图形图像论文1Word下载.docx

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文章介绍了图象退化的原因，几种常用的图像滤波复原技术，以及用MATLAB实现图像复原的方法。

本文主要介绍了基于MATLAB的图形用户界面（GUI）来制作图像处理软件平台的具体过程和相关技巧，文章主要从几个方面展开论述：

第一，简单介绍下GUI与GUIDE；

第二，介绍以下GUIDE的模板及其操作方法；

第三，详细阐述一下图像处理软件平台的制作方法。

本文的GUI例子所制作的图像处理软件可以实现的功能是图像复原以及加噪声。

关键词：

退化模型；

噪声干扰；

图像滤波；

图像复原

二、、图像复原的概念

1.1图像复原的定义

所谓图像复原，是指去除或减轻在获取数字图像过程中发生的图像质量下降（退化）这些退化包括由光学系统、运动等等造成图像的模糊，以及源自电路和光度学因素的噪声。

图像复原的目标是对退化的图像进行处理，使它趋向于复原成没有退化的理想图像。

成像过程的每一个环节（透镜，感光片，数字化等等）都会引起退化。

在进行图像复原时，既可以用连续数学，也可以用离散数学进行处理。

其次，处理既可在空间域，也可在频域进行。

1.2图象恢复与图象增强的异同

相同点：

改进输入图像的视觉质量。

不同点：

图象增强目的是取得较好的视觉结果（不考虑退化原因）；

图象恢复根据相应的退化模型和知识重建或恢复原始的图像（考虑退化原因）。

1.3图象退化的原因

图象退化指由场景得到的图像没能完全地反映场景的真实内容，产生了

失真等问题。

其原因是多方面的。

如：

透镜象差/色差

聚焦不准（失焦，限制了图像锐度）

模糊（限制频谱宽度）

噪声（是一个统计过程）

抖动（机械、电子）

二、退化模型

2.1图象退化模型概述

图像复原处理的关键问题在于建立退化模型。

在用数学方法描述图像时，它的最普遍的数学表达式为

这样一个表达式可以代表一幅活动的、彩色的立体图像。

当研究的是静止的、单色的、平面的图像时，则其数学表达式就简化为

基于这样的数学表达式，可建立如图2.1所示的退化模型。

由图2.2的模型可见，一幅纯净的图像

是由于通过了一个系统H及加性噪声

而使其退化为一幅图像

的。

图2.1图像退化模型

图像复原可以看成是一个估计过程。

如果已经给出了退化图像

并估计出系统参数H，从而可近似地恢复

。

这里，

是一种统计性质的噪声信息。

当然，为了对处理结果做出某种最佳的估计，一般应首先明确一个质量标准。

根据图像的退化模型及复原的基本过程可见，复原处理的关键在于对系统H的基本了解。

就一般而言，系统是某些元件或部件以某种方式构造而成的整体。

退化模型可分为连续函数退化模型和离散函数退化模型。

2.2连续函数退化模型

假定系统H对坐标为（,）处的冲激函数（x-,y-）的冲激响应为h（x,,y,），则

此式说明，如果系统H对冲激函数的响应为已知，则对任意输入的响应可用上式求得，即，线性系统H完全可以由冲激响应来表征。

图像中冲激响应也称为点扩散函数。

在有噪音的情况下：

2.3离散函数退化模型

对和进行均匀取样后，就可引伸出离散函数的退化模型。

用一维的来说明。

如果f（x）和h（x）周期分别A和B的序列，为避免卷积周期重叠需要对它们进行周期扩展为周期为M≥A+B–1。

f（x）0≤x≤A-1h（x）0≤x≤B-1

fe（x）=he（x）=

0A-1≤x≤M-10B-1<

x≤M-1

那么它们的时域离散卷积可定义为下式：

显然，上式也是具有周期M的序列。

如果用矩阵来表示上述离散退化模型，可写成下式之形式:

退化过程为：

图像f（x,y）被线性操作h（x,y）所模糊，并叠加上噪声n（x,y），构成了退化后的图像g（x,y）。

退化后的图像与复原滤波器卷积得到复原的f（x,y）图像。

图2.2图像的退化/复原过程模型

四、图象复原技术

3.1无约束恢复

由退化模型得：

最小均方误差准：

在最小二乘方意义上说，希望找到一个

使下式的值最小:

3.2逆滤波

设M=N，则：

退化函数H（u,v）与F（u,v）相乘为退化过程，用H（u,v）去除G（u,v）是复原过程，称其为逆滤波。

可描述为：

记M（u,v）为复原转移函数，则其等于1/H（u,v）.

