数字图像处理03亮度变换与空间滤波

数字图像处理计算机科学与工程系第三章亮度变换与空间滤波数字图像处理计算机科学与工程系2本章主要内容图像增强的方法分两大类：空间域方法频域方法本章主要讨论空间域图像增强的方法及其MATLAB实现；空间域图像增强方法亮度变换直方图处理空间滤波（邻域处理或空间卷积）数字图像处理计算机科学与工程系33.1背景知识空间域技术空间域技术直接对图像的像素进行处理.数字图像处理计算机科学与工程系43.1背景知识点的邻域定义一个点(x,y)的邻域的主要方法是利用中心在(x,y)点的正方形或矩形子图像如1×1邻域,3×3邻域,5×5邻域数字图像处理计算机科学与工程系53.1背景知识空间域技术空间域技术直接对图像的像素进行处理.空间域处理可定义为g(x,y)=T[f(x,y)]其中,f(x,y)为输入图像,g(x,y)为输出图像(处理后),T是对图像f进行处理的操作符.亮度变换:变换T对单点操作处理后图像在点(x0,y0)的像素值g(x0,y0)只与原始图像在点(x0,y0)的像素值f(x0,y0)有直接关系,与原始图像在其他点的像素值无关.如g(x0,y0)=af(x0,y0)2+bf(x0,y0)+c亮度变换可写成:s=T[r]其中r为f(x,y)的亮度值,s为g(x,y)的亮度值数字图像处理计算机科学与工程系63.1背景知识空间域技术空间滤波:利用(x,y)的一个小邻域(如3×3邻域,称为模板),对T进行操作.此时,处理后图像在某点(x0,y0)的像素值g(x0,y0)不仅与原始图像在点(x0,y0)的像素值f(x0,y0)有直接关系,与原始图像在点(x0,y0)附近其他点的像素值也有直接关系.如下式直方图方法:利用图像亮度值的统计信息进行处理.9/)]1,1(),1()1,1()1,(),()1,()1,1(),1()1,1([),(00000000000000000000yxfyxfyxfyxfyxfyxfyxfyxfyxfyxg数字图像处理计算机科学与工程系73.2亮度变换函数一些基本灰度变换数字图像处理计算机科学与工程系83.2亮度变换函数一些基本灰度变换图像反转对灰度范围为[0,L-1]的图像，表达式为s=L-1-r对数变换s=clog(1+r)幂次变换s=cr对比拉伸s=T(r)=1+(m/r)E1数字图像处理计算机科学与工程系93.2亮度变换函数3.2.1函数imadjust语法g=imadjust(f,[low_in,high_in],[low_out,high_out],gamma)说明low_in,high_inlow_out,high_outgamma例3.1使用函数imadjust数字图像处理计算机科学与工程系103.2亮度变换函数3.2.2对数和对比度拉伸变换对数变换S=T(r)=clog(1+r)例3.2使用对数变换减少动态范围对比拉伸s=T(r)=g=1./(1+(m./(double(f)+eps)).^E)1+(m/r)E1数字图像处理计算机科学与工程系113.2亮度变换函数3.2.3亮度变换的一些实用M函数处理可变数量的输入和/或输出函数nargin和nargout函数nargchk变量varargin和varargout一个实现多种亮度变换的M函数changeclassintrans例3.3函数intrans的使用和说明亮度标度的M函数gscale数字图像处理计算机科学与工程系123.3直方图处理与函数绘图3.3.1生成并绘制图像的直方图直方图:h(rk)=nk归一化直方图:p(rk)=h(rk)/n=nk/n函数imhist:imhist(f,b)函数plot:plot(horz,v,‘color_linestyle_mark’)例3.4计算并绘制图像的直方图函数bar:axis,set,xlabel,ylabel,text,title,xlim,ylim函数stem数字图像处理计算机科学与工程系133.3直方图处理与函数绘图函数plot:plot(horz,v,‘color_linestyle_mark’)函数bar:bar(horz,v,width)函数stem:stem((horz,v)函数axis:axis([horzminhorzmaxvertminvertmax])函数xlabel:xlabel(‘textstring’,‘fontsize’,size)函数ylabel:ylabel(‘textstring’,‘fontsize’,size)函数text:text(xloc,yloc,‘textstring’,‘fontsize’,size)函数title:title(‘titlestring’)函数set:set(gca,'xtick',0:50:255)函数set:set(gca,'ytick',0:50:255)函数ylim(‘auto’),ylim([ymin,ymax])函数xlim(‘auto’),xlim([xmin,xmax])数字图像处理计算机科学与工程系143.3直方图处理与函数绘图3.3.2直方图均衡化函数histeq:histeq(f,nlev)例3.5直方图均衡化3.3.2直方图匹配生成具有指定直方图的图像的方法称为直方图匹配。函数histeq:imhist(f,hspec)例3.6直方图匹配kjjkjjrkknnrprTs11)()(数字图像处理计算机科学与工程系153.4空间滤波空间滤波（邻域处理）(1)定义中心点(x,y);(2)对预先定义的以(x,y)为中心点的邻域内的像素进行运算;(3)令运算结果为该点处处理的响应;(4)对图像中的每个点重复(1)(3)步骤.空间滤波的分类：线性空间滤波,对邻域中像素的计算为线性运算.如均值滤波等.非线性空间滤波,对邻域中像素的计算为非线性运算.