基于MATLAB GUI的图像增强技术的实现

英英

内蒙古新闻出版广电局841台 内蒙古 呼和浩特市 010050

基于MATLAB GUI的图像增强技术的实现

英英

内蒙古新闻出版广电局841台 内蒙古 呼和浩特市 010050

随着数字化时代的到来，人们对图像处理的要求越来越高。由于MATLAB软件具有强大计算功能，已成为图像处理软件的首要之选。本文介绍了基于MATLAB GUI的图像处理中的几种图像增强技术，包括灰度图像增强、空域滤波图像增强、拉普拉斯金字塔增强和小波增强，分别给出每部分图像增强后的结果。

MATLAB 图像处理 图像增强

图像增强处理是数字图像处理的一个重要分支。由于场景条件的影响，很多图像拍摄的视觉效果不佳，需要图像增强技术来改善人的视觉效果。图像增强处理主要是突出图像中感兴趣的部分，减弱或去除不需要的信息，使有用信息得到加强，从而得到一种更加实用的图像或者转换成一种更适合人或机器进行分析处理的图像。

1 灰度图像增强

1.1 直方图灰度变换

灰度级直方图是反映一幅图像及与出现这种灰度的概率之间关系的图形。设变量r代表图像中像素灰度级，在图像中像素的灰度级可作归一化处理，这样r的值将限定在0≤r≤1之内。在灰度级中，r=0代表黑，r=1代表白。对于一幅给定的图来说，每一个像素取得[0，1]区间内的灰度级是随机的，即r是一个随机变量。直方图灰度变换是对r进行变换，s=T（r），变换函数T(r)满足下列条件：在0≤r≤1，函数单调的；对于0≤r≤1，有0≤s≤1。函数T（r）可以是线性变换、分段变换、倒置变换及其他非线性变换。

MATLAB GUI直方图灰度变换函数为Z=imadjust（im，[0.3 0.5]，[0 0.8]）；此函数把图像im转换成图像Z，值在[0.3 0.5]间的值映射为[0 0.8]，其他的值被剪掉。直方图灰度变换后的结果，如图1所示。

图1 图像直方图处理前后图像

1.2 直方图均衡化

直方图均衡化处理是以累积分布函数变换法为基础的直方图修正，即通过改变函数将原图的直方图调整为具有“平坦”倾向的直方图，然后用此均衡直方图校正图像。

对于一个离散的图像，第i个灰度级ri出现的频率数用ni表示，该灰度级像素对应的概率值为：，n为像素总和数，ri满足归一化条件。图像进行直方图均衡化的函数表达式为：

式中，k为灰度级数。

此系统进行灰度图像均衡化后结果如图2所示，从图中看出原图像直方图像素级比较集中，均衡化处理后右下角直方图中我们看到图像像素均匀分布了。

MATLAB GUI进行灰度图像均衡化后结果，如图2所示。从图中看出原图像直方图像素级比较集中，均衡化处理后右下角直方图中图像像素均匀分布。

1.3 直方图规定化

直方图均衡化是较为有效的增强方法之一，但直方图均衡化的变换函数是积分函数，因此，对图像作直方图均衡化处理后得到一个类似平均的直方图，限制了处理效能。为了能得到特定的直方图图像，以便增强图像某些部分，在特定的情况下，需要制定出特定的函数来对直方图加以修正。直方图规定化就是针对此提出的一种直方图修正增强方法。

图2 均衡化前后直方图

规定化处理步骤如下：

首先，对原始图像做累积积分；

这样就实现了输入图像r与规定图像z的映射关系。

以上是原始图像另一种直方图修改的处理方法。这种方法处理后中得到的新图像的灰度级具有事先规定的概率密度函数决定。图3为本系统对图像做规定化处理以后的图。

2 空域滤波图像增强

空域滤波是使用空域模板在整个图像上遍历处理的过程。空域模板本身为空域滤波器，它是在图像上以模板作滤波处理。空域滤波器一般分为平滑和锐化滤波器。平滑滤波器是灰度级平均，从而达到模糊图像中的噪声或消除图像干扰的目的。锐化滤波器是突出图像感兴趣的部分，如边缘，达到强化图像表现特征的目的。

图3 规定化后图像直方图

图4（a）给出了原点对称的二维平滑滤波器在空域里的剖面示意图，可见平滑滤波器是低通滤波器，在空域中全为正。图4（b）给出原点对称的二维锐化滤波器在空域里的剖面示意图，可见锐化滤波器是高通滤波器，在空域中接近原点处为正，在远离原点处为负。

图4（a） 平滑滤波器（低通）

图4（b） 锐化滤波器（高通）

2.1 维纳滤波增强

维纳滤波器是一种线性平滑滤波器，是用几个像素灰度的平均值来代替每个像素的灰度，本系统是9×9的维纳滤波，处理结果如图5所示。

图5 维纳滤波处理后的图像

2.2 中值滤波

中值滤波是把数字图像或数字序列中一点的值，用该点的一个邻域中各点值的中值来代换。中值滤波器的窗口可以取方形、圆形、十字形等。MATLAB中J=medfilt2（im,[n m]）；函数实现中值滤波，im为待滤波图像，[n m]为滤波器选择邻域大小，MATLAB GUI中值滤波器用7×7窗口。处理结果如图6所示。

图6 中值滤波处理后结果

从显示结果中，可以看出中值滤波对椒盐噪声的抑制作用比维纳滤波更强，但并不代表中值滤波器比维纳滤波器滤波效果好。每个滤波器对不同噪声滤波作用是不同的，所以，在实际的应用中应该综合考虑不同要求，有必要的情况下可以考虑不同去噪方法联合使用。

3 拉普拉斯增强

拉普拉斯增强是锐化滤波增强的一种，是线性二次微分算子，具有旋转不变性，从而满足不同走向的图像边界的锐化要求。对于图像，拉普拉斯算子定义为：

拉普拉斯增强方法是先检测出图像的边缘，再与原图相加，得到的图像边缘比原来的图片更清晰，在MATLAB中用fspecial函数来生成拉普拉斯滤波算子，如图7所示。左下角是double类型图像的边缘检测，以便于double类型的原图像相加，得出边缘增强后的图像。

图7 拉普拉斯图像增强

4 小波增强

小波分析在时域和频域都有较好的局部化特性，在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。图像增强中的小波变换是将一幅图像分解成大小、位置和方向均不相同的分量，可根据需要对某些分量改变其系数的大小，从而使得感兴趣的分量放大而不需要的分量减小，再做逆变换。

MATLAB GUI中的小波图像增强是对图像做小波分解后，再对高频部分增强，还原后的图像细节部分得到了增强，即边缘部分更清晰，如图8所示。

图8 小波图像增强

审稿人：魏朝辉 内蒙古新闻出版广电局监管中心正高级工程师

责任编辑：王学敏

TP37

B

2096-0751（2017）03-0022-04

英 英 内蒙古新闻出版广电局841台 助理工程师