3.3维纳（Wiener）滤波器

它一种最小均方误差滤波器。

设Rf是f的相关矩阵：

Rf的第ij元素是E{fifj}，代表f的第i和第j元素的相关。

设Rn是n的相关矩阵：

根据两个象素间的相关只是它们相互距离而不是位置的函数的假设，可将Rf和Rn都用块循环矩阵表达，并借助矩阵W来对角化：

fe（x,y）的功率谱，记为Sf（u,v）；

ne（x,y）的功率谱，记为Sn（u,v）。

D是1个对角矩阵，D（k,k）=（k），则有：

定义：

代入：

两边同乘以W–1，有：

最后整理得：

五、图像复原的MATLAB实现实例

图形用于界面（GraphicalUserInterfaces，GUI）是提供人机交互的工具和方法。

GUI是包含图形对象（如窗口、图标、菜单和文本）的用户界面。

以某种方式选择或激活这些对象时，通常会引起动作或者发生变化。

一个设计优秀的GUI能够非常直观的让用户知道如何操作MATLAB界面，并且了解设计者的开发意图。

MATLAB的GUI为开发者提供了一个不脱离MATLAB的开发环境，有助于MATLAB程序的GUI集成。

这样可以使开发者不必理会一大堆烦杂的代码，简化程序，但是同样可以实现向决策者提供图文并茂的界面，甚至达到多媒体的效果。

可以说MATLAB提供了一个简便的开发环境，可以让开发者快速上手，提高了开发者的工作效率。

所谓的GUIDE就是图形用户界面开发环境（GraphicalUserInterfaceDevelopmentEnvironment），它向用户提供了一系列的创建用户图形界面的工具。

这些工具大大简化了GUI设计和生成的过程。

GUIDE可以完成的任务有如下两点：

1）输出GUI。

2）GUI编程。

GUIDE实际上是一套MATLAB工具集，它主要由七部分组成：

版面设计器、属性编辑器、菜单编辑器、调整工具、对象浏览器、Tab顺序编辑器、M文件编辑器。

4.1GUIDE的操作界面及使用方法的介绍

4.1.1．启动GUIDE

在命令窗口中直接键入guide，启动GUIDE，或者直接点击MATLAB上按钮，会出现如图4.1所示的GUIDEQuickStart对话框。

利用GUIDE模板创建GUI，或者打开已经存在的GUI，单击OK按钮，打开版面设计工具，如图4.2所示。

在通常状况下组件面板并不显示出组件的名称，如果需要显示组件名称，则进行下面的操作：

从File菜单中选择Preferences选项，勾选Shownamesincomponentpalette选项即可。

图5.1GUIDE启动对话框

图5.2版面设计器

4.1.2．GUI文件的介绍

GUIDE把GUI设计的内容保存在两个文件中，它们在第一次保存或运行时生成。

一个是FIG文件，扩展名为．Fig（如GUIlx.FIg），它包含对GUI和GUI组件的完整描述；

另外一个是M文件，扩展名为．M（如GUIlx.m），它包含控制GUI的代码和组件的回调事件代码。

这两个文件与GUI显示和编程任务相对应。

在版面设计器中创建GUI时，内容保存在FIG文件中；

对GUI编程时，内容保存在M文件中。

通常情况下在版面设计器工具栏上单击图标可以打开M文件编辑器。

图4.3所示的编辑器显示了GUIwithAxesandMenu模板的M文件的内容。

图5.3M文件编辑器

4.1.3．GUIDE环境的设置

用户可以自定义GUIDE设计环境。

在File菜单下选择Preferences，打开如图4.4所示的设置对话框，可以进行相应的设置。

图5.4GUIDE环境设置

4.2、基于GUI的图像处理软件平台的设计过程

4.2.1．GUIDE版面设计器（即FIG文件）的设计

根据设计需要：

首先拖拽两个图形窗口（Axes），一个作为待处理图片区域，另一个作为已处理图片区域；

其次，拖拽六个电子按钮（RadioButton），作为边缘检测操作按钮以及一个Panel按钮作为检测按钮的支撑面板；

第三，拖拽三个按钮（PushButton），作为灰度变化区域的按钮；

最后，拖拽五个按钮（PushButton），作为选取/保存图片及退出等操作按钮。

将上面的所有按钮及图形窗口合理的布局，达到美观工整的效果，本文设计的GUIDE如图4.5所示，然后运行一下GUI，系统会自动生成GUI文件。

图4.5图像处理软件的GUIDE版面

注意：

为了共享数据，如读入的图像文件数据，建议首先在Figure窗口上添加这个共享数据，即在Figure中单击右键，选择M-fileeditor，进入M文件编辑器，在functionGUIlx_OpeningFcn（hObject,eventdata,handles,varargin）函数的空白处加入