如统计排序滤波等数字图像处理计算机科学与工程系16w(-1,-1)w(-1,0)w(-1,1)w(0,-1)w(0,0)w(0,1)w(1,-1)w(1,0)w(1,1)f(x-1,y-1)f(x-1,y)f(x-1,y+1)f(x,y-1)f(x,y)f(x,y+1)f(x+1,y-1)f(x+1,y)f(x+1,y+1)图像f(x,y)yx滤波器掩模滤波掩模核,模板窗口数字图像处理计算机科学与工程系173.4空间滤波3.4.1线性空间滤波工具箱中实现线性滤波的函数imfilterg=imfilter(f,w,filtering_mode,boundary_options,size_options)filtering_mode:‘corr’(默认值),‘conv’boundary_options:P(默认值为0),‘replicate’,‘symmetric’,‘circular’size_options:‘full’,‘same’(默认值)例3.7使用函数imfilter数字图像处理计算机科学与工程系183.4空间滤波3.4.2非线性空间滤波非线性滤波也是基于邻域操作的,通过定义一个m*n的邻,以其中心点滑过一幅图像的方式进行操作.线性空间滤波基于计算乘积之和（一个线性表达式）非线性空间滤波则基于非线性操作（非线性表达式）工具箱提供两个执行常规非线性滤波的函数:函数nlfilter和函数colfilt函数nlfilter直接执行二维操作函数colfilt以列的形式组织数据函数colfilt占用更多的内在,但执行比函数nlfilter数字图像处理计算机科学与工程系193.4空间滤波函数nlfilterPerformgeneralsliding-neighborhoodoperationsSyntaxB=nlfilter(A,[mn],fun)DescriptionB=nlfilter(A,[mn],fun)appliesthefunctionfuntoeachm-by-nslidingblockofA.funisafunctionthatacceptsanm-by-nmatrixasinputandreturnsascalarresult.funmustbeafunctionhandle.数字图像处理计算机科学与工程系203.4空间滤波函数colfiltg=colfilt(f,[m,n],block_type,@fun,parameters)block_type:‘sliding’表示处理过程是在输入图像中逐个像素地滑动该m*n区域.‘distinct’表示处理过程是在输入图像中互不相交的m*n块进行.@fun引用一个函数,符号@称为函数句柄,它是MATLAB数据类型.函数fun必须分别对矩阵的每一列进行操作.parameters表示函数fun可能需要的参数.数字图像处理计算机科学与工程系213.4空间滤波在使用colfilt时，在进行滤波之前，输入图像必须经过填充。可使用函数padarray:padarray函数fp=padarray(f,padsize,padval,direction)padsize——[r,c]（r行,c列）padval——P(默认值为0),‘replicate’,‘symmetric’,‘circular’direction——‘pre’,‘post’,‘both’(默认值)例3.8使用函数实现非线性空间滤波prod(a),prod(a,1):a的列元素积,结果为一行.prod(a,2):a的行元素积,结果为一列.数字图像处理计算机科学与工程系223.5图像处理工具箱的标准空间滤波器3.5.1线性空间滤波器用于生成滤波掩模w的函数fspecial的语法w=fspecial(‘type’,parameters)表3.4列出函数fspecail支持的空间滤波器类型及参数例3.9使用函数例3.10手工指定滤波器和增强技术的比较数字图像处理计算机科学与工程系23表3.4列出函数fspecail支持的空间滤波器类型及参数类型函数与参数‘average’‘disk’‘guassian’‘laplacian’‘log’‘motion’‘prewitt’‘sobel’‘unsharp’fspecial(‘average’,[r,c])大小为r×c矩形平均值滤波器(3×3)fspecial(‘disk’,r)半径为r的圆形平均值滤波器(r=5)fspecial(‘guassian’,[r,c],sig)为r×c高斯低通滤波器(3×3,0.5)fspecial(‘laplacian’,alpha)为3×3拉普拉斯滤波器([01],0.5)fspecial(‘log’,[r,c],sig)为r×c高斯-拉普拉斯滤波器(5×5,0.5)fspecial(‘motion’,len,theta)len个像素线性运动,运动方向为theta的滤波器(9,0),size=[1,9]fspecial(‘prewitt’)大小为3×3的Prewitt滤波器wv,wh=wv’fspecial(‘sobel’)大小为3×3的Sobel滤波器sv,sh=sv’fspecial(‘unsharp’,alpha)大小为3×3的非锐化滤波器([01],0.2)数字图像处理计算机科学与工程系243.5图像处理工具箱的标准空间滤波器22222(,)(,)(,)fxyfxyfxyxy),(2),1(),1(22yxfyxfyxfxf2[(1,)(1,)(,1)(,1)]4(,)ffxyfxyfxyfxyfxy),(2)1,()1,(22yxfyxfyxfyf因而有:函数f(x,y)的拉普拉斯算子定义为二阶导数的通用数字近似为和数字图像处理计算机科学与工程系253.5图像