第5章 Simulink视频和图像处理模块

第5章 Simulink视频、图像处理模块 及实例

教学目标 通过本章的学习，了解Simulink视频和图像处理模块集的各组成部分；了解图像数据类型、颜色空间等基本概念；了解常用图像处理的一般原理；掌握使用其相关子模块进行图像转换、图像增强、图像的几何变换、图像的形态学操作、图像的恢复与重建等常用图像处理操作的方法。

本章是在Simulink的基础上，从工程技术应用的角度出发，以静态图像为主要对象，着重讨论视频和图像处理模块集在数字图像处理中的基本应用方法。图像恢复和重建在MATLABR2008b版本的Simulink中还未包括针对性的处理模块，需要在图像处理工具箱中调用相关函数，如：deconvwnr、deconvreg、deconvlucy、deconvblind四种常用的图像恢复函数，以及利用radon函数实现图像重建等。这些内容加以扩展后可适用于视频信号处理。

5.1 视频和图像处理模块集

5.1.1 视频和图像处理模块集概述 以Simulink为基础的视频和图像处理模块集（Video and Image Processing Blockset）在 MATLAB R14中开始出现，并随着MATLAB新版本的推出不断地更新，在MATLAB R2008b中的版本为V2.6。该模块集提供了视频和图像处理多项成熟技术的应用模块，可为航空航天、国防、影像通讯、工业自动化、交通管理、医学图像处理、地理测绘等诸多领域提供直观方便的图像处理手段。 与Simulink其它工具箱的用法相同，用户在使用视频和图像处理模块集时，只需选用所需模块绘制好仿真系统框图，设定各模块参数，即可启动仿真，完成图像处理工作。此方法简单直观，不需要编写复杂的程序代码，也不需要精通各模块的内部原理与算法。 有多个方法可以打开视频和图像处理模块集。1）单击MATLAB窗口左下角的Start按钮，选择Blocksets→ Video and Image Processing→Block library命令，即可打开如图5.1所示的Library:viplibv1（视频和图像处理模块集）窗口；2）直接在Command Window（命令窗口）内输入viplib命令；3）在Simulink Library Browser（Simulink 模块库浏览器）窗口中，单击Libraries列表框中的Video and Image Processing Blockset选项；即可在窗口右侧展开Video and Image Processing Blockset标签；4）右击Libraries列表框中的Video and Image Processing Blockset选项，在弹出的快捷菜单中选择Open Video and Image MATLAB在电气信息类专业中的应用 226 Processing Blockset Library命令。 视频和图像处理模块集V2.6共有70多个子模块，分成以下共11大类模块： • Analysis & Enhancement（分析和增强模块库） • Conversions（转换模块库） • Filtering（滤波模块库） • Geometric Transformations（几何变换模块库） • Morphological Operations（形态学操作模块库） • Sinks（接收器模块库） • Sources（输入源模块库） • Statistics（统计模块库） • Text & Graphics（文本和图形模块库） • Transforms（变换模块库） • Utilities（工具模块库）

图5.1 Library:viplibv1窗口

5.1.2 分析和增强（Analysis & Enhancement）模块库 分析和增强（Analysis & Enhancement）类模块主要用于对图像及视频进行分析或增强处理。双击图5.1所示视频和图像处理模块集窗口中的Analysis & Enhancement模块，即可打开该类模块库窗口，此模块库共包含10个子模块，各子模块功能如下： (1) Block Matching（块匹配）模块 使用块匹配算法对多图像序列或视频帧序列进行运动估计。块匹配算法是常用的运动估计算法，可用于去除视频帧间的冗余信息，进行视频压缩。 (2) Contrast Adjustment（对比度调节）模块 通过线性变换像素值的方法对图像进行对比度调节。 (3) Corner Detection（角点检测）模块 找出图像中的角点。可选择Harris角点检测法、最小特征值法或者局部亮度比较法进第5章 Simulink视频、图像处理模块及实例 227 行角点检测。 (4) Deinterlacing（反交错处理）模块 也叫去隔行处理，通过对输入视频信号进行去隔行处理来消除运动模糊。可选择线复制法（倍线法）、线性插值法或者场中值滤波法。 (5) Edge Detection（边缘检测）模块 对图像进行边缘检测。可选择使用Sobel算子、Prewitt算子、Roberts算子或者Canny算子来找到图像中的物体边缘。 (6) Histogram Equalization（直方图均衡化）模块 对图像进行直方图均衡化。可以提高图像对比度。 (7) Median Filter（中值滤波）模块 执行中值滤波操作。可降低图像噪声。 (8) Optical Flow（光流法）模块 执行光流法操作进行运动估计。可选择Horn-Schunck法或Lucas-Kanade法。 (9) SAD（绝对误差和）模块 求二维绝对误差和SAD。可用于寻找两幅图像的相似之处，输出可选择SAD值（多个），或者SAD最小值。 (10) Trace Boundaries（边界跟踪）模块 对二值图像执行边界跟踪。非0像素为目标，0像素为背景。

