9.4 图像的拉普拉斯锐化

实验名称：数字图像的锐化（LAPLACE 运算）一、实验目的1、了解锐化的算法和用途，学习利用拉普拉斯锐化运算的程序设计 方法。

2、通过对锐化前后图象的观察深刻了解锐化的实质。

二、实验设备PC 兼容机一台，操作系统为Windows XP ，安装Code Composer Studio 2.2.1和MATLAB 6.5.1软件。

三、实验内容数字图象的的锐化1、实验要求：常用的拉普拉斯锐化模板还有另一种形式修改参考例程，完成以上算子的锐化运算。

2、对设计要求的理解（1）图像的锐化所需要的输入图象为80*80黑白自定义图象，我们这里选取电脑中自带的bmp 格式的图象。

不需要使用硬件采集图象。

（2）输入黑白图片的是由80*80个像素组成，每个像素值都是由0~255中的某一数字表示，代表其灰度值。

其中0代表图像为黑色的，255代表白色。

（3）锐化的实质是对图象灰度值比较接近的地方进行处理，提升两者之间的灰度差别，使得图象便于人眼观察。

（4）对某一点像素的处理采用拉普拉斯锐化模板，锐化后的像素值是以一点为中心的相邻的九个像素值的函数。

特别的是对于图象的边缘的处理：赋值为0。

四、实验原理1、数字图像的锐化原理图象锐化的目的是使模糊地图象变得更加清晰起来。

图象的模糊实质就是图象平均和积分运算造成的，因此可以对图象进行逆运算如微分运算来使图象清晰化。

从频谱的角度来分析，图象模糊地是知识其高频分量被衰减，因而可以通过高通滤波器作来清晰图象。

图像锐化常采用算法是拉普拉斯算法，他是微分锐化的方法的一种。

拉普拉斯运算是偏导数运算的线性组合，而且是一种各向同性（旋转不变）的线性运算.设2∇为拉普拉斯算子，则：y f x f f 22222∂∂+∂∂=∇对于离散数字图像),(j I f ，其一阶偏导数为：),1(),(),(),(j i f j i f j i f xj i f x --=∆=∂∂ )1,(),(),(),(--=∆=∂∂j i f j i f j i f yj i f y 其二阶偏导数为：),(2),1(),1(),(),1(),(22j i f j i f j i f j i f j i f x j i f x x --++=∆-+∆=∂∂ ),(2)1,()1,(),(),1(),(22j i f j i f j i f j i f j i f yj i f y y --++=∆-+∆=∂∂ 所以，拉普拉斯算子f 2∇为：),(4)1,()1,(),1(),1(22222j i f j i f j i f j i f j i f y f x f f --+++++-=∂∂+∂∂=∇ 对于扩散现象引起的图象模糊，可以用下式进行锐化：),(),(),(2j i f k j i f j i g ∇-=ττk 是与扩散效应有关系数，该系数取值合理，锐化效果才会更好。

[转]图像处理中的拉普拉斯算⼦原⽂地址为：5.5.2 拉普拉斯掩模锐化（1）1．基本理论拉普拉斯算⼦是最简单的各向同性微分算⼦，具有旋转不变性。

⼀个⼆维图像函数 的拉普拉斯变换是各向同性的⼆阶导数，定义为：（5-11）为了更适合于数字，将该⽅程表⽰为离散形式：（5-12）另外，拉普拉斯算⼦还可以表⽰成模板的形式，如图5-9所⽰。

