基于MATLAB的简易图像处理系统的设计及实现

TheLudGamer

拟选题目                     基于MATLAB的简易图像处理系统的设计与实现
1.引言
  容提要数字图形图像处理是指采用计算机处理图形图像的技术。近些年随着计算机与信息技术的高速发展，数字图处理技术也得到了快速发展，已成为计算机科学、医学、生物学、信息科学等领域各学科之间学习和研究的对象。成为学术界的研究热门。MATLAB是目前国外广泛流行的数字计算软件。其具有较强的图像处理功能，操作直观，简洁，同时又是一个较好的图像处理系统的开发工具。近些年得到了很大的发展，已经广泛应用于科学计算和工程计算领域。本文基于MATLAB的数字图像处理环境，设计并实现了一个图像处理系统，论述了利用系统进行图像显示、图形绘制及图像处理过程。关键词：数字图像；计算机；MATLAB
2. 图像目编辑软件综述
2.1选题依据及研究意义
随着图像处理的研究逐渐深入，许多问题有待于解决，故对图像处理得需求也进一步增加。图像处理已经逐渐成为一门比较成熟的学科，数字图像处理在整个图像处理领域中占有重要的地位。图像处理中有很多数学公式，目前以数学为工具讲解图像处理的专著也有很多，Matlab主要就是通过程序实现图像处理，而且Matlab不像其他语言实现图像程序设计比较繁琐，它却相对比较简单易懂，很好实现。从本质上说，图像就是函数、矩阵或程序设计中的数组。而Matlab具有强大而方便的数组操作功能，同时又提供了丰富的图像处理函数。
图像信息是人类获得外界信息的主要来源，因为大约有70％的信息是通过人眼获得的，而人眼获得的都是图像信息。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。例如：由于空间技术的发展，人造卫星拍摄了大量的地面和空间的照片，人们可以利用照片获得地球资源、全球气象和污染情况等；在医学上，医生可以通过x射线分析照像，观察到人体各部位的断层图像；在工厂，技术人员可以利用电视图像管理生产，由此可见图像信息的重要性。
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，尤其是在当今科学技术迅速发展的时代，对图像信息处理提出了更高的要求，以便更加快速、准确，可靠地获得有用信息。
MATLAB软件自从20世纪80年代中期推出以来，不断吸收各学科领域权威人士所编写的实用程序，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。由于图像处理技术涉及面广、实用性强，容如此之多，对于初学者来说过于抽象，在短时间学习掌握图像处理知识具有一定难度。因此，应该结合书本理论知识配以相应的实验操作环节，使初学者能在较短的时间系统的、感性的理解和学习图像处理技术的知识。

2.2选题研究现状
目前大量的图像处理软件如PHOTOSHOP，PAINTSHOP等都是基于广告策划和图像修饰处理而设计的应用软件，针对图像处理技术基本知识的理解与掌握以及相关处理方法研究的软件甚少，不适合学习研究使用。随着计算机辅助设计的日益提高和成熟，用于学习与研究的软件也越来越多．如美国Southern Illinois University开发的CVlPtools计算机视觉与图像处理实验软件就是专门针对图像处理技术的实验软件，为初学者提供了一个消化理论知识的实验环境。
CVIPtools计算机视觉与图像处理实验软件，主要用于计算枫数字图像分析和处理，主要宗旨是让图像处理的初学者、学生、老师和其它研究人员探索计算机数字图像处理的巨大力量。最新Windows版本的CVIPtools提供使用者四种层次应用方式：算法代码层，公共对象模块(组件)界面层，cvipimage层和图形用户界面(GUI)。最下面的阶层算法代码层主要是基于以前的版本CVlPtools，包括所有的图像、数据处理程序和功能，是用标准c语言写的。最上的阶层为CVlPtools GUI，可以让生手实验一些图像处理的工具，而不需具备程序设计的能力。目前国外很多大学、研究院在数字图像处理的实验研究中都应用此软件。
