數(shù)字圖像處理(直方圖)第一頁(yè)，共71頁(yè)。2.4圖像灰度直方圖

2.4.1概念定義灰度直方圖反映的是一幅圖像中各灰度級(jí)像素出現(xiàn)的頻率。以灰度級(jí)為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)為灰度級(jí)的頻率，繪制頻率同灰度級(jí)的關(guān)系圖就是灰度直方圖。它是圖像的一個(gè)重要特征，反映了圖像灰度分布的情況。下圖是一幅圖像的灰度直方圖。頻率的計(jì)算式為2第二頁(yè)，共71頁(yè)。3第三頁(yè)，共71頁(yè)。2.4灰度直方圖(histogram)imhist(InMATLAB)直方圖=imhist/prod(size(I0));4第四頁(yè)，共71頁(yè)。彩色圖像直方圖A=imread(‘lena.tiff’);%讀入圖像數(shù)據(jù)N=size(A,1)*size(A,2);%獲得像素總數(shù)h1=imhist(A(:,:,1))/N;%紅色分量直方圖h2=imhist(A(:,:,2))/N;%綠色分量直方圖h3=imhist(A(:,:,3))/N;%藍(lán)色分量直方圖holdon;xlim([0,255]);stem(0:255,h1,'Marker','None','Color','r');stem(0:255,h2,'Marker','None','Color','g');stem(0:255,h3,'Marker','None','Color','b');text(40,0.016,'直方圖','FontSize',22)5第五頁(yè)，共71頁(yè)。彩色圖像直方圖A=imread(‘lena.tiff’);%讀入圖像數(shù)據(jù)N=size(A,1)*size(A,2);%獲得像素總數(shù)h1=imhist(A(:,:,1))/N;%紅色分量直方圖h2=imhist(A(:,:,2))/N;%綠色分量直方圖h3=imhist(A(:,:,3))/N;%藍(lán)色分量直方圖holdon;xlim([0,255]);plot(0:255,h1,'Marker','None','Color','r');plot(0:255,h2,'Marker','None','Color','g');plot(0:255,h3,'Marker','None','Color','b');legend('Red','Green','Blue',2);text(40,0.016,'直方圖','FontSize',22)6第六頁(yè)，共71頁(yè)。彩色圖像直方圖axes(‘Position’,[0.1,0.1,0.8,0.2]);%生成坐標(biāo)軸stem(0:255,h1,'Marker','None','Color','r');set(gca,'YColor','r','Xlim',[0,255]);axes('Position',[0.1,0.3,0.8,0.2]);stem(0:255,h2,'Marker','None','Color',[0,0.6,0]);set(gca,'YColor',[0,0.6,0],'Ytick',[0.005,0.01],'Xlim',[0,255]);axes('Position',[0.1,0.5,0.8,0.2]);stem(0:255,h3,'Marker','None','Color','b');set(gca,'YColor','b','Ytick',[0.01,0.02],'Xlim',[0,255]);7第七頁(yè)，共71頁(yè)。灰度直方圖的性質(zhì)直方圖相同1、直方圖只反映像素值分布信息，不包括像素位置信息2、不同圖像可能具有相同的直方圖8第八頁(yè)，共71頁(yè)。2.4灰度直方圖Directplus3.一幅圖像分成多個(gè)區(qū)域，多個(gè)區(qū)域的直方圖之和即為原圖像的直方圖。9第九頁(yè)，共71頁(yè)。①判斷圖像量化是否恰當(dāng)10第十頁(yè)，共71頁(yè)。②確定圖像二值化的閾值11第十一頁(yè)，共71頁(yè)。具有二峰性的灰度圖像12第十二頁(yè)，共71頁(yè)。③計(jì)算直方圖中物體的面積

當(dāng)物體部分的灰度值比其他部分的灰度值大時(shí)，可利用直方圖統(tǒng)計(jì)圖像中物體面積：其中vi是灰度級(jí)為Ii的像素出現(xiàn)的頻數(shù)。13第十三頁(yè)，共71頁(yè)。④計(jì)算圖像信息量H(Entropy,熵)熵：熵反映了圖像信息豐富的程度，在圖像編碼中意義重大。14第十四頁(yè)，共71頁(yè)。直方圖統(tǒng)計(jì)