5.1.3 转换（Conversions）模块库 转换（Conversions）类模块主要用于完成图像转换操作，例如色彩空间的转换。双击图5.1所示视频和图像处理模块集窗口中的Conversions模块，即可打开该类模块库窗口，此模块库共包含7个子模块，各子模块功能如下： (1) Autothreshold（自动阈值）模块 执行自动阈值转换。可将灰度图像转换成二值图像。 (2) Chroma Resampling（色度重采样）模块 进行色度重采样转换。对YCbCr模式信号进行色度重采样，以降低带宽及存储要求，有多种重采样方式供选择。 (3) Color Space Conversion（色彩空间转换）模块 执行色彩空间转换。共有9种转换类型可供选择，例如RGB转为灰度图，RGB转为YCbCr等等。 (4) Demosaic（去马赛克）模块 执行逆马赛克变换。对Bayer模式图像进行去马赛克处理。 (5) Gamma Correction（伽玛校正）模块 对图像或视频流应用或去除伽玛校正。改变伽玛值，可对图像的伽玛曲线进行编辑，检出图像信号中的深色部分和浅色部分，并使两者比例增大，从而提高图像对比度。 (6) Image Complement（图像求补）模块 对图像进行求补（求反）转换。对二值图像或灰度图进行求反，获得底片效果。 (7) Image Data Type Conversion（图像数据类型转换）模块 MATLAB在电气信息类专业中的应用 228 转换图像数据类型。将输入图像转换成指定的数据类型并输出。可选择的输出数据类型有双精度型、单精度型、int8、int16等多种类型。

5.1.4 滤波（Filtering）模块库 滤波（Filtering）类模块用于对图像和视频进行各种滤波操作。双击图5.1所示视频和图像处理模块集窗口中的Filtering模块，即可打开该类模块库窗口，此模块库共包含4个子模块，各子模块功能如下： (1) 2-D Convolution（二维卷积）模块 计算出两个输入矩阵的二维离散卷积。 (2) 2-D FIR Filter（二维FIR数字滤波）模块 二维FIR数字滤波器。用滤波系数矩阵或滤波系数矢量对输入图像或矩阵进行二维FIR数字滤波。 (3) Kalman Filter（卡尔曼滤波）模块 卡尔曼滤波器。对输入信号进行卡尔曼滤波，以去除噪声影响，预测和判断动态系统的状态。 (4) Median Filter（中值滤波）模块 中值滤波器。执行二维中值滤波，可降低图像噪声。此模块也可在分析和增强（Analysis & Enhancement）模块库中找到。

5.1.5 几何变换（Geometric Transformations）模块库 几何变换（Geometric Transformations）类模块用于控制图片或视频的位置、大小、形状和方向。双击图5.1所示视频和图像处理模块集窗口中的Geometric Transformations模块，即可打开该类模块库窗口，此模块库共包含7个子模块，各子模块功能如下： (1) Apply Geometric Transformation（应用几何变换）模块 对一幅图像应用投影或仿射变换。可对整幅图像或图像的一部分区域进行。 (2) Estimate Geometric Transformation（估算几何变换）模块 计算两幅图像最大数量点对之间的变换矩阵。 (3) Projective Transformation（投影变换）模块 执行投影变换操作。将一个四边形变换成另一个四边形。 (4) Resize（缩放）模块 执行缩放变换操作。改变图像的大小。 (5) Rotate（旋转）模块 按指定的角度旋转图像。 (6) Shear（切变）模块 执行切变操作。通过线性变化位移的方法移动图像的行或列，可指定切变的方向与数值。 (7) Translate（平移）模块 对输入图像执行平移操作。可按指定位移量上下左右移动。