但是，CVIPtools软件还没有推出中文版并且现有Windows版本保留了部分Unix风格，在Windows系统下操作并不十分方便，而且常出问题，并且这种商用图像处理软件是静态的、封闭的，软件功能在发布时就已经确定，增加新功能或新算法或改进性能只能寄希望于软件升级。我国某些大学或科研单位根据课题研究需要，开发了相应的图像处理软件，并应用于教学实验。但是已有的实验软件容不全或旧，没有涉及图像处理领域较新的成果，而且许多实验软件的界面不够友好，交互性差，用户无法调整算法参数，不具备可扩展性，软件一旦完成，不容易修改或添加新容。

2.3研究容（包括基本思路、框架、主要研究方式、方法等）
2.3.1本课题的基本容
matlab具有完备的图形处理功能、友好的用户界面以及功能强大的图形处理工具箱，能够实现对数字图像的编辑和处理工作，实现功能包括数字图像的读取、存储、显示、去色、图像翻转、局部放大、透明度调整、去噪、平滑、锐化、压缩、边缘检测等操作。
2.3.2本课题的重点
本文主要研究如何利用MATLAB软件开发一个针对学习和研究的“数字图像处理系统”，为初学者和算法研究人员提供一个图像处理技术的算法演示及模拟开发的GUI(Graphical User Interface，图形用户界面)平台，供大家学习并研究图像处理的技术方法，同时实现包括数字图像的读取、存储、显示、去色、图像翻转、局部放大、透明度调整、去噪、平滑、锐化、压缩、边缘检测等操作。
本文的主要容如下：
1．研究图像处理技术，包括图像处理技术的分类、数字图像处理的特点，主要容以及应用。
2．分析MATLAB软件及其在图像处理中的应用。
3．完成系统的总体设计，各功能模块设计。由于篇幅有限，本文重点论述了图像变换模块的设计，对已有的算法进行了分析，并进行了改进，利用MATLAB软件完成了算法的实现，最后通过实例说明处理效果。
4．设计友好的、易于操作的图形用户界面，方便用户对结果的观察以及对已有算法的比较研究和新算法的开发。
5. 向做好的平台中添加图像，图像的读取、存储、显示、去色、图像翻转、局部放大、透明度调整、去噪、平滑、锐化、压缩、边缘检测等操作。
本课题的重点就是利用Matlab的工具库完成以上容，MATLAB的图像处理功能都集中在它的图像处理工具箱中(Image proeessing Toolbox)，由一系列支持图像处理的函数组成。很多操作，像滤波、图像的变换与增强、二值图像操作等都由它来实现的。
经图像信息输入系统获取的原图像常都含有各种各样的噪声和畸变，大大影响了图像的质量，因此，在对图像进行分析之前，必须先对图像质量进行改善。通常，采取图像增强的方法对图像质量进行改善。图像增强不会考虑引起图像质量下降的原因，而是将图像中感兴趣的特征有选择的突出，并衰减不需要的特征。图像增强的目的是为了改善图像的视觉效果，提高图像的清晰度和工艺的适应性，以及便于人与计算机的分析主处理，以满足图像复制或再现的要求。图像增强的方法分为空间法和领域法两类，空间法主要是对图像中的各个像素点进行操作，而领域法是在图像的某个变换域对整个图像进行操作，并修改变换后的系数，如傅里叶变换、DCT变换等的系数，然后再进行反变换，便可得到处理后的图像。
噪声可以理解为“妨碍人们感觉器官对所接收到额信源信息理解的因素”。例如一副黑白凸显，其平面亮度分布假定为f（x，y），那么对其接受起烦扰作用的亮度分布R（x，y）即可称作噪声。噪声在理论上定义为“不可预测、只能用概率统计方法来认识的随机误差”。因此，将图像噪声看成是多维随机过程是合适的，因而描述噪声的方法完全可以借用随机过程的描述，即用其概率分布函数和概率密度分布函数。但在很多情况下，这样的描述方法是复杂的，甚至是不可能的，而实际应用往往也是不必要的。通常是用其数字特征，即均值方差、相关函数等，因为这些数字特征都可以从某些方面反映车噪声的特征。
为了对图像进行后续处理，需要对图像进行去噪处理。图像铝箔可分为空间域、频域和小波域滤波。
