数字图像处理系统设计与实现

黄明慧　刘立群　常琴　邵娟　王佳玉

摘要：针对数字图像处理的需求，开发设计了基于MATLAB GUI的数字图像处理系统。系统模块中包含对文件进行编辑，包含对图像大小调整，裁剪，灰度化处理，以及显示图像的边界图，图像进行类型转换，颜色空间转换。对数字图像处理的设计主界面中一共包含以下几个实验项目，图像的变换、增强、分割、其他常用处理。图像的傅里叶变换，离散余弦变换;空间域增强、频率域增强;阈值分割、梯度分割;对图像的亮度调节，对比度调节，裁剪截取，及显示图片的底片效果。该系统主要实现了对图像的以上处理，最后通过实例来展示处理效果。测试结果表明，该系统正常实现了所需要的功能，达到了数字图像处理的目的。

关键词：图像处理;分析;MATLAB GUI

中图分类号：TN911.73      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）04-0029-04

Abstract： In response to the needs of digital image processing， to design a digital image processing system， which is based on MATLAB GUI. The system module includes editing of files， including image size adjustment， cropping， gray-scale processing， and the boundary map of the displayed image， image type conversion， and color space conversion. The main interface of digital image processing design includes the following experimental items， image transformation， image enhancement ，image segmentation， and other common processing. Perform Fourier transform and Discrete Cosine Transform on the image; spatial domain enhancement processing， frequency domain enhancement processing; threshold segmentation， gradient segmentation; brightness adjustment， contrast adjustment， cropping and interception of the image，and the effect of displaying the negatives of the picture. The system mainly realizes the above processing of the image， and finally shows the processing effect through examples. The test results show that the functions required by the system at the normal time， and achieved the expected treatment effect.

Key words： Image Processing; analysis; MATLAB GUI

1 背景

隨着数字图像技术的发展，如今研究人员运用MATLAB的各种算法来完成在航空航天、生物工程、医药图像、军事公安以及道路交通等领域许多复杂的图像处理问题。数字图像处理这一技术也会深入到现实生活生产和科研活动中来[1]。

本文所设计和实现的系统是数字图像处理平台。图像增强是图像预处理中的常用的技术，图像增强可以提高图像质量，其作用也极其显著。而图像增强，就是指对图像的某些特征进行处理，其处理借助于MATLAB强大的运算功能和对图像图形的展示处理功能，设计并实现数字图像的处理，它所具有的较强实践性也使得图像展示与处理更加简单直观[2]。

2 系统的总体设计

根据当前系统的总体设计板块和要求，系统模块中包含对文件进行编辑，对图像大小调整，裁剪，灰度化处理，以及显示图像的边界图，图像进行类型转换，颜色空间转换。其设计框图如图1所示。

MATLAB可以直观地进行图像演示，所以使用MATLAB实现对于图像的某些基本处理，显示在GUI中，诸如图像变换，图像增强以及图像分割，其他常用处理等多种图像处理。此系统的具体实验项目如图2所示。

3 系统功能

该系统主要利用 MATLAB GUI设计图形用户界面，界面上相应按钮调用对应的回调函数，其中每个界面都是由相应的按钮对应的回调函数构成，所有的处理功能都会对应一个相应的回调函数，编写完回调函数后便可实现相应的图像处理。系统的主界面是进入数字图像处理的各个子界面的入口[3]，如图3所示。

4 具体实验项目

4.1 图像变换

对图像进行简单傅里叶变换、离散余弦变换，其中离散余弦变换只能对灰度图像进行处理。该操作可以用GUI完成。

4.1.1 傅里叶变换

在平台的设计中傅里叶变换有很多较为广泛的应用，它可以将某一简单的图像，通过变化从空间域转换成频率域，然后再进行相应的处理。如图4所示。

4.1.2 离散余弦变换

在DFT变换中有一种很特殊的形式是DCT，DCT的中文简称就是离散余弦变换，它可以有损压缩简单的数据和图像。同时，DCT变换的“能量集中”性效果很显著。如图5所示。

4.2 图像增强

在对图像进行处理过程中，有一个必不可少的处理步骤，那就是图像增强功能。它是将一张图像读入后，首先选择出与图像相匹配的滤波器，然后对图像进行简单的滤波处理，这样就可以将所需要消除的噪声消除掉，最后将图像在通过DFT变换就可以得到增强后的效果。

