1、I摘 要在获取图像的过程中，由于多种因素的影响，导致图像质量会有所退化。图像增强的目的在于通过处理有选择地突出便于人或机器分析某些感兴趣的信息，抑制一些无用的信息，以提高图像的使用价值。图像锐化正是图像增强中空间域局部运算方法中的一种，其目的是增强和判断图像的边缘和轮廓信息。而图像锐化的具体方法就是通过微分而使图像边缘突出、清晰。图像锐化最常用的方法是梯度锐化法，但除梯度算法外，图像锐化的方法还有Roberts、Prewitt、Sobel 和 Laplacian 等多种算法，本文对这些方法进行了介绍、比较和分析。最后对 MATLAB 做了介绍，并运用 MATLAB 语言对图像锐化的部分算法进行
2、了实现并记录结果。通过对各种算法仿真和比较，每种算法都有各自的优缺点。在分析了本论文采用的图像特点后，有针对性的对 Laplacian 算法进行了改进，即采用高提升滤波来提高图像的亮度。实验结果表明，此方法可行，达到了预期的锐化效果。关键词：图像增强；边缘；MATLAB；图像锐化IIAbstractIn the process of image acquisiting, the image quality will be degraded due to a variety of factors. Image enhanceing is aimed at highlighting some in
3、terested information that is easy to analyze for people and machine and inhibiting some useless information to enhance the image value. Image sharpening is a partion operation method of image enhancing in spatial domain, and its purpose is to enhance and judge the edge of the image and profile infor
4、mation and the specific method of the image sharpening uses differential to make the edge so prominent and clear. The most commonly used method of image sharpening is gradient sharpening. But apart from the gradient algorithm, image sharpening methods also have Roberts, Prewitt, Sobel, Laplacian and
5、 etc. These methods were introduced, compared and analyzed. Finally, MATLAB is introduced. And a part of the image sharpening algorithm is achievd and the results afe recorded. Through the simulation and comparison of the various algorithms, each algorithm has its own advantages and disadvantages. A
6、fter the features of the image using in this paper are analyzed, it improves the Laplacian algorithm contrapositively, namely using high-elevating filtering to improve the brightness of the image. Experimental results show that the method is feasible and achieves the desired sharpening effect.Key wo
7、rds: Image enhancing; Edge;MATLAB; Image Sharpening III毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用
8、于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： IV注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300 字左右） 、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论） 、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于 1 万字（不包括图纸、程序清单等） ，文科类论文正文字数不少于 1.2 万
9、字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件） 。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用 A4 单面打印，论文 50 页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它V目 录1 引 言 .11.
10、1 图像及其特点 .11.2 图像的文件格式 .11.3 数字图像处理 .51.3.1 数字图像处理概述 .51.3.2 数字图像处理发展概况 .51.3.3 数字图像处理主要研究内容 .61.3.4 数字图像处理的基本特点 .71.3.5 数字图像处理的优点 .81.3.6 数字图像处理的应用 .81.4 图像锐化的研究背景 .101.5 研究图像锐化的目的和注意事项 .101.6 本文内容的安排 .102 图像锐化 .112.1 微分法 .112.1.1 梯度法（Gradieut ） .112.1.2 Sobel 算法 .132.1.3 LOG 算子 .142.2 拉普拉斯算子 .142.