setappdata（handles.figure1,'

im'

0）;

4.2.2．选取图片按钮的GUI设计

要想设计一个图像处理的软件，首先要考虑选取图片，选取什么格式的图片，这个是至关重要的，所以先介绍一下选取图片按钮的GUI设计方法。

上面已经规划好了按钮的位置，如果想在点击选取图片按钮时，软件给予响应，需要给按钮输入一定的程序代码，设置代码的方法如下：

右键单击选取图片按钮，选择ViewCallbacks/Callback，系统会自动带设计者进入此按钮的代码输入区域，在下面的空白处输入如下代码[1]：

im）;

[filename,pathname]=...

uigetfile（{'

*.*'

;

'

*.bmp'

*.tif'

*.png'

},'

selectpicture'

）;

%选择图片路径

str=[pathnamefilename];

%合成路径+文件名

im=imread（str）;

%读取图片

axes（handles.axes1）;

%使用第一个axes

imshow（im）;

%显示图片

写完上述代码后，保存M文件，然后运行GUI，现在就可以实现选择图片的功能了。

当然有选取就要考虑存储已处理好的图片，这就引出了存储图片按钮的GUI设计。

4.2.3．存储图片按钮的GUI设计

同样右键单击存储图片按钮，选择ViewCallbacks/Callback，进去M文件后在下面的空白处输入如下代码[2]：

[filename,pathname,filterindex]=...

uiputfile（{'

savepicture'

存储图片路径

ifisequal（filename,0）||isequal（pathname,0）

return%如果取消操作，返回

else

axes（handles.axes2）;

%使用第二个axes

im=getimage（handles.axes2）;

imwrite（im,str）;

%写入图片信息，即保存图片

end

4.2.4．图像复原按钮的GUI设计

axes（handles.axes2）;

im=getappdata（handles.figure1,'

PSF=fspecial（'

motion'

20,7）;

J=deconvreg（im,PSF）;

imshow（J）;

guidata（hObject,handles）;

%im=im2double（im）;

J=deconvwnr（im,PSF）;

4.2.5．退出按钮的GUI设计

同样右键单击退出按钮，选择ViewCallbacks/Callback，进入M文件中，在空白处输入如下代码：

close（gcf）%关闭当前Figure窗口句柄

其他按钮代码的设置都与上面叙述的大同小异，相关图像处理程序代码请参考MATLAB7.0图形图像处理，在这里将不再累述。

4.3、图像处理软件的运行举例

运行GUI，将生成图像处理的软件平台，它可以实现的功能有：

五种常用的边缘检测、灰度直方图的显示、灰度直方图的均衡化、对比度自适应直方图的均衡化、图片的二值化以及彩色图片的灰度化。

现在运行软件并举些相关图像处理实例,如图4.6所示：

图4.6

六、结束语

由于MATLAB强大的工程计算和仿真能力，使越来越多的用户从原来的开发环境转到MATLAB上来。

现在绝大多数MATLAB开发者都是一些从事一定领域的研究者，他们使用其他的开发环境设计GUI不紧编程复杂、而且学习困难，往往需要花费大量时间在编程上。

但是，MATLAB提供了一个简便的开发环境，可以让开发着快速上手，提高了开发者的工作效率。

本文详细向读者介绍了MATLAB的GUI的制作方法，通过这个例子，可以清楚的了解GUIDE的设计方法及相关图像处理代码的编辑，使读者从感性的角度认识GUIDE的功能及使用方法，可以说为初学者提供了一个学习平台，打下坚实的基础。

七、参考文献

[1]孙家广等主编.计算机图形学.第3版.北京：

清华大学出版社，1998.9.

[2]罗军辉等主编.MATLAB7.0在图像处理中的应用.第1版.北京：

机械工业出版社，2007.7.