第一部分MATLAB基礎知識

第1章初識MATLAB3

1.1工作環境3

1.1.1操作界面簡介3

1.1.2命令行窗口4

1.1.3命令歷史記錄窗口6

1.1.4當前文件夾窗口和路徑管理7

1.1.5搜索路徑8

1.1.6工作區窗口和數組編輯器10

1.1.7變量的編輯命令11

1.1.8存取數據文件12

1.2幫助繫統12

1.2.1純文本幫助12

1.2.2幫助導航13

1.2.3示例幫助13

1.3本章小結14

第2章MATLAB基礎15

2.1基本概念15

2.1.1數據類型概述15

2.1.2整數類型16

2.1.3浮點數類型18

2.1.4常量與變量19

2.1.5標量、向量、矩陣與數組20

2.1.6字符型數據21

2.1.7運算符22

2.1.8復數24

2.1.9無窮量和非數值量.25

2.2向量.25

2.2.1向量的生成26

2.2.2向量的加減和數乘運算27

2.2.3向量的點積和叉積運算28

12MATLAB圖像處理（第2版）

2.3數組30

2.3.1數組的創建和操作30

2.3.2數組的常見運算33

2.4矩陣37

2.4.1矩陣的生成37

2.4.2向量的生成40

2.4.3矩陣的加減運算41

2.4.4矩陣的乘法運算42

2.4.5矩陣的除法運算43

2.4.6矩陣的分解運算43

2.5字符串44

2.5.1字符串變量與一維字符數組44

2.5.2對字符串的多項操作45

2.5.3二維字符數組46

2.6符號48

2.6.1符號表達式的生成48

2.6.2符號矩陣48

2.6.3常用符號運算49

2.7關繫運算和邏輯運算50

2.7.1關繫運算50

2.7.2邏輯運算51

2.7.3常用函數53

2.8復數.54

2.8.1復數和復矩陣的生成55

2.8.2復數的運算56

2.9數據類型間的轉換56

2.10本章小結58

第3章程序設計59

3.1MATLAB編程概述59

3.1.1編輯器窗口59

3.1.2編程原則61

3.2M文件和函數62

3.2.1M文件62

3.2.2匿名函數64

3.2.3主函數與子函數65

3.2.4重載函數66

3.2.5eval()和feval()函數66

3.2.6內聯函數68

3.2.7向量化和預分配70

目錄13

3.2.8函數參數傳遞71

3.3程序控制73

3.3.1分支控制語句73

3.3.2循環控制語句75

3.3.3其他控制語句77

3.4程序調試和優化81

3.4.1程序調試命令81

3.4.2常見錯誤類型82

3.4.3效率優化86

3.4.4內存優化86

3.5本章小結88

第4章圖形繪制89

4.1數據圖形繪制簡介89

4.1.1離散數據可視化89

4.1.2連續函數可視化91

4.2二維繪圖93

4.2.1二維圖形繪制93

4.2.2二維圖形的修飾94

4.2.3子圖繪制法100

4.2.4二維繪圖的經典應用103

4.3三維繪圖107

4.3.1三維繪圖函數107

4.3.2隱藏線的顯示和關閉109

4.3.3三維繪圖的實際應用110

4.4特殊圖形繪制111

4.4.1繪制特殊二維圖形111

4.4.2繪制特殊三維圖形112

4.5本章小結115

第二部分基於MATLAB的常見圖像處理技術

第5章圖像處理基礎119

5.1圖像文件與色度繫統119

5.1.1數字圖像119

5.1.2圖像文件格式120

5.1.3圖像數據類型120

5.1.4圖像文件類型121

5.1.5色度繫統123

5.2圖像處理的基本函數127

14MATLAB圖像處理（第2版）

5.2.1圖像文件的查詢與讀取127

5.2.2圖像文件的存儲與數據類型的轉換129

5.2.3圖像顯示129

5.3圖像數字化135

5.3.1圖像的采樣136

5.3.2圖像的量化137