Example-------I=imread('pout.tif');imhist(I);

%計(jì)算并繪制直方圖

Seealsohisteq,hist.15第十五頁(yè)，共71頁(yè)。按列統(tǒng)計(jì)的直方圖histc(pascal(3),1:6)producesthearray[311;010;011;000;000;001]>>pascal(3)ans=111123136每列目標(biāo)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)16第十六頁(yè)，共71頁(yè)。其他類型的統(tǒng)計(jì)圖餅圖餅圖英文學(xué)名為SectorGraph,有名PieGraph。常用于統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊。2D餅圖為圓形，手畫(huà)時(shí)，常用圓規(guī)作圖。pie,pie3inMATLABpie([0.1,0.2,0.4,0.3])pie([0.1,0.2,0.4,0.3],[1,0,0,0])%explodeexplode17第十七頁(yè)，共71頁(yè)。環(huán)形餅圖ph=pie([2435],{'North','South','East','West'});holdon;z=0.6*exp(i*linspace(0,pi*2,100));fill(real(z),imag(z),0.8*[1,1,1]);18第十八頁(yè)，共71頁(yè)。其他類型的統(tǒng)計(jì)圖3D餅圖Example：pie3([0.1,0.2,0.4,0.3],[1,0,0,0])pie3([0.1,0.2,0.4,0.3],[1,0,0,0],…{'A:10%','B:20%','C:40%','D1:30%'})19第十九頁(yè)，共71頁(yè)。其他類型的統(tǒng)計(jì)圖條狀圖：barx=1:5;y=[0.2,0.3,0.1,0.8,0.9;0.5,0.6,0.2,0.7,0.1];bar(x,y');20第二十頁(yè)，共71頁(yè)。其他類型的統(tǒng)計(jì)圖累加式條狀圖：barhrand('state',0);figure;barh(rand(10,5),'stacked');colormap(cool)21第二十一頁(yè)，共71頁(yè)。其他類型的統(tǒng)計(jì)圖誤差條：errorbarx=1:10;y=sin(x);e=std(y)*ones(size(x));errorbar(x,y,e)22第二十二頁(yè)，共71頁(yè)。其他類型的統(tǒng)計(jì)圖針狀圖：stemx=1:60;y=sin(x/4);stem(x,y,'markerFace','b');Sh=stem(…);Set(Sh,'Marker','s');%setotherstyleofarrowhead23第二十三頁(yè)，共71頁(yè)。其他類型的統(tǒng)計(jì)圖臺(tái)階圖:stairsx=1:60;y=sin(x/4);stairs(x,y)24第二十四頁(yè)，共71頁(yè)。2.5數(shù)字圖像處理算法的形式正確性高于復(fù)雜度25第二十五頁(yè)，共71頁(yè)。流程圖G-S位相恢復(fù)算法的原理圖

26第二十六頁(yè)，共71頁(yè)。流程圖27第二十七頁(yè)，共71頁(yè)。2.5.2具體形式[局部處理]處于邊界的像素的鄰域像素不完整，需做周期性延拓，或者封閉性約束。Localprocessing28第二十八頁(yè)，共71頁(yè)。1.鄰域處理操作鄰域是集合上的一種基礎(chǔ)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以a為中心的任何開(kāi)區(qū)間稱為點(diǎn)a的鄰域，記作N(a)。設(shè)δ是任一正數(shù)，則開(kāi)區(qū)間(a-δ,a+δ)就是點(diǎn)a的一個(gè)鄰域，這個(gè)鄰域稱為點(diǎn)a的δ鄰域。記作N(a,δ)，即N(a,δ)={x|a-δ<x<a+δ}。點(diǎn)a稱為這鄰域的中心，δ稱為這鄰域的半徑。29第二十九頁(yè)，共71頁(yè)。局域數(shù)據(jù)處理30第三十頁(yè)，共71頁(yè)。例子算子（Operator）31第三十一頁(yè)，共71頁(yè)。點(diǎn)操作Y=F(X)32第三十二頁(yè)，共71頁(yè)。大局域操作33第三十三頁(yè)，共71頁(yè)。2.迭代處理迭代算法要收斂，否則“找不到家”。34第三十四頁(yè)，共71頁(yè)。迭代計(jì)算的難點(diǎn)相位恢復(fù)問(wèn)題：FxX=Y收斂停止無(wú)法接近真值35第三十五頁(yè)，共71頁(yè)。3.跟蹤處理