图5-9（a）表⽰离散拉普拉斯算⼦的模板，图5-9（b）表⽰其扩展模板，图5-9（c）则分别表⽰其他两种拉普拉斯的实现模板。

从模板形式容易看出，如果在图像中⼀个较暗的区域中出现了⼀个亮点，那么⽤拉普拉斯运算就会使这个亮点变得更亮。

因为图像中的边缘就是那些灰度发⽣跳变的区域，所以拉普拉斯锐化模板在边缘检测中很有⽤。

⼀般增强技术对于陡峭的边缘和缓慢变化的边缘很难确定其边缘线的位置。

但此算⼦却可⽤⼆次微分正峰和负峰之间的过零点来确定，对孤⽴点或端点更为敏感，因此特别适⽤于以突出图像中的孤⽴点、孤⽴线或线端点为⽬的的场合。

同梯度算⼦⼀样，拉普拉斯算⼦也会增强图像中的噪声，有时⽤拉普拉斯算⼦进⾏边缘检测时，可将图像先进⾏平滑处理。

图5-9 拉普拉斯的4种模板图像锐化处理的作⽤是使灰度反差增强，从⽽使模糊图像变得更加清晰。

图像模糊的实质就是图像受到平均运算或积分运算，因此可以对图像进⾏逆运算，如微分运算能够突出图像细节，使图像变得更为清晰。

由于拉普拉斯是⼀种微分算⼦，它的应⽤可增强图像中灰度突变的区域，减弱灰度的缓慢变化区域。

因此，锐化处理可选择拉普拉斯算⼦对原图像进⾏处理，产⽣描述灰度突变的图像，再将拉普拉斯图像与原始图像叠加⽽产⽣锐化图像。

拉普拉斯锐化的基本⽅法可以由下式表⽰：这种简单的锐化⽅法既可以产⽣拉普拉斯锐化处理的效果，同时⼜能保留背景信息，将原始图像叠加到拉普拉斯变换的处理结果中去，可以使图像中的各灰度值得到保留，使灰度突变处的对⽐度得到增强，最终结果是在保留图像背景的前提下，突现出图像中⼩的细节信息。

图像增强算法（直⽅图均衡化、拉普拉斯、Log、伽马变换）⼀、图像增强算法原理图像增强算法常见于对图像的亮度、对⽐度、饱和度、⾊调等进⾏调节，增加其清晰度，减少噪点等。

图像增强往往经过多个算法的组合，完成上述功能，⽐如图像去燥等同于低通滤波器，增加清晰度则为⾼通滤波器，当然增强⼀副图像是为最后获取图像有⽤信息服务为主。

⼀般的算法流程可为：图像去燥、增加清晰度（对⽐度）、灰度化或者获取图像边缘特征或者对图像进⾏卷积、⼆值化等，上述四个步骤往往可以通过不同的步骤进⾏实现，后续将针对此⽅⾯内容进⾏专题实验，列举其应⽤场景和处理特点。

本⽂章是⼀篇综合性⽂章，算是⼀篇抛砖引⽟的⽂章，有均衡化、提⾼对⽐度、降低对⽐度的算法。

1.1 基于直⽅图均衡化的图像增强图像对⽐度增强的⽅法可以分为两种：直接对⽐度增强⽅法，间接对⽐度增强⽅法。

直⽅图拉伸和直⽅图均衡化是常见的间接对⽐度增强⽅法。

直⽅图拉伸是利⽤对⽐度拉伸对直⽅图进⾏调整，扩⼤前景和背景灰度的差别，这种⽅法可以通过线性和⾮线性的⽅法来实现，其中ps中就是利⽤此⽅法提⾼对⽐度；直⽅图均衡化则是利⽤累积函数对灰度值进⾏调整，实现对⽐度的增强。

直⽅图均衡化处理原理：将原始图像的灰度图从⽐较集中的某个灰度区间均匀分布在整个灰度空间中，实现对图像的⾮线性拉伸，重新分配图像像素值。

算法应⽤场景：1、算法的本质是重新分布图像的像素值，增加了许多局部的对⽐度，整体的对⽐度没有进⾏太⼤改变，所以应⽤图像为图像有⽤数据的对⽐度相近是，例如：X光图像，可以将曝光过度或曝光不⾜照⽚进⾏更好的显⽰，或者是背景及前景太亮或太暗的图像⾮常有⽤。

