緒言——《數字圖像處理》學習筆記（一）
1 數字圖像處理初識
一幅圖像可以這樣進行定義：使用一個二維函數f(x,y)，其中x和y是是空間坐標，而f在任意一對坐標(x,y)處的幅度稱作該點處圖像的亮度或者灰度。當x,y和f的幅值都是有限的離散值時，稱該圖像為數字圖像。數字圖像處理就是使用計算機處理這些數字圖像。需要注意的是，數字圖像是由有限數量的元素組成的，每個元素都有一個特殊的位置和數值。而這些元素成為畫素或像素。而像素是廣泛用于定義數字圖像元素的術語。
視覺是我們感覺中最高級的，因此，圖像在人類感知中起著最重要的作用并不令人奇怪。然而，人類的視覺被限制在電磁波譜的可視波段，而成像機器幾乎覆蓋了全部電磁波譜，其范圍從伽馬射線到無線電波。他們還可以在人類不常涉及的圖像源所產生的圖像上進行處理，包括超聲波、電子顯微鏡和計算機產生的圖像。這樣一來，數字圖像處理就包含了很寬的應用領域。
圖像處理涉及的領域十分廣。有時，人們將圖像處理定義為其輸入與輸出均是圖像的一個學科。但這其實是存在局限性，并有點人為界定的意思。例如，在這種定義之下，計算圖像的平均亮度這種簡單任務將不被認為是圖像處理操作。另外，存在像計算機視覺這樣的領域，其最終目的是用計算機來模仿人類視覺，包括學習和推理，并根據視覺輸入采取相應的行動。該領域本身是人工智能的一個分支，其目的是模仿人類智能。人工智能的研究領域從發展的意義上還處于初始階段，其進展要比預期的慢得多。圖像分析領域（也稱為圖像理解）介于圖像處理和計算機視覺之間。
圖像處理與計算機視覺之間并沒有明顯的界限，但我們可以通過考慮三種類型的計算機化處理來加以區分：低級、中級和高級處理。其中低級處理包括原始操作：如降低噪聲的圖像預處理、對比度增強和圖像銳化。低級處理的特點是其輸入與輸出均為圖像。圖像的中級處理涉及諸如分割這樣的任務，即把圖像分為區域或對象，然后對對象進行描述，以便于把它們簡化為適合計算機處理的形式，并對單個對象進行分類（識別）。中級處理的特點是，其輸入通常是圖像，但輸出則是從這些圖像中提取的屬性（如邊緣、輪廓以及單個對象的特性）。最后，高級處理通過執行通常與人類視覺相關的感知函數，來對識別的對象進行總體確認。
基于前面的注釋，我們可知圖像處理和圖像分析之間的重疊之處是圖像中單個區域或對象的識別。這樣，書中所謂的數字圖像處理就包含了其輸入與輸出都是圖像的過程，從圖像中提取特性的過程，以及對單個對象進行識別的過程。為了說明這些概念，我們現在考慮文本的自動分析這一領域。該領域的圖像獲取過程，包括獲取文本、預處理圖像、提取（分割）個別字符、以適合計算機處理的形式描述字符以及識別這些個別字符，就在書中所謂的數字圖像處理處理范圍之內。弄清這些內容后就了解了圖像分析和計算機視覺的領域。正像我們所定義的那樣，數字圖像處理已成功用于許多領域，給人們帶來了巨大的社會和經濟價值。
2 MATLAB和圖像處理工具箱背景知識
MATLAB對于技術計算來說是一種高性能的語言。它以易于應用的環境集成了計算、可視化和編程，在該環境下，問題及其解以我們熟悉的數學表示法來表示。典型的應用包括如下：
- 數學和計算
- 算法開發
- 數據獲取
- 建模、模擬和原型設計
- 數據分析、研究和可視化
- 應用開發，包括圖像用戶界面（GUI）
MATLAB是一種交互式系統，其基本數據元素是并不要求確定維數的一個數組。這就允許人們用公式化方法求解許多技術計算問題，特別是涉及矩陣表示的問題。有時，MATLAB可調用使用C和Fortran這類非交互式語言所編寫的程序。
3 MATLAB工作環境
3.1 MATLAB桌面
MATLAB桌面是MATLAB應用的主窗口。如下圖所示，桌面主要5個子窗口：命令窗口、工作空間窗口、瀏覽器、當前目錄窗口、歷史命令窗口和一個或多個圖像窗口（僅在用戶顯示一幅圖形時出現）。
命令窗口是用戶在提示符（>>）處鍵入MATLAB命令和表達式的地方，也是顯示那些命令的輸出的地方。MATLAB以用戶在工作對話中創建變量集的形式確定工作空間。工作空間瀏覽器顯示這些變量和關于它們的某些信息。在工作空間瀏覽器中雙擊變量會啟動數組編輯器，它可以用來得到信息并在某些情形下編輯變量的某些屬性。
Workspace標簽上方的Current Directory標簽顯示當前目錄的內容，它們的路徑顯示在當前目錄窗口內。例如，在Windows操作系統中，路徑的形式可能如下：C:\MATLAB\Work，表示目錄Work是主目錄MATLAB的子目錄，主目錄安裝在驅動器C中。在當前目錄窗口中點擊箭頭會顯示最近用過的路徑列表。點擊該窗口右邊的按鈕可更改當前目錄。