11、3 高通滤波法 .152.3.1 空间域高通滤波 .152.3.2 频率域高通滤波 .162.3.3 统计差值法(用于勾边处理) .172.4 MATLAB 中如何实现图像锐化 .172.5 总结 .183 锐化的边缘检测法与锐化算子 .193.1 边缘检测法 .193.1.1 梯度算子 .193.1.2 梯度算子在 MATLAB 中的实现 .203.2 拉普拉斯算子 .213.3 边缘连接方法 .213.4 边缘检测的 MATLAB 实现方法 .223.5 MATLAB 的实现程序如下 .233.6 结论 .234 MATLAB 简介及 GUI 设计 .244.1 MATLAB 简介 .24
12、VI4.2 图形用户界面 GUI .244.3 GUI 设计原理及简介 .254.4 设计方法 .254.4.1 图形用户界面设计工具 .254.4.2 菜单设计 .264.4.3 对话框设计 .264.4.4 句柄图形 .274.4.5 图形对象句柄命令 .274.5 总结 .275 结论与展望 .285.1 结论 .285.2 展望 .28致 谢 .29参考文献 .30基于 MATLAB 的图像锐化算法研究与仿真11 引 言据研究，在人类所接受到的全部信息中，约有 75%80%是通过视觉系统得到的，和语言或文字信息相比，图像包含的信息量更大、更直观、更确切，因而具有更高的使用效率和更广泛的
13、适应性。当图像以数字形式进行处理和传输时，由于具有质量好、成本低和易于实现等优点，这种存储和传输格式已经成为该领域当前和未来的主要发展趋势。1.1 图像及其特点客观世界在空间上是三维(3-D) 的，但一般从客观景物得到的图像是二维(2-D) 的。一幅图像可以定义为一个二维函数 ，这里 x 和 y 表示 2-D 空间中一个坐标点的位置，)y,(f而幅值 f 则代表图像在坐标 上的某种性质的数值。例如常用的图像一般是灰度图，x这时 f 表示灰度值，它常对应客观景物被观察到的亮度 1。数字图像常用矩阵来描述。一幅 MN 个像素的数字图像，其像素灰度值可以用 M行、N 列的矩阵G表示： MN21N12
14、1g G 在存储图像时，一幅 M 行、N 列的数字图像(MN 个像素)，可以用一个 MN 的二维数组 T 来表示。图像的各个像素灰度值可按一定的顺序存放在数组 T 中。习惯上把数字图像左上角的像素定义为第(1,1)，右下角的像素定义为第(M,N)个像素。数字图像处理，就是把数字图像经过一些特定数理模式的加工处理，以达到有利于人眼视觉或某种接收系统所需要的图像的过程。如对被噪声污染的图像除去噪声，对信息微弱的图像进行增强，对失真的图像进行几何校正等。随着计算机软硬件技术的突飞猛进，以及数字处理技术的不断发展，数字图像处理在科学研究、工业生产、国防以及现代管理决策等各行各业都得到越来越多的应用。1
15、.2 图像的文件格式(1) BMP 图像文件格式BMP 是一种与硬件设备无关的图像文件格式，使用非常广。它采用位映射存储格式，除了图像深度可选以外，不采用其他任何压缩，因此，BblP 文件所占用的空间很大。BMP 文件的图像深度可选 lbit、4bit、8bit 及 24bit。BMP 文件存储数据时，图像的扫描方式是按从左到右、从下到上的顺序。由于 BMP 文件格式是 Windows 环境中交换与图有关的数据的一种标准，因此在XX 大学学士学位论文2Windows 环境中运行的图形图像软件都支持 BMP 图像格式。典型的 BMP 图像文件由三部分组成：位图文件头数据结构，它包含 BMP 图像
16、文件的类型、显示内容等信息；位图信息数据结构，它包含有 BMP 图像的宽、高、压缩方法，以及定义颜色等信息。BMP 是(Windows 位图)Windows 位图可以用任何颜色深度(从黑白到 24 位颜色)存储单个光栅图像。Windows 位图文件格式与其他 Microsoft Windows 程序兼容。它不支持文件压缩，也不适用于 Web 页从总体上看，Windows 位图文件格式的缺点超过了它的优点。为了保证照片图像的质量，请使用 PNG 、JPEG、TIFF 文件。BMP 文件适用于 Windows 中的墙纸。优点：BMP 支持 1 位到 24 位颜色深度。BMP 格式与现有 Windo