5.4圖像類型的轉換137

5.4.1圖像抖動137

5.4.2轉換為二值圖像138

5.4.3轉換為灰度圖像139

5.4.4轉換為索引圖像140

5.4.5索引圖像轉換140

5.4.6真彩色圖像轉換142

5.5小結143

第6章顏色模型轉換144

6.1常用顏色模型144

6.1.1RGB模型144

6.1.2CMY/CMYK模型144

6.1.3HSI/HSV模型145

6.1.4YIQ模型147

6.1.5YUV模型148

6.1.6YCbCr模型148

6.2顏色模型轉換函數149

6.2.1RGB與HSV模型之間的轉換149

6.2.2RGB與NTSC模型之間的轉換150

6.2.3RGB與YCbCr模型之間的轉換151

6.3小結152

第7章圖像的基本運算153

7.1圖像的點運算153

7.1.1點運算的種類153

7.1.2直方圖與點運算156

7.1.3直方圖均衡化157

7.1.4直方圖規定化159

7.2圖像的算術運算160

7.2.1圖像的加法運算161

7.2.2圖像的減法運算162

7.2.3圖像的乘法運算164

7.2.4圖像的除法運算164

7.2.5圖像的求補運算165

目錄15

7.2.6圖像的線性擬合166

7.3圖像的幾何運算168

7.3.1齊次坐標變換168

7.3.2圖像插值169

7.3.3旋轉與平移變換171

7.3.4縮放與裁剪變換174

7.3.5鏡像變換177

7.4圖像的仿射變換179

7.4.1尺寸與伸縮變換180

7.4.2扭曲與旋轉變換181

7.4.3imwarp()函數183

7.5圖像的邏輯運算184

7.6小結185

第8章圖像變換186

8.1傅裡葉變換186

8.1.1連續傅裡葉變換186

8.1.2離散傅裡葉變換187

8.1.3快速傅裡葉變換189

8.1.4傅裡葉變換函數190

8.2傅裡葉變換的性質193

8.2.1線性與周期性193

8.2.2比例性193

8.2.3平移性193

8.2.4可分離性195

8.2.5旋轉不變性196

8.2.6平均值與卷積定理197

8.3離散餘弦變換.197

8.3.1一維離散餘弦變換197

8.3.2二維離散餘弦變換198

8.3.3離散餘弦變換函數199

8.4Radon變換201

8.5沃爾什-哈達瑪變換210

8.6小波變換214

8.6.1連續小波變換214

8.6.2離散小波變換215

8.7小結218

第9章圖像壓縮與編碼219

9.1圖像壓縮編碼技術基礎219

9.1.1圖像壓縮基本原理219

16MATLAB圖像處理（第2版）

9.1.2無損編碼與有損編碼220

9.1.3信息量與信息熵220

9.2圖像壓縮編碼評價標準221

9.2.1基於壓縮編碼參數的評價222

9.2.2基於保真度（逼真度）準則的評價223

9.3常用編碼方法224

9.3.1哈夫曼編碼225

9.3.2算術編碼228

9.3.3香農編碼232

9.3.4行程編碼235

9.3.5預測編碼237

9.3.6變換編碼245

9.4小波圖像壓縮編碼250

9.5圖像壓縮在數字水印方面的應用254

9.6小結258

第10章圖像增強259

10.1灰度變換增強259

10.1.1線性與非線性變換259

10.1.2灰度變換函數261

10.1.3最大熵法進行圖像增強263

10.2空域濾波增強268

10.2.1圖像噪聲268

10.2.2平滑濾波器270

10.2.3中值濾波器273

10.2.4自適應濾波器.274

10.2.5銳化濾波器276

10.3頻域濾波增強281

10.3.1低通濾波器282

10.3.2高通濾波器287

10.3.3同態濾波器292

10.4彩色增強294

10.4.1真彩色增強294

10.4.2偽彩色增強295

10.4.3假彩色增強297