做常用的空间域去噪滤波器有线性滤波器和非线性滤波器两种。现象滤波器主要有均值滤波、线性加权滤波、倒数梯度加权滤波。非线性滤波器主要是种植滤波。线性滤波主要适合于去除高斯噪声，而中值滤波则是用于消除脉冲噪声。
2.3.3本课题的难点
由于接触MATLAB这门学科的时间比较短，对这个软件运用不熟悉，很多工具不能准确的使用，此外，由于使用MATLAB来处理图像大多数情况系使用修改其中的后台代码来实现的，有很多命令不是很理解，所以使用起来也不是很得心应手，由于希望自己在实现老师要求的基本要求之外，能够使我的设计有更多的功能，故有很多知识还要自己不断的探索。
对于前面提出的图像后期处理，是怎么在实际操作中用韵图像去噪技术实现图像去噪？由于现实生活中，把图像处理为人们希望的那样越来越重要，故图像去噪就在数字图像技术中的重要性越来越明显，如高放大倍数航片的判读、X射线图像系统中的噪声去除等，已经成为不可缺少的关键技术。
随着数字信号处理技术和计算机技术的迅猛发展，机器视觉的研究深度在不断拓展，应用领域在不断地延伸，。但在机器视觉系统，由于度昂没期间的质量、光学镜头的类型以及视觉系统的理论误差、加工变差的呢过的不利影响，使得通过机器视觉系统采集到的图像存在一定程度的畸变。对于采用广角镜头采集到的图像，畸变尤为明显，只10%的图像可以看做是理想的。因此，如何对这种畸变图像加以科学、合理、有效的较真，也成为本课题的一个难点。
如何实现图像拼接？图像拼接时计算机视觉领域的一个重要的分支，它是一种将多福相关的重叠图像进行无缝拼接从而获得全景图片的技术，本次毕设课题也想设计一部分，但也是一个难点。

2.3.4拟采取的方法和技术
目前，市场上有些图像处理软件比较成功，例如Photoshop。随着图像处理、图像理解以及图像库查找等研究领域的研究进展，还有很多图像处理相关的软件问世。
图像处理软件的开发必须有可靠的，优秀的算法以及理论作为基础，这些理论及算法便是MATLAB的一些基本使用方法，通过学习我已经有所了解。
1.Photoshop界面
用Photoshop打开一幅图像，使用主界面最上部的主菜单还有部分工具，左边的绘图工具，右边面板区的颜色、图层、动作等设置可以细致准确的完成图形绘制工作。
然后运用吸管工具、“直方图”对话框、“图像”菜单中的“运算”选项、“滤镜”菜单等对图片进行处理，来实现图像轮廓提取、等高线绘制、模糊、扭曲、锐化等图像处理功能。
2运用MATLAB 处理
修改MATLAT中的一些函数，也可以调用其他一些程序，为图像执行边缘提取、图像旋转、图型化等各种功能，也可以进入GUI设计界面，做按钮控制规划的播放。
图像去噪处理方法可分为空间域法和变换域法两大类前者是在原图像上直接进行数据运算，对像素的灰度值进行处理。后者是在图像的变换域上进行处理，对变换后的系数进行相应的处理，然后进行反变换达到图像去噪的目的。
畸变是成像系统的一种像差，理想成像系统不仅成像清晰，而且满足物像相似关系。当系统能够清晰成像，但物像不相似时，其不相似程度就是用畸变来衡量。几何畸变有桶形畸变、枕形畸变、几何倾斜等。一般选择桶形畸变的校正作为研究的对象。桶形校正的一般步骤如下：
1.找出畸变图对称中心，将畸变图像代表的地址空间关系转换为以对称中心为原点的空间关系
2.空间变换：畸变图像上的像素重新排列以恢复空间关系。
3.灰度插值：对空间变换后的像素赋予相应的灰度值以恢复原位置的灰度值。
为了使拼接处的全景图像能够保持透视效果以及视觉上的一致性，需要将拍摄的图像序列投影到一个统一的表面上。常用的表示面有柱面、立方体面和球面。其中，柱面全景图像因其数据存储结构简单而成为目前研究的热点。在全景图像的生成过程中，一般需要求解图像间的三维旋转量和单应性矩阵，威力简化这中秋节图像间多个对准系数的复杂过程，可对相机的运动作一些限制。然后把项目重叠的图像映射带统一的约束空间上，只要计算出相邻图像间两个方向上的位移量，就可以将图像对准整合，再通过柱面投影即可形成完整的柱面全景图像。
3.选择的工具
MATLAB7.0 2009版本，高级技术计算语言和交互式环境可以较使用传统的编程语言（如 C、C++ 和 Fortran）更快地解决技术计算问题.