定義：選擇滿足適當(dāng)條件的像素作為起始像素，檢查輸入圖像和已得到的輸出結(jié)果，求出下一步應(yīng)處理的像素，進(jìn)行規(guī)定的處理，然后決定是繼續(xù)處理下面的像素還是終止處理。特點(diǎn)：(1)結(jié)果與開(kāi)始部分選擇有關(guān)；

(2)可限定處理范圍來(lái)提高精度。應(yīng)用：邊界線和等高線的跟蹤(檢查)36第三十六頁(yè)，共71頁(yè)。4.窗口處理和模板處理37第三十七頁(yè)，共71頁(yè)。5.串行和并行處理多核并行處理matlabpool(3)parfori=1:3

g(:,i)=rand(1000);endmatlabpoolclose串行結(jié)構(gòu)a=1;fork=1:1000a(k)=a(k-1)+1;end并行結(jié)構(gòu)：a=[1:1000]+1;38第三十八頁(yè)，共71頁(yè)。6.遞歸過(guò)程functiony=fractorial(n);%遞歸過(guò)程ifn==0;y=1;elsey=fractorial(n-1)*n;end

an=F(an-1)計(jì)算過(guò)程中存在著相似的部分，這里以階乘為例給出遞歸程序。39第三十九頁(yè)，共71頁(yè)。40第四十頁(yè)，共71頁(yè)。2.6圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與圖像文件格式1.組合方式節(jié)省內(nèi)存，計(jì)算量增加，程序復(fù)雜41第四十一頁(yè)，共71頁(yè)。2.比特面方式充分利用內(nèi)存空間，但灰度圖像的處理耗時(shí)多42第四十二頁(yè)，共71頁(yè)。3.分層結(jié)構(gòu)錐形結(jié)構(gòu)43第四十三頁(yè)，共71頁(yè)。4.圖像的四叉樹(shù)表示BinaryScheme44第四十四頁(yè)，共71頁(yè)。5.多重圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)①逐波段存儲(chǔ)；②逐行存儲(chǔ)；③按像素存儲(chǔ)按波段存儲(chǔ)45第四十五頁(yè)，共71頁(yè)。2.6.2圖像文件格式按不同的方式進(jìn)行組織或存儲(chǔ)數(shù)字圖像像素的灰度，就得到不同格式的圖像文件。圖像文件按其格式的不同具有相應(yīng)的擴(kuò)展名。常見(jiàn)的圖像文件格式按擴(kuò)展名分為：RAW格式、BMP格式、TGA格式、PCX格式、GIF格式、TIFF格式等。RAW格式：它是將像素按行列號(hào)順序存儲(chǔ)在文件中。這種文件只含有圖像像素?cái)?shù)據(jù)，不含有信息頭，因此，在讀圖像時(shí)，需要事先知道圖像大?。ň仃嚧笮。?。它是最簡(jiǎn)單的一種圖像文件格式。BMP格式：由以下四個(gè)部分組成1)14字節(jié)的文件頭；2)40字節(jié)的信息頭；3)8字節(jié)的顏色定義；4)位圖數(shù)據(jù)。46第四十六頁(yè)，共71頁(yè)。PCX格式.pcx原本是PCPaintbrush軟件的文件格式(PCX代表PCPaintbrushExchange)，卻成了最廣泛接受的DOS圖像標(biāo)準(zhǔn)之一。pcx格式是ZSOFT公司在開(kāi)發(fā)圖像處理軟件Paintbrush時(shí)開(kāi)發(fā)的一種格式。由于pcx格式出現(xiàn)的時(shí)間較長(zhǎng)，作為一種經(jīng)典的圖像格式，目前任然存在，但現(xiàn)在已經(jīng)慢慢的被jpg、png等更為流行的格式取代了，不過(guò)還是有使用的時(shí)候，pcx文件可以使用常用的圖像軟件(如ACDSee、PS)打開(kāi)。47第四十七頁(yè)，共71頁(yè)。1)位圖文件頭BITMAP它的結(jié)構(gòu)如下：