MATLAB使用搜索路徑尋找M文件和其他與MATLAB相關的文件，這些文件被組織在計算機文件系統的目錄中。任何在MATLAB中運行的文件必須駐留在當前目錄或在搜索路徑的目錄中。默認時，MATLAB和MathWorks工具箱提供的文件包含在搜索路徑中。要了解哪些目錄位于搜索路徑上，或是添加或修改搜索路徑，最簡單的方法是在桌面上File菜單中選擇Set Path，然后使用Set Path對話框。通常，最好將常用的目錄添加到搜索路徑中，以避免重復地更改當前目錄。
命令歷史窗口包含用戶已在命令窗口中輸入的命令的記錄，包括當前和以前的MATLAB會話。要選擇并重新執行之前的MATLAB命令，可在命令歷史窗口中右鍵該命令或命令序列。該操作會啟動一個菜單，從菜單中可選擇除執行命令外的各種選項。當在工作會話中試用各種命令時，這是很有用的特性。
3.2 使用MATLAB編輯器創建M文件
MATLAB編輯器既是用于創建M文件的文本編輯器，也是圖形MATLAB調試器。編輯器可以自己以一個窗口出現出，或者以桌面上的子窗口出現。M文件用擴展符.m來表示，如pixeldup.m。MATLAB編輯器窗口有很多下拉菜單，用于保存、查看和調試文件。因為MATLAB編輯器可執行某些簡單的檢查，并且可用彩色區分各種編碼元素，因此，在編寫和編輯M函數時，應首選使用該文本編輯器。要打開該編輯器，可在命令窗口的提示符處鍵入“edit”命令。類似地，在提示符下鍵入“edit filename”，會在編輯器窗口打開M文件filename.m，編輯工作準備就緒。正像前面提到的那樣，文件必須在當前目錄中，或在搜索路徑 的目錄中。
3.3 獲得幫助
獲得在線幫助的主要方法是應用MATLAB幫助瀏覽器，要打開幫助瀏覽器，可在桌面工具條上雙擊問好符（?），或在命令窗口提示符處鍵入“helpbrowser”。幫助瀏覽器是集成到MATLAB桌面的Web瀏覽器，它顯示超文本標記語言（HTML）文檔。幫助瀏覽器由兩個面板組成，即用于尋找信息的幫助導航面板和用于查看信息的顯示面板。導航面板上的自我解釋標簽用于執行搜索。例如，要得到特殊函數的幫助，可選擇Search標簽，并未Search Type選擇Function Name，然后再Search for域中鍵入該函數的名稱。在MATLAB會話開始后，最好打開幫助瀏覽器，以便在編碼開發或其他MATLAB任務期間得到幫助。
獲得某個函數的幫助的另一種方法是，在提示符處鍵入doc及該函數名。例如，若鍵入doc format，則會在幫助瀏覽器的顯示面板中顯示format
函數的說明。若瀏覽器未打開，則該命令會打開瀏覽器。
M函數有兩種可以由用戶顯示的信息類型。第一種信息類型成為H1行，它包含函數名和一行描述。第二種信息類型稱為幫助文本塊。在提示符處鍵入help及函數名，就會在命令窗口顯示函數的H1行和幫助文本。有時，這種信息可能比幫助瀏覽器中的信息更新、更多，因為它是直接從相關M函數的文檔中提取的。鍵入lookfor及一個關鍵字，會顯示所有包含該關鍵字的H1行。在尋找特殊主題但又不知適用函數的名稱時，該函數很有用。例如，在提示符處鍵入lookfor edge，會顯示所有包含該關鍵字的H1行。因為H1行包含函數名，所以就有可能使用其他的幫助方法來查找指定的函數。在提示符處鍵入lookfor edge-all，會顯示所有函數的H1行，而這些函數會在H1行貨幫助文本塊中包含單詞edge。還會檢測到包含字符edge的單詞。例如，在H1行或幫助文本中包含單詞polyedge的函數的H1行，也會顯示出來。
除lookfor方法外，在使用前面描述的任何方法顯示一個M函數的信息時，“幫助頁”是MATLAB的常用術語。同時MathWorks網站包含有豐富的幫助材料、他人開發的函數以及其他資源。
3.4 保存和檢索工作會話
在MATLAB 中，保存和載入一個完整地工作會話或選取的工作空間變量有幾種方法。最簡單的方法如下。
為保存一個完整的工作空間，可簡單地在工作空間瀏覽器窗口中的任何空白處右鍵單擊，并在出現的菜單中選擇Save Workspace As。這會打開一個目錄窗口，該窗口允許命名文件及在系統中選擇任何文件夾，并在文件夾中保存文件。然后，可簡單地點擊Save按鈕。為了從工作空間保存一個所選的變量，可左鍵單擊以選擇該變量，然后在突出顯示的區域右鍵單擊。然后，在出現的菜單中選擇Save Selection As。這將再次打開一個窗口，從中可選擇一個文件夾來保存該變量。要選擇多個變量，可Shift-單擊或Control-單擊，然后使用保存單個變量的過程。所有文件都以雙精度二進制格式保存，擴展名為.mat。這些已保存的文件通常稱為MAT文件。
要載入保存過的工作空間和/或變量，可在工作空間瀏覽器窗口的工具條上左鍵單擊文件夾圖標。這將打開一個窗口，這時可從中選擇衣蛾含有感興趣MAT文件的文件夾。雙擊選中的MAT文件或選擇Open按鈕，可在工作空間瀏覽器窗口中恢復文件的內容。
在提示符處鍵入帶有合適文件名及路徑信息的save和load命令，也可以實現前幾段描述的相同結果。這種方法雖然不太方便，但也有其優點。
參考文獻