17、ws 程序（尤其是较旧的程序）广泛兼容。缺点： BMP 不支持压缩，这会造成文件非常大。 BMP 文件不受 Web 浏览器支持。(2) PCX 图像文件格式PCX 这种图像文件的形成是有一个发展过程的。最先的 PCX 雏形是出现在 ZSOFT公司推出的名叫 PC PAINBRUSH 的用于绘画的商业软件包中。以后，微软公司将其移植到 Windows 环境中，成为 Windows 系统中一个子功能。先在微软的 Windows31 中广泛应用，随着 Windows 的流行、升级，加之其强大的图像处理能力，使 PCX 同GIF、TIFF 、 BMP 图像文件格式一起，被越来越多的图形图像软件工具所支
18、持，也越来越得到人们的重视。PCX 是最早支持彩色图像的一种文件格式，现在最高可以支持 256 种彩色，如图 4-25 所示，显示 256 色的彩色图像。PCX 设计者很有眼光地超前引入了彩色图像文件格式，使之成为现在非常流行的图像文件格式。PCX 图像文件由文件头和实际图像数据构成。文件头由 128 字节组成，描述版本信息和图像显示设备的横向、纵向分辨率，以及调色板等信息：在实际图像数据中，表示图像数据类型和彩色类型。PCX 图像文件中的数据都是用 PCXREL 技术压缩后的图像数据。PCX 是 PC 机画笔的图像文件格式。PCX 的图像深度可选为 l、4、8bit。由于这种文件格式出现较早
19、，它不支持真彩色。PCX 文件采用 RLE 行程编码，文件体中存放的是压缩后的图像数据。因此，将采集到的图像数据写成 PCX 文件格式时，要对其进行 RLE 编码：而读取一个 PCX 文件时首先要对其进行 RLE 解码，才能进一步显示和处理。(3) TIFF 图像文件格式TIFF (TaglmageFileFormat)图像文件是由 Aldus 和 Microsoft 公司为桌上出版系统研制开发的一种较为通用的图像文件格式。TIFF 格式灵活易变，它又定义了四类不同的格式：TIFF-B 适用于二值图像：TIFF-G 适用于黑白灰度图像；TIFF-P 适用于带调色板的彩色图像：TIFF-R 适用
20、于 RGB 真彩图像。TIFF 支持多种编码方法，其中包括 RGB 无压缩、 RLE 压缩及 JPEG 压缩等。基于 MATLAB 的图像锐化算法研究与仿真3TIFF 是现存图像文件格式中最复杂的一种，它具有扩展性、方便性、可改性，可以提供给 IBMPC 等环境中运行、图像编辑程序。TIFF 图像文件由三个数据结构组成，分别为文件头、一个或多个称为 IFD 的包含标记指针的目录以及数据本身。TIFF 图像文件中的第一个数据结构称为图像文件头或 IFH。这个结构是一个 TIFF 文件中唯一的、有固定位置的部分；IFD 图像文件目录是一个字节长度可变的信息块，Tag标记是 TIFF 文件的核心部分
21、，在图像文件目录中定义了要用的所有图像参数，目录中的每一目录条目就包含图像的一个参数。(4) GIF 文件格式GIF(Graphics Interchange Format)的原义是“ 图像互换格式“，是 CompuServe 公司在 1987 年开发的图像文件格式。GIF 文件的数据，是一种基于 LZW 算法的连续色调的无损压缩格式。其压缩率一般在 50左右，它不属于任何应用程序。目前几乎所有相关软件都支持它，公共领域有大量的软件在使用 GIF 图像文件。GIF 图像文件的数据是经过压缩的，而且是采用了可变长度等压缩算法。所以 GIF 的图像深度从 lbit 到 8bit，也即 GIF 最多
22、支持 256 种色彩的图像。 GIF 格式的另一个特点是其在一个 GIF 文件中可以存多幅彩色图像，如果把存于一个文件中的多幅图像数据逐幅读出并显示到屏幕上，就可构成一种最简单的动画。GIF 解码较快，因为采用隔行存放的 GIF 图像，在边解码边显示的时候可分成四遍扫描。第一遍扫描虽然只显示了整个图像的八分之一，第二遍的扫描后也只显示了 1/4，已经把整幅图像的概貌显示出来了。在显示 GIF 图像时，隔行存放的图像会给您感觉到它的显示速度似乎要比其他图像快一些，这是隔行存放的优点。(5) JPEG 文件格式JPEG 是 joint Photographic Experts Group(联合图像