typedefstructtagBITMAP{WORDbfType;/*指定文件類型，必須是0x424D，即字符串“BM”*/DWORDbfSize;/*指定文件大小*/WORDbfReserved1;為/*保留字*/WORDbfReserved2;/*保留字*/DWORDbfOffBits;為/*文件頭到實(shí)際的位圖數(shù)據(jù)的偏移字節(jié)數(shù)*/}BITMAP,FAR*LPBITMAP;該結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度是固定的，為14個(gè)字節(jié)。48第四十八頁(yè)，共71頁(yè)。2）位圖信息頭BITMAPINFOHEADER結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度為40個(gè)節(jié)，其結(jié)構(gòu)如下：

typedefstructtagBITMAPINFOHEADER{DWORDbfSize;/*指定這個(gè)結(jié)構(gòu)的大小，為40個(gè)字節(jié)LONGbiWidth;/*指定圖像的寬度，單位是像素LONGbiHeight;/*指定圖像的高度，單位是像素；WORDbiPlanes;/*必須是1WORDbiBitCount;/*指定表示顏色位數(shù)，1(黑白)8（256色）、24（真彩色）DWORDbiCompression;/*指定是否壓縮,分別為BI_RGB、BI_RLE4、BI_RLE8DWORDbiSizeImage;/*指定實(shí)際的位圖數(shù)據(jù)占用的字節(jié)數(shù)。LONGbiXPelsPerMeter;/*指定目標(biāo)設(shè)備的水平分辨率LONGbiYPersPerMeter;/*指定目標(biāo)設(shè)備的垂直分辨率DWORDbiClrUsed;/*指定本圖像實(shí)際用到的顏色數(shù)DWORDbiClrImportant;/*指定本圖像中重要的顏色數(shù)}BITMAPINFOHEADER,FAR*LPBITMAPINFOHEADER;

49第四十九頁(yè)，共71頁(yè)。3)palette（調(diào)色板）調(diào)色板實(shí)際上是一個(gè)數(shù)組,數(shù)組中每個(gè)元素的類型為一個(gè)RGBQUAD結(jié)構(gòu)，占4個(gè)字節(jié)。結(jié)構(gòu)定義如下：typedefstructtagRGBQUAD{BYTErgbBlue;BYTErgbGreen;BYTErgbRed;BYTErgbReserved;}RGBQUAD;有些位圖，比如真彩色圖，沒(méi)有調(diào)色板。他們的位圖信息頭后直接是位圖數(shù)據(jù)。4)位圖數(shù)據(jù)它分兩種情況：對(duì)于用到調(diào)色板的位圖，圖像數(shù)據(jù)就是該像素顏色在調(diào)色板中的索引值；對(duì)于真彩色圖，圖像數(shù)據(jù)就是實(shí)際的R、G、B值。

50第五十頁(yè)，共71頁(yè)。51第五十一頁(yè)，共71頁(yè)。52第五十二頁(yè)，共71頁(yè)。2.6.2圖像文件格式*.BMPbitmap的縮寫(xiě)，含文件頭、位圖信息位圖數(shù)據(jù)三部分。*.PCX對(duì)于PCPaintbrush軟件生成的圖像數(shù)據(jù)。上述2種文件格式只能存1幅圖像53第五十三頁(yè)，共71頁(yè)。圖像文件格式*.GIFGraphicsInterchangeFormat的縮寫(xiě)，CompuServer公司開(kāi)發(fā)?？纱鎯?chǔ)多幅圖像54第五十四頁(yè)，共71頁(yè)。制作GIF文件的例子：clc;clear;closeall;N=40;t=[1:N]/N*pi*2*4;tr=[8*pi/N]*rand(1,N);ph=plot(t,sin(t+tr),'b','Linewidth',2);th1=title('time=0');fork=1:60;t=t+0.1;set(ph,'ydata',sin(t+tr));set(th1,'String',['time=',num2str(k)]);frame=getframe(gcf);im=frame2im(frame);[imind,cm]=rgb2ind(im,256);ifk==1;