10.5小波變換在圖像增強中的應用298

10.5.1小波圖像去噪處理298

10.5.2圖像鈍化與銳化300

10.6小結303

目錄17

第11章圖像退化與復原304

11.1退化模型與估計函數304

11.1.1連續退化模型305

11.1.2離散退化模型306

11.1.3退化估計方法308

11.1.4圖像退化函數309

11.2圖像復原方法311

11.2.1逆濾波復原311

11.2.2維納濾波復原312

11.2.3約束最小二乘濾波復原314

11.2.4Lucy-Richardson濾波復原315

11.2.5盲去卷積濾波復原317

11.3小結319

第三部分基於MATLAB的高級圖像處理技術及應用

第12章圖像分割與區域處理323

12.1圖像分割概述323

12.2邊緣檢測324

12.2.1Roberts算子324

12.2.2Sobel算子324

12.2.3Prewitt算子325

12.2.4Laplacian-Gauss算子325

12.2.5Canny算子326

12.2.6邊緣檢測函數327

12.2.7小波在圖像邊緣檢測中的應用330

12.3直線的提取與邊界跟蹤331

12.3.1Hough變換提取直線331

12.3.2邊界跟蹤334

12.4閾值分割336

12.4.1直方圖閾值337

12.4.2自動閾值法338

12.4.3分水嶺法340

12.4.4迭代法344

12.5區域生長與分裂合並.345

12.5.1區域生長346

12.5.2分裂合並347

12.6區域處理350

12.6.1滑動鄰域操作.350

12.6.2分離鄰域操作353

18MATLAB圖像處理（第2版）

12.6.3區域的選擇355

12.6.4區域濾波與填充355

12.7小結357

第13章圖像形態學處理358

13.1數學形態學基本操作358

13.1.素358

13.1.2膨脹運算362

13.1.3腐蝕運算363

13.1.4膨脹腐蝕組合運算364

13.2基於形態學處理的其他操作367

13.2.1擊中或擊不中運算367

13.2.2骨架的提取368

13.2.3邊界提取與距離變換370

13.2.4區域填充與小目標移除372

13.2.5極值操作375

13.2.6查找表與對像的特性度量.379

13.2.7光照不均勻處理385

13.2.8使用紋理濾波器處理圖像387

13.3小結390

第14章綜合應用391

14.1醫學圖像處理應用391

14.1.1醫學圖像負片效果391

14.1.2醫學圖像灰度變換392

14.1.3醫學圖像直方圖均衡化394

14.1.4醫學圖像銳化395

14.1.5醫學圖像邊緣檢測396

14.2圖像特征提取應用397

14.2.1確定圓形目標397

14.2.2測量圖像的粒度399

14.2.3測量灰度圖像的屬性400

14.2.4測量圖像的半徑402

14.2.5測量圖像的角度403

14.3人臉識別應用405

14.4圖像配準406

14.5視頻目標檢驗409

14.5.1利用圖像分割檢驗目標409

14.5.2利用卡爾曼濾波定位目標411

14.6小結416

參考文獻417

MATLAB這個名字是由Matrix和Laboratory兩詞的前3個字母組合而成。20世紀70年代後期，時任美國新墨西哥大學計算機科學繫主任的Cleve Moler教授出於減輕學生編程負擔的動機，為學生設計了一組調用LINPACK和EISPACK庫程序的“通俗易用”的接口，此即利用FORTRAN語言編寫的處於萌芽狀態的MATLAB。

MATLAB以商業形式出現後的短短幾年，以其良好的開放性和運行可靠性，淘汰了原控制領域中的眾多封閉式軟件包，使其改在MATLAB平臺上重建。在國際上30多個數學類科技應用軟件中，MATLAB在數值計算領域獨占鼇頭。

