MATLAB在數字圖像處理中的應用

秦貝貝 毛一敏 王艷梅

摘要：隨著科技的飛速發展，圖像在人類感知中起著重要的作用，圖像處理技術也隨之慢慢滲入到人們的生活中。文章介紹了 MATLAB圖像處理工具包的15類函數及其主要功能，并選擇了傅里葉變換、直方圖均衡化兩個具體的實例介紹了 MATLAB在數字圖像處理技術中的應用。

關鍵詞：數字圖像處理；MATLAB圖像變換；圖像增強

1 數字圖像處理概述

數字圖像處理也稱計算機圖像處理，是運用計算機輔助工具將圖像信號轉換為便于分析處理的數字信號的過程，主要包含圖像變換、圖像增強、圖像分割、提取特征等處理方法和技術。在發展初期，圖像處理的主要目的是改善圖像的質量，從而改善人的視覺效果。隨著科技的不斷發展，數字圖像處理技術越來越先進，處理的目的也逐漸變為幫助人們理解、分析、利用圖像中蘊含的信息，這對于醫學、科研乃至日常生活都有著不可忽視的作用[1]。

2 MATLAB圖像處理工具箱介紹

首先，MATLAB是一種用于技術運算的高性能語言，其將算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算集成到一種易操作的環境，使得用戶以具體的數學知識理論來有效地處理實際問題。

其次，MATLAB具有豐富的工具箱和超強的繪圖功能，在線性代數、數理統計分析、數字信號處理、數字圖像處理、工程與科學繪圖、控制系統設計與仿真等方面應用非常突出[2]。尤其在數字圖像處理方面，將圖像轉化為便于理解的矩陣，這就允許人們巧妙地利用公式化的思想去解決圖像中所存在的問題。

3 MATLAB圖像處理工具箱主要功能

3.1 主要函數分類介紹

MATLAB圖像處理工具箱主要包括圖像顯示、圖像文件輸入/輸出、圖像像素值統計、圖像分析、圖像增強及平滑等13類函數。

3.2 主要功能介紹

3.2.1 圖像變換

圖像變換就是將圖像（即二維矩陣）從時間域或空間域變換到頻率域的過程。一般利用正交變換（例如傅里葉變換、余弦變換等）的性質和特點，將圖像轉換到變換域中進行處理。例如將空間域的圖像轉換到頻率域，以改善原圖像質量。該過程利用MATLAB中fft2（）， dct2（）等函數即可實現。

3.2.2 圖像增強

圖像增強是指對圖像某些具有特殊意義的區域進行強調突出，便于進一步地觀察、分析和處理[4]。圖像增強的方法一般分為空間域和變換域兩大類。

3.2.3 圖像壓縮

圖像壓縮就是對巨大的圖像數據量去冗余化，減少表示信號所需要的數碼，從而減少存儲信息所需占用的存儲空間，以及傳輸圖像所需耗費的時間，可簡單利用MATLAB中imratio。等函數實現。

3.2.4 圖像分割

在圖像研究領域，往往需要提取圖像某個具有特殊性質與意義的部分，這就需要將目標從圖像中提取出來，這就是圖像分割[3]。

圖像分割一般有以下幾種方法：灰度閾值法、邊界法、區域法、邊緣法。該過程可利用MATLAB中edge。等函數進行實現。

4 MATLAB在數字圖像處理中的應用實例

MATLAB在數字圖像處理領域具有強大的作用，其為我們提供了一個寬泛的處理多維陣列的函數組合，而圖像（二維數字陣列）則是多維陣列中的一種特殊情況。下面通過兩個例子進一步介紹MATLAB在數字圖像處理的應用。

4.1 圖像變換一傅里葉變換

傅里葉變換是線性系統分析的一個強有力的工具，它可以定量地分析諸如數字化系統、采樣點、卷積濾波器等。通過對傅里葉變換的學習及實踐，有助于對圖像處理問題有進一步的理解學習。圖像的傅里葉變換與一維信號的傅里葉變換一樣，但是不同的是圖像是二維的，對此可利用fft2。函數實現。

運用MATLAB軟件實現數字圖像傅里葉變換的程序如下，圖像實現效果如圖1所示。

I=imread（

imshow（I）；title（‘原圖像）；fftl=fft2（l）；

sfftI=fftshift（fflI）；

RR=real（sfftI）；

II=imag（sfftI）；A=sqrt（RR.^2+II.^2）；

A=（A-min（min（A）））/（max（max（A））-min（min（A）））*225；subplot（122）；imshow（A）；

title（‘原圖像頻譜）；

fifftI=ifft2（A）；xifftI=ifft2（angle（fftI））；

figure；subplot（121）；imshow（fifftI，[]）；

title（‘幅值進行傅里葉反變換）；

4.2 圖像變換一直方圖均衡化

圖像增強是指按特定的需要突出一幅圖像中的某些信息，同時，削弱或去除某些不重要的信息，從而增加圖像對比度。其主要目的是方便對某些特定的區域進行進一步的研究。直方圖是空間域處理技術的基礎。直方圖均衡化就是通過灰度變換的方法，將一幅圖像轉換為另一幅直方圖分布較為均衡的圖像的過程，如圖2所示。

利用MATLAB軟件實現直方圖均衡化增強圖像對比度的程序如下。

I=imread（‘pollen.tif）；J=histeq（I）；figure；

subplot（1，2，1）；imshow（I）； title（‘原圖像）；

subplot（1，2，2）；imshow（J）； title（‘直方圖均衡化后的圖像）；figure；subplot（1，2，1）；

imhist（I，64）；title（‘原圖像直方圖）；

subplot（l，2， 2）；imhist（J，64）；title（‘均衡變換后的直方圖）。

5 結語

文章首先簡單地介紹了 MATLAB軟件及其數字圖像處理工具箱的相關信息，其次介紹了 MATLAB數字圖像處理工具箱的主要函數，并就MATLAB函數在數字圖像處理技術的4個方面的應用進行了詳細闡述，最后通過MATLAB程序對數字圖像處理中兩個典型例子（傅里葉變換以及直方圖均衡化）進行了分析展示，使讀者能夠更清晰地學習和理解MATLAB在數字圖像處理技術上的應用。

[參考文獻]

[1]江鐵成.基于MATLAB的數字圖像處理技術研究[J].合肥師范學院學報，2017（6）：25-27.

[2]王圓妹.MATLAB在《數字圖像處理》課程中的輔助教學[J].電腦知識與技術，2016（28）：121-126.

[3]張晶，王黎，高曉蓉，等數字圖像處理中的圖像分割技術及其應用[J].信息技術，2010（10）：37-38.

[4]康牧.圖像處理中幾個關鍵算法的研[D].西安：西安電子科技大學，2009.