角度看，该方法对目标特征的提取更为有利。在MATLAB 后台程序中，通过使用Global 全局变量在直方图规定化处理函数histeq ()和维纳滤波处理函数wiener2（）之间传递图像矩阵，各处理函数的参数采用交互的方式，使用户可以根据图像特点进行灵活设置。如下图所示：

(2)用形态学方法进行图像处理与分析

以下介绍用形态学方法对灰度图像进行处理与分析的技术要点，即对灰度图像进行如下操作：去除图像的不均匀背景；用设置阈值的方法(thresholding)将结果图像转换成二值图像；通过成分标记(components labeling)返回图像中的目标对象属性，并计算目标对象的统计数字特征。其算法步骤描述如下：

1)用工具箱函数imread （）和imshow （）读取和显示8位灰度图。

2)用形态学开运算(Morphological Opening)估计背景。通过调用imopen

（）并对输入图像I 执行形态学开运算，取半径为15的圆盘结构元素，且结构元素通过函数strel （）建立。形态学开运算有消除不能完全包含在半径为15的圆盘内的目标对象的作用。

3)用surf 指令察看背景图像。用Surf 指令创建近似背景的彩色表面图，使人可以看到在一个矩形区域上的数学函数特征。在表面图中，[0，0]表示原点，或图像左上角，曲

4)像算术函数5)imadjust high]和top 值，并将6)im2bw 7)受一个二值图像和指定各目标对象的连通性的值(4或8，表示4或8连通)作为输入。

8)查看标记矩。看bwlabel 产生得标记的近似形状是有用的。调用imcrop 并用鼠标选择包含某一目标对象的一部分及其一些背景的部分图，则所选部分图的像素值会在MATLAB 窗口中返回。若查看上面的结果，你会看到一个对象的一角标以某数字标记k ，这意味着它是第k 个被bwlabel 分类的目标对象。imcrop 函数也可带矢量指定剪裁矩形的坐标。

(3)傅立叶变换

在MATLAB 中，

一般用二元函数f(x ，y)作为图像的数学表示。f(x ，y)表示在特定点（x ，y ）处的函数值，表示图像在该点相应的颜色强度或者灰度。所谓图像变换就是指把图像转换为另一种数学表示方式的操作。在图像处理技术中，图像的正交变换技术有着广泛的应用，是图像处理的重要工具。通过变换图像，

改变图像的表示域及表示数据，可以给后续工作带来极大的方便。例如，傅立叶变换可使处理分析在频域中进行，使运算简单；而离散余弦变换（DCT ）可使能量集中在少数数据上，从而实现数据压缩，便于图像传输和存储。

傅立叶变换是一种常用的正交变换，它的理论完善，应用程序多。在图像处理应用领域，傅立叶变换起着非常重要的作用，可用它完成图像分析、图像增强及图像压缩等工作。

假设f(m ，n)是一个包含两个离散空间变量m 和n 的函数，则该函数的二维傅立叶变换定义如下：

F(ω1，ω2)=ω

Σω

Σf(m ，n)e

－j ω1m

e

－j ω2m

式中，ω1，ω2频域变量，其单位为弧度/采样单元。通常函数F(ω1，

ω2)称为函数f （m ，n ）的频域表示。F(ω1，ω2)为复变函数，其变量ω1，ω2的周期均为2蒹。因为这种周期性得存在，所以通常在显示图像时，这两个变量的取值范围－π≤ω1，ω1≤π。

傅里叶反变换定义如下：f(m ，n)=14π

2

π－

π乙π

－

π乙F(ω1

，

ω2

)e j ωm1

e

j ωm2

d ω1d ω2

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Mathod and Anysis Based on MATLAB

Liu

Cuiyan

(Tianjin Polytechnic University ，Tianjin 300160)

【Abstract 】The paper presents a digital image processing environment which is based on MATLAB ，and introduce its structure ，

characteristics and application ．It focuses on the comprehensive using of a variety of algorithms to solve image processing problems in specific application environment ，such as using histogram equalization for image enhancement ，using the morphological approach for image feature extraction and analysis ，

using fourier transform for analysis image and so on ．【Keywords 】MATLAB ；image processing ；algorithms

———————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————（上接第73页）

。

参考文献：

[1]罗军辉等．MATLAB7.0在图像处理中的应用[M]．北京：机械工业出版社，2005．

[2]张宜华．精通MATLAB5[M]．北京：清华大学出版社，1999．[3]陈杨，陈荣娟，郭颖辉．MATLAB6.X 图形编程与图像处理[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2002．

[4]张志涌．精通MATLAB6.5版[M]．北京航空航天大学出版社，

2003．A Particle Swarm Optimization Algorithm with Nonlinear Function

Zhu Jiayu

(Guangzhou University ，Guangzhou 510006，Guangdong)

【Abstract 】To overcome the problems of the particle swarm optimization (PSO)，such as relapsing into local extremum in the be-

ginning stage of evolution ，slow convergence and low convergence precision in the late stage ，we propose a particle swarm optimiza-tion algorithm with nonlinear function (nfPSO)．The nfPSO algorithm uses a nonlinear function of evolution iteration to control the inertia weight and accelerate coefficient ．The experiment results demonstrate that the proposed algorithm is better in the convergence velocity and precision ．

【Keywords 】particle swarm optimization ；nonlinear function ；acceleration coefficient ；inertia weight

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