目前，MATLAB已成為圖像處理、信號處理、通信原理、自動控制等專業的重要基礎課程的首選實驗平臺。對於學生而言，最有效的學習途徑是結合某一專業課程的學習，通過實踐掌握該軟件的使用與編程。MATLAB擁有專門的工具箱用於圖像處理，提供一繫列支持圖像處理的函數，本書結合MATLAB在圖像處理中的廣泛應用展開講解，幫助讀者掌握利用MATLAB解決實際應用問題，以提高分析和解決問題的能力。

1．本書特點

（1）由淺入深，循序漸進。本書以初、中級讀者為對像，以MATLAB軟件為主線，先讓讀者了解其各項功能，然後進一步分別詳細介紹MATLAB在圖像處理方面的應用。

（2）步驟詳盡、內容新穎。本書結合編者多年MATLAB使用經驗與圖像處理實際應用案例，詳細講解MATLAB軟件的使用方法與技巧，使讀者在閱讀時能夠快速掌握書中所講內容。

（3）實例典型，輕松易學。學習實際工程應用案例的具體操作是掌握MATLAB最好的方式。本書通過綜合應用案例，透徹、詳盡地講解了MATLAB在各方面的應用。

2．本書內容

本書基於MATLAB R2020a，詳細講解MATLAB圖像處理的基礎知識和核心內容。結合MATLAB軟件應用技巧並根據圖窗處理的特點，將全書分為3部分，共14章。

第一部分為MATLAB基礎知識，主要介紹MATLAB的基礎知識、矩陣運算、程序設計、圖形繪制等內容。章節安排如下：

第1章  初識MATLAB       第2章  MATLAB基礎

第3章  程序設計         第4章  圖形繪制

第二部分為基於MATLAB的常見圖像處理技術，詳細講解圖像處理基礎及各種運算方法、顏色模型轉換、圖像壓縮與編碼、圖像增強、圖像退化與復原等內容。章節安排如下：

第5章  圖像處理基礎        第6章  顏色模型轉換

第7章  圖像的基本運算       第8章  圖像變換

第9章  圖像壓縮與編碼       第10章  圖像增強

第11章  圖像退化與復原

第三部分為基於MATLAB的高級圖像處理技術及應用，主要講解圖像的分割方法與區域處理手段、數學形態學的基本操作以及MATLAB在醫學、特征提取、人臉識別、圖像配準、視頻目標檢驗等方面的應用。章節安排如下：

第12章  圖像分割與區域處理     第13章  圖像形態學處理

第14章  綜合應用

3．讀者對像

本書面向MATLAB初學者以及期望應用MATLAB提高圖像處理能力的讀者，包括：

圖像處理從業人員       初學MATLAB圖像處理的技術人員

高等院校的教師和在校生   相關培訓機構的教師和學員

MATLAB愛好者          廣大科研工作人員

4．讀者服務

為了方便解決疑難問題，讀者在學習過程中若遇到與本書有關的技術問題，可以訪問“算法仿真”公眾號，在相關欄目下留言獲取幫助。公眾號會不定期分享MATLAB各種應用知識，方便讀者學習。

本書由劉成龍編著，雖然編者在編寫過程中力求敘述準確、完善，但由於水平有限，疏漏之處在所難免，希望讀者和同仁能夠及時指出，共同促進本書質量的提高。最後，再次希望本書能為讀者的學習和工作提供幫助！

編者

2023年3月

Jim Tung MathWorks

“科學與工程計算技術叢書”彙集了MATLAB/Simulink支持的領域——大規模編程、機器學習、科學計算、機器人等。我很高興地著到該叢書與WathWorks一直以來追求的目標一致——幫助用戶提高科學與工程技術研究的效率。

瀋再陽 中國科學院

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張岩 北京航空航天大學

(MATLAB圖像處理》(第2版)的主要內容來源於作者多年的工作經驗，書中案例的選擇、講解的詳細程度、涉及的專業知識等各方面都充分考慮讀者的知識層次，力求使讀者盡快掌握MATLAB圖像處理應用。本書內容專業性強，實踐性強，書中很多項目實例可以直接拿來進行二次開發，值得讀者認真學習。

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李昕 天津光電集團

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