imwrite(imind,cm,'sin1.gif','gif','Loopcount',inf);else

imwrite(imind,cm,'sin1.gif','gif','WriteMode','append',...'DelayTime',0.1);endpause(0.1);end55第五十五頁(yè)，共71頁(yè)。圖像文件格式*.TIFFTagImage的縮寫(xiě)，Aldus公司和微軟公司共同開(kāi)發(fā)?？纱鎯?chǔ)多幅圖像*.JPG以犧牲圖像質(zhì)量為代價(jià)的壓縮圖像格式imwrite(a,'')imwrite(a,'.tiff')a=uint8(a);常用圖像數(shù)據(jù)庫(kù)：56第五十六頁(yè)，共71頁(yè)。2.7圖像的特征與噪聲自然特征：像素亮度、邊緣輪廓；[處理前]光譜特征、幾何特征及時(shí)相特征人工特征：頻譜、灰度直方圖。[處理后]灰度邊緣特征、線和角點(diǎn)特征、紋理特征、點(diǎn)特征、局部特征、整體特征57第五十七頁(yè)，共71頁(yè)。圖像的特征有很多，按提取特征的范圍大小又可分為：①點(diǎn)特征僅由各個(gè)像素就能決定的性質(zhì)。如單色圖像中的灰度值、彩色圖像中的紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)成分的值。②局部特征在小鄰域內(nèi)所具有的性質(zhì)，如線和邊緣的強(qiáng)度、方向、密度和統(tǒng)計(jì)量(平均值、方差等)等。③區(qū)域特征在圖像內(nèi)的對(duì)象物(一般是指與該區(qū)域外部有區(qū)別的具有一定性質(zhì)的區(qū)域)內(nèi)的點(diǎn)或者局部的特征分布，或者統(tǒng)計(jì)量，以及區(qū)域的幾何特征(面積、形狀)等。④整體特征整個(gè)圖像作為一個(gè)區(qū)域看待時(shí)的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征等。58第五十八頁(yè)，共71頁(yè)。圖像特征提取獲取圖像特征信息的操作稱作特征提取。它作為模式識(shí)別、圖像理解或信息量壓縮的基礎(chǔ)是很重要的。通過(guò)特征提取，可以獲得特征構(gòu)成的圖像（稱作特征圖像）和特征參數(shù)。59第五十九頁(yè)，共71頁(yè)。特征向量與空間把從圖像提取的m個(gè)特征量y1，y2，…，ym，用m維的向量Y＝[y1y2…ym]表示稱為特征向量。另外，對(duì)應(yīng)于各特征量的m維空間叫做特征空間。60第六十頁(yè)，共71頁(yè)。2.7.3圖像噪聲按產(chǎn)生原因分為：外部噪聲(天體放電干擾、電磁波進(jìn)入電源線)和內(nèi)部噪聲(粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)、電子流動(dòng)的熱噪聲、光量子噪聲；機(jī)械運(yùn)動(dòng)噪聲；元器件噪聲、電路噪聲)平穩(wěn)噪聲[與時(shí)間無(wú)關(guān)]和非平穩(wěn)噪聲[時(shí)間函數(shù)]按幅值分布分類：高斯型和瑞利型按頻譜分布形狀：白噪聲[均勻分布]按產(chǎn)生過(guò)程：量化噪聲和椒鹽噪聲。61第六十一頁(yè)，共71頁(yè)。噪聲的作用模擬實(shí)際情況，利用隨機(jī)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。分析算法性能，如抗噪、魯棒性等。用于分離有用信號(hào)與噪聲。。。62第六十二頁(yè)，共71頁(yè)。噪聲的特征與模型63第六十三頁(yè)，共71頁(yè)。噪聲的模擬一般使用隨機(jī)數(shù)模擬噪聲：helpstats%getmatlabfunctionlist

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