2、算法当然也有缺点，具体表现为：变换后的图像灰度级减少，某些细节减少；某些图像有⾼峰值，则处理后对⽐度不⾃然的过分增强。

算法实现特点：1、均衡化过程：直⽅图均衡化保证在图像像素映射过程中原来的⼤⼩关系保持不变，即较亮的区域依旧较亮，较暗的依旧较暗，只是对⽐度增加，不能明暗颠倒；保证像素映射函数的值域在0和255之间。

《数字图像处理作业》图像的锐化处理---拉普拉斯算子、prewitt算子、sobel算子性能研究对比一、算法介绍1.1图像锐化的概念在图像增强过程中，通常利用各类图像平滑算法消除噪声，图像的常见噪声主要有加性噪声、乘性噪声和量化噪声等。

一般来说，图像的能量主要集中在其低频部分，噪声所在的频段主要在高频段，同时图像边缘信息也主要集中在其高频部分。

这将导致原始图像在平滑处理之后，图像边缘和图像轮廓模糊的情况出现。

为了减少这类不利效果的影响，就需要利用图像锐化技术，使图像的边缘变得清晰。

图像锐化处理的目的是为了使图像的边缘、轮廓线以及图像的细节变得清晰，经过平滑的图像变得模糊的根本原因是因为图像受到了平均或积分运算，因此可以对其进行逆运算(如微分运算)就可以使图像变得清晰。