图像进行传输和获取的时候，会受到来自外界各种噪声的干扰，如果受到比较多的外来干扰，图像的质量就会下降，进行图像分析时就会有影响[4]。

4.2.1 频率域增强

在图像的处理过程中，还需要将图像进行校正，需要通过调整图中的直方图，调整完的直方图是具有“平坦”倾向的，完成这个操作就需要用到直方图的均衡化。

4.2.2 空间域增强

用空间域滤波的方法，可以将图像进行处理，即遍历处理，突出图像的某一部分，如图像边缘，图像就会强化。

4.2.3 具体操作实例

1）图像平滑，操作如图6所示。

2）高斯平滑，操作如图7所示。

3）中值滤波，操作如图8所示。

4）图像锐化，操作如图9所示。

5）拉普拉斯算子，操作如图10所示。

6）高斯-拉普拉斯变换，操作如图11所示。

4.3 图像分割

在数字图像处理的方法中，其作用就是分割出图像中有用或需要用的部分，也就是将图片分成若干个不同性质的小区域。其应用有边缘检测、图像二值化等[5]。

图像二值化是将彩色的图像变为灰白色图片，这其中的原理是把图片上的像素点的灰度值进行变化，从而这样图片会成为灰白色。我们可以在程序中读入一个彩色图像，然后将这个图像二值化，最后用编程语言将图像进行处理。

边缘检测方法就是检测每个像素的灰度，然后对检测到的灰度进行量化[6]。

4.3.1 阈值分割

把图像分割为不同的区域，划分图片所有像素，得到的每个小集合会成为子集，每个子集都会有相对应的区域，不同区域有不同的性质，但内部性质一样。如图12所示。

4.3.2 梯度分割

将图像用梯度图表示，更好地展现图像的变化趋势，保存完好的图像。梯度分割的作用是通过计算边缘突出的矩形，并将其划分为一节一节的梯度，这样可以除去图像上多出来的没用的部分和噪声。如图13所示。

4.4 其他常用处理

4.4.1 亮度

即灰度，可以将图片的明暗变化表现出来，变化的范围是0%-100%。如图14所示。

4.4.2 对比度

调节对比度即改变图片中黑色和白色的比值，比值越大，图片的颜色渐变层次变化会越大，从而图片颜色变得更加丰富。如图15所示。

4.4.3 截图

截图就是按照图片大小需求将图片截出来，从而达到图像处理的效果。如图16所示。

4.4.4 底片效果

即图片的颜色对光线的敏感度，等价于曝光，感光度越高，曝光度越高，底片效果越好。如图17所示。

5 结束语

数字图像处理简单来说就是通过电脑各种软件对图像进行各种各样的演示，MATLAB可以直观地进行图像演示。所以本文使用MATLAB所进行图像处理，实验主要内容如下：1）完成数字图像处理系统的总体设计和各模块功能设计。2）使用MATLAB中的GUI平台，进行图像的某些基本处理，分析算法，并进行改进，最后通过实例来展示处理效果。3）进行了图像裁剪，显示图像的边界图，亮度调节，对比度调节，裁剪截取，及显示图像底片效果等操作。

参考文献：

[1] 李磊.基于MATLAB GUI的數字图像处理系统设计[D].成都：成都理工大学，2012.

[2] 丁洁，姜庆伟.基于MATLAB的数字图像增强处理系统设计与实现[J].科技信息，2009（8）：188-190.

[3] 罗琴，李永全.基于MATLAB GUI的数字图像处理辅助教学系统设计[J].电脑知识与技术，2018，14（8）：114-116.

[4] 李宝方，邢玉清.基于MATLAB GUI的数字图像处理仿真系统设计[J].计算机与数字工程，2014（11）：217-218.

[5] 郭晓军.数字图像处理[M].北京：电子工业大学出版社，2009：6-10.

[6] 缪绍纲.数字图像处理：活用Matlab[M].成都：西南交通大学出版社，2001.

[7] 阮秋琦.数字图像处理学[M].北京：电子工业出版社，2001.

[8] 冈萨雷斯.数字图像处理[M].阮秋琦，译.北京：电子工业出版社，2003.

[9] 刘卫国.MATLAB程序设计教程[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

【通联编辑：谢媛媛】