23、专家组)的缩写，文件后辍名为“ jpg“或“jpeg“，是最常用的图像文件格式，由一个软件开发联合会组织制定，是一种有损压缩格式，能够将图像压缩在很小的储存空间，图像中重复或不重要的资料会被丢失，因此容易造成图像数据的损伤。尤其是使用过高的压缩比例，将使最终解压缩后恢复的图像质量明显降低，如果追求高品质图像，不宜采用过高压缩比例。但是 JPEG 压缩技术十分先进，它用有损压缩方式去除冗余的图像数据，在获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像，换句话说，就是可以用最少的磁盘空间得到较好的图像品质。而且 JPEG 是一种很灵活的格式，具有调节图像质量的功能，允许用不同的压缩比例对文件进行压缩
24、，支持多种压缩级别，压缩比率通常在 10：1 到 40：1 之间，压缩比越大，品质就越低；相反地，压缩比越小，品质就越好。比如可以把 137Mb 的 BMP 位图文件压缩至 203KB。当然也可以在图像质量和文件尺寸之间找到平衡点。 JPEG 格式压缩的主要是高频信息，对色彩的信息保留较好，适合应用于互联网，可减少图像的传输时间，可以支持 24bit 真彩色，也普遍应用于需要连续色调的图像。JPEG 格式是目前网络上最流行的图像格式，是可以把文件压缩到最小的格式，在 Photoshop 软件中以 JPEG 格式储存时，提供 11 级压缩级别，以 010 级表示。其中 0 级压缩比最高，图像品质
25、最差。即使采用细节几乎无损的 10 级质量保存时，压缩比也可达 XX 大学学士学位论文45：1。以 BMP 格式保存时得到 428MB 图像文件，在采用 JPG 格式保存时，其文件仅为 178KB，压缩比达到 24：1。经过多次比较，采用第 8 级压缩为存储空间与图像质量兼得的最佳比例。JPEG 格式的应用非常广泛，特别是在网络和光盘读物上，都能找到它的身影。目前各类浏览器均支持 JPEG 这种图像格式，因为 JPEG 格式的文件尺寸较小，下载速度快。JPEG2000 作为 JPEG 的升级版，其压缩率比 JPEG 高约 30左右，同时支持有损和无损压缩。JPEG2000 格式有一个极其重要的
26、特征在于它能实现渐进传输，即先传输图像的轮廓，然后逐步传输数据，不断提高图像质量，让图像由朦胧到清晰显示。此外，JPEG2000 还支持所谓的“ 感兴趣区域“ 特性，可以任意指定影像上感兴趣区域的压缩质量，还可以选择指定的部分先解压缩。JPEG2000 和 JPEG 相比优势明显，且向下兼容，因此可取代传统的 JPEG 格式。JPEG2000 即可应用于传统的 JPEG 市场，如扫描仪、数码相机等，又可应用于新兴领域，如网路传输、无线通讯等等。(6) TGA 格式TGA 格式 (Tagged Graphics)是由美国 Truevision 公司为其显示卡开发的一种图像文件格式，文件后缀为“t
27、ga“，已被国际上的图形、图像工业所接受。TGA 的结构比较简单，属于一种图形、图像数据的通用格式，在多媒体领域有很大影响，是计算机生成图像向电视转换的一种首选格式。TGA 图像格式最大的特点是可以做出不规则形状的图形、图像文件，一般图形、图像文件都为四方形，若需要有圆形、菱形甚至是缕空的图像文件时，TGA 可就派上用场了。TGA 格式支持压缩，使用不失真的压缩算法。(7) EXIF 格式EXIF 的格式是 1994 年富士公司提倡的数码相机图像文件格式，其实与 JPEG 格式相同，区别是除保存图像数据外，还能够存储摄影日期、使用光圈、快门、闪光灯数据等曝光资料和附带信息以及小尺寸图像。(8)
28、 FPX 图像文件格式FPX 图像文件格式(扩展名为 fpx)是由柯达、微软、HP 及 Live PictureInc 联合研制，并于 1996 年 6 月正式发表，FPX 是一个拥有多重分辨率的影像格式，即影像被储存成一系列高低不同的分辨率，这种格式的好处是当影像被放大时仍可维持影像的质素，另外，当修饰 FPX 影像时，只会处理被修饰的部分，不会把整幅影像一并处理，从而减小处理器及记忆体的负担，使影像处理时间减少。(9) PNG 图像文件格式PNG(Portable Network Graphics)的原名称为“可移植性网络图像“，是网上接受的最新图像文件格式。PNG 能够提供长度比 GIF 小 30的无损压缩图像文件。它同时提供 24位和 48 位真彩色图像支持以及其他诸多技术性支持。由于 PNG 非常新，所以目前并不是所有的程序都可以用它来存储图像文件，但 Photoshop 可以处理 PNG 图像文件，也可以用 PNG 图像文件格式存储。还有如 SVG、PSD、CDR、PCD、DXF 、UFO、EPS 等一些不常见的图像文件格式