从频率域来考虑，图像模糊的实质是因为其高频分量被衰减，因此可以用高通滤波器来使图像清晰。

但要注意能够进行锐化处理的图像必须有较高的性噪比，否则锐化后图像性噪比反而更低，从而使得噪声增加的比信号还要多，因此一般是先去除或减轻噪声后再进行锐化处理。

考察正弦函数，它的微分。

微分后频率不变，幅度上升2πa倍。

空间频率愈高，幅度增加就愈大。

这表明微分是可以加强高频成分的，从而使图像轮廓变清晰。

最常用的微分方法是梯度法和拉普拉斯算子。

但本文主要探究几种边缘检测算子，Laplace、Prewitt、Sobel算子以下具体介绍。

图像边缘检测：边缘检测是检测图像局部显著变化的最基本运算，梯度是函数变化的一种度量。

图像灰度值的显著变化可用梯度的离散逼近函数来检测，大幅度地减少了数据量，并且剔除了可以认为不相关的信息，保留了图像重要的结构属性。

边缘检测可分为两大类基于查找一类和基于零穿越的一类。

基于查找的方法通过寻找图像一阶导数中的最大和最小值来检测边界，通常是将边界定位在梯度最大的方向。

基于零穿越的方法通过寻找图像二阶导数零穿越来寻找边界，通常是Laplacian过零点或者非线性差分表示的过零点。

图像处理之图像的平滑与锐化图像处理之图像的平滑与锐化概念：锐化就是通过增强⾼频分量来减少图象中的模糊，因此⼜称为⾼通滤波。

锐化处理在增强图象边缘的同时增加了图象的噪声。

平滑与锐化相反，就是滤掉⾼频分量，从⽽达到减少图象噪声，使图⽚变得有些模糊。

⼀、灰度化灰度化，也就是⿊⽩化，就是将图像进⾏⿊⽩处理，使其失去⾊彩。

⽽从像素点出发，就是使各个像素点的三种颜⾊分量R、G、B的值相同。

常⽤的⿊⽩化的⽅法有三种：第⼀种是最⼤值法(Maximum)：R=G=B=Max(R,G,B)，这种⽅法处理后灰度图象的亮度会偏⾼，不建议采⽤。

第⼆种就是平均值法(Average)：R=G=B=(R+G+B)/3，这种⽅法处理后灰度图象的亮度较柔和，本⼈就是采⽤的这种⽅法。

第三种是加权平均值法(Weighted Average)：R=G=B=wr*R+wg*G+wb*B，wr、wg、wb分别为R、G、B的权值。

鉴于本⼈只使⽤了第⼆种，所以就先贴上第⼆种的代码：src=imread('background.bmp');[m,n,channel]=size(src);desc=zeros(m,n);desc=double(desc);for i=1:mfor j=1:nfor k=1:channeldesc(i,j)=desc(i,j)+src(i,j,k);enddesc(i,j)=desc(i,j)/3;endendimshow(uint8(desc));⼆、锐化锐化就是通过增强⾼频分量来减少图象中的模糊，因此⼜称为⾼通滤波。

锐化处理在增强图象边缘的同时增加了图象的噪声。

常⽤的锐化模板是拉普拉斯(Laplacian)模板，⽽本⼈也是采⽤的拉普拉斯模板进⾏的锐化处理。

[-1,-1,-1][-1,9,-1][-1,-1,-1]三、平滑平滑与锐化相反，就是滤掉⾼频分量，从⽽达到减少图象噪声，使图⽚变得有些模糊。

常⽤的平滑处理⽅法有三种：Box模板去噪平滑处理，也就是均⼀化处理。

广州大学学生实验报告开课学院及实验室：物理与电子工程学院 2015年5月22日班级光信121 姓名学号1219300055 指导老师实验课程名称数字信号处理实验Ⅰ成绩实验项目名称图像边缘锐化（拉普拉斯锐化）一、实验目的二、实验原理三、使用仪器、材料四、实验步骤五、实验过程原始记录（数据、图案、计算等）六、实验结果及分析一．实验目的了解锐化的算法和用途，学习利用拉普拉斯锐化运算的程序设计方法。

二、实验原理图象锐化处理的目的是使模糊的图象变得更加清晰起来。

图象的模糊实质就是图象受到平均或积分运算造成的，因此可以对图象进行逆运算如微分运算来使图象清晰化。

从频谱角度来分析，图象模糊的实质是其高频分量被衰减，因而可以通过高通滤波操作来清晰图象。

但要注意，能够进行锐化处理的图象必须有较高的信噪比，否则锐化后图象信噪比反而更低，从而使噪声的增加得比信号还要多，因此一般是先去除或减轻噪声后再进行锐化处理。

图象锐化一般有两种方法：一种是微分法，另外一种是高通滤波法。

拉普拉斯锐化法是属于常用的一种微分锐化方法。

拉普拉斯运算是偏导数运算的线性组合，而且是一种各向同性(旋转不变)的线性运算。

四．实验步骤1．实验准备：连接实验设备：请参看本书第三部分、第一章、二。

连接ICETEK-TVP5150-E 板：请参看实验9.1、四、1。

2．打开工程，浏览程序：目录为C:\ICETEK-VC5509-EDULab\Lab0904-Sharp\Demo.pjt。

3．编译并下载程序。

4．打开工程“Demo.pjt”中的 C 语言源程序“main.c”，在程序中有“BreakPoint”注释的语句上加软件断点。

5．设置观察窗口：*选择菜单V iew->Graph->Image，做如下设置：*选择菜单V iew->Graph->Image，做如下设置：6．运行程序：按“F5”键运行到断点，观察结果。

7．退出CCS：请参看本书第三部分、第一章、六。

一、概述matlab是一种用于科学计算和工程设计的软件，其强大的功能使得它在图像处理领域尤为突出。

而拉普拉斯算子在图像处理中被广泛用于图像的锐化，能够突出图像的边缘和细节，从而提高图像的清晰度和质量。

在matlab中，编写拉普拉斯算子的代码能够帮助工程师和科学家实现图像的优化处理。

本文将介绍matlab中拉普拉斯算子的代码编写方法，帮助读者快速掌握图像处理的技术。

二、拉普拉斯算子原理1. 拉普拉斯算子是一种二阶偏微分算子，用于描述图像中灰度的变化程度。

在图像处理中，拉普拉斯算子可以用于检测图像中的边缘和细节，帮助图像的锐化和增强。

2. 拉普拉斯算子在二维图像中的离散形式可以表示为以下公式：Δf(x, y) = f(x+1, y) + f(x-1, y) + f(x, y+1) + f(x, y-1) - 4*f(x, y)其中，Δf(x, y)表示图像中像素点(x, y)处的拉普拉斯算子值，f(x, y)表示图像中像素点(x, y)处的灰度值。