其主要功能是：
（1）交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题
（2）此高级语言可用于技术计算
（3）此开发环境可对代码、文件和数据进行管理
（4）各种工具可用于构建自定义的图形用户界面
（5）各种函数可将基于 MATLAB 的算法与外部应用程序和语言（如 C、C++、Fortran、Java、 以及 Microsoft Excel）集成
（6）数学函数可用于线性代数、统计、傅里叶分析、筛选、优化以及数值积分等
（7）二维和三维图形函数可用于可视化数据
其编辑特点是：
1 ) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；
2) 具有完备的图形处理功能,实现计算结果和编程的可视化;
3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；
4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ,为用户提供了大量方便实用的处理工具。
其优势是：
（1）编程环境：
MATLAB 7.0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 7.0的商业化以及软件本身的不断升级，MATLAB 7.0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 7.0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误及进行出错原因分析。
（2）简单易用
MATLAB 7.0是一个高级的矩阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序（M文件）后再一起运行。新版本的MATLAB 7.0语言是基于最为流行的C++语言基础上的，因此语法特征与C++语言极为相似，而且更加简单，更加符合科技人员对数学表达式的书写格式。使之更利于非计算机专业的科技人员使用。而且这种语言可移植性好、可拓展性极强，这也是MATLAB 7.0能够深入到科学研究及工程计算各个领域的重要原因。
（3）处理能力强
MATLAB 7.0是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。函数中所使用的算法都是科研和工程计算中的最新研究成果，而前经过了各种优化和容错处理。在通常情况下，可以用它来代替底层编程语言，如C和C++ 。在计算要求相同的情况下，使用MATLAB的编程工作量会大大减少。MATLAB 7.0的这些函数集包括从最简单最基本的函数到诸如矩阵，特征向量、快速傅里叶变换的复杂函数。函数所能解决的问题其大致包括矩阵运算和现行方程组的求解、微分方程及偏微分方程的组的求解、符号运算、傅里叶变换和数据的统计分析、工程中的优化问题、稀疏矩阵运算、复数的各种运算、三角函数和其他初等数学运算、多维数组操作以及建模动态仿真等。
（4）图形功能
MATLAB 7.0自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和矩阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。新版本的MATLAB 7.0对整个图形处理功能作了很大的改进和完善，使它不仅在一般数据可视化软件都具有的功能（例如二维曲线和三维曲面的绘制和处理等）方面更加完善，而且对于一些其他软件所没有的功能（例如图形的光照处理、色度处理以及四维数据的表现等），MATLAB 7.0同样表现了出色的处理能力。同时对一些特殊的可视化要求，例如图形对话等，MATLAB也有相应的功能函数，保证了用户不同层次的要求。另外新版本的MATLAB还着重在图形用户界面（GUI）的制作上作了很大的改善，对这方面有特殊要求的用户也可以得到满足。
应用与开发：
在开发环境中，使用户更方便地控制多个文件和图形窗口；在编程方面支持了函数嵌套，有条件中断等；在图形化方面，有了更强大的图形标注和处理功能，包括对性对起连接注释等；在输入输出方面，可以直接向Excel和HDF5进行连接。