三、matlab中拉普拉斯算子的代码编写在matlab中，可以利用内置的函数和操作符来实现拉普拉斯算子的计算和图像的锐化。

下面是一个基本的matlab代码示例：```matlab读取原始图像original_image = imread('image.jpg');将原始图像转化为灰度图gray_image = rgb2gray(original_image);使用laplacian函数计算图像的拉普拉斯算子laplacian_image = del2(double(gray_image));将计算得到的图像进行锐化处理sharpened_image = imadd(double(gray_image),laplacian_image);显示原始图像和处理后的图像subplot(1, 2, 1);imshow(gray_image);title('Original Image');subplot(1, 2, 2);imshow(sharpened_image, []);title('Sharpened Image');```上述代码首先通过imread函数读取原始图像，并利用rgb2gray函数将其转换为灰度图。

图像的拉普拉斯锐化方法及讨论摘要：本文讲述了空域锐化中常用的二阶微分算法——拉普拉斯算子法。

全文首先对拉普拉斯运算做了简单的描述，并简明地分析了其原理：通常是将原图像和对他实施拉式算子后的结果组合后产生一个锐化图像。

然后对其在数字图像处理方面进行举例分析，并编程实现锐化效果。

最后对实验结果进行分析与讨论，说明其在图像处理应用方面，特别是用来改善因扩散效应的模糊方面特别有效。

关键字：图像处理二阶微分锐化拉普拉斯锐化1.引言图象在传输和转换过程中，一般情况下质量都要降低，除了加入了噪声的因素之外，图象还要变得模糊一些。

这主要因为图象的传输或转换系统的传递函数对高频成分的衰减作用，造成图象的细节和轮廓不清晰。

图象锐化就是加强图象中景物的细节和轮廓，使图象变得较清晰。

在数字图象中，细节和轮廓就是灰度突变的地方。

我们知道，灰度突变在频城中代表了一种高频分量，如果使图象信号经历一个使高频分量得以加强的滤波器，就可以达到减少图象中的模糊，加强图象的细节和轮廓的目的。

可以看出，锐化恰好是一个与平滑相反的过程。

我们使用对象素及其邻域进行加权平均，也就是用积分的方法实现了图象的平滑；反过来，应当可以利用微分来锐化一个图象。

2.理论和方法拉式算子是一个刻画图像灰度的二阶商算子，它是点、线、边界提取算子，亦称为边界提取算子。

通常图像和对他实施拉式算子后的结果组合后产生一个锐化图像。

拉式算子用来改善因扩散效应的模糊特别有效，因为它符合降制模型。

扩散效应是成像过程中经常发生的现象。

拉普拉斯算子也是最简单的各向同性微分算子，具有旋转不变性。

一个二维图像函数的拉普拉斯变换是各向同性的二阶导数，定义为：[),(4,()1,(),1(),1(),(2)1,()1,(),(),(2),1(),1(),(2222222222y x f y x f y x f y x f y x f f y x f y x f y x f yy x f y x f y x f y x f xy x f y f x f f --+++-++=∇--++=∂∂--++=∂∂∂∂+∂∂=∇为了更适合于数字图像处理，将拉式算子表示为离散形式：另外，拉普拉斯算子还可以表示成模板的形式，如下图(1)所示，为离散拉普拉斯算子的模板，图(2)表示其扩展模板。