基于MATLAB Simulink的机器视觉与图像处理实验

• 实验目的：
  

1．熟悉基于Simulink的图像处理模块；

2．掌握二值形态学的基础运算；

3．掌握二值图像的形态学处理；

4．掌握灰度形态学的基础运算；

5．掌握灰度图像的形态学处理。

• 实验环境和器材：
  

1．笔记本电脑；

2．MATLAB软件；

• 实验内容
  

1．二值图像膨胀腐蚀开闭运算；

2．二值图像形态学滤波；

3．二值图像形态学平滑边界提取；

4．灰度图像膨胀腐蚀开闭运算；

5．灰度图像形态学平滑提取边界；

6．Top-hat变换和Bottom-hat变换；

• 实验过程
  

1．二值图像膨胀腐蚀开闭运算；

（1）二值图像膨胀腐蚀运算：

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Sources”模块内查找所需模块“Image From File”，在“Sinks”模块内查找所需模块“Video Viewer”如下图1、2所示：

图2 “Video Viewer”模块

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Morphological Operations”（形态学运算）模块内查找所需模块“Erosion”和“Dilation”如下图3、4所示：

图3 “Erosion”模块

图4 “Dilation”模块

“Image From File”为输入模块，找到并放置后，双击该模块设置关键属性，在弹出的设置框中点击“Main”栏中的“Browse…”设置输入图片，如图5所示，“Video Viewer”为输出模块用于显示图像或者视频信号。

图5 设置输入图片

二值图像膨胀腐蚀运算程序框图如图7所示：

图7 二值图像膨胀腐蚀程序框图

二值图像膨胀腐蚀运算运行结果图如图8、9、10、11、12所示：

（2）二值图像开闭运算：

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Sources”模块内查找所需模块“Image From File”，在“Sinks”模块内查找所需模块“Video Viewer”如上图1、2所示。

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Morphological Operations”（形态学运算）模块内查找所需模块“Close”和“Open”如下图13、14所示：

图14 “Open”模块

“Image From File”为输入模块，找到并放置后，双击该模块设置关键属性，在弹出的设置框中点击“Main”栏中的“Browse…”设置输入图片，如上图5所示。“Video Viewer”为输出模块用于显示图像或者视频信号。

Close模块是对一幅灰度图像或二值图像进行形态学闭操作；Open模块是对一幅灰度图像或二值图像进行形态学开操作；找到并分别放置三个后，双击该模块设置关键属性，在弹出的设置框中更改“Neighborhood or structuring element：”这一项的关键属性为“strel('square',3)”。如下图15所示。

二值图像开闭运算程序框图如图16所示：

图16 二值图像开闭程序框图

二值图像膨胀腐蚀运算运行结果图如图17、18、19、20、21所示：

2．二值图像形态学滤波；

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Sources”模块内查找所需模块“Image From File”，在“Sinks”模块内查找所需模块“Video Viewer”如上图1、2所示。

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Morphological Operations”（形态学运算）模块内查找所需模块 “Open”如上图14所示。

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Conversions”模块内查找所需模块“Image Complement”、“Autothreshold”如下图22、23所示：

“Image From File”为输入模块，找到并放置后，双击该模块设置关键属性，在弹出的设置框中点击“Main”栏中的“Browse…”设置输入图片，如上图5所示“Video Viewer”为输出模块用于显示图像或者视频信号。

Open模块是对一幅灰度图像或二值图像进行形态学开操作；找到并分别放置两个后，双击该模块设置关键属性，在弹出的设置框中分别更改“Neighborhood or structuring element：”这一项的关键属性为“strel('square',3)”和“strel('line',25,45)”。如上图15和下图24所示。

“Autothreshold”模块的作用是通过自动阈值分割法将灰度图像转换为二值图像，并且每个像素的方差最小。

“Image Complement”模块的作用是将输入图像转换或者同比例缩放为指定类型的图像。

二值图像形态学滤波程序框图如图25所示：

图25 二值图像形态学滤波程序框图

二值图像形态学滤波运行结果如图26、27、28、29、30所示：

图26 原图像

图27 二值图像

图28 二值取反图像

图29 Squre开运算图像

图30 Line开运算图像

3．二值图像形态学平滑边界提取；

（1）二值图像形态学平滑

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Sources”模块内查找所需模块“Image From File”，在“Sinks”模块内查找所需模块“Video Viewer”如上图1、2所示。

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Morphological Operations”（形态学运算）模块内查找所需模块 “Close”和模块“Open”如上图13、14所示。

Image From File”为输入模块，找到并放置后，双击该模块设置关键属性，在弹出的设置框中点击“Main”栏中的“Browse…”设置输入图片，如上图5所示“Video Viewer”为输出模块用于显示图像或者视频信号。

Open模块是对一幅灰度图像或二值图像进行形态学开操作；找到并分别放置两个后，双击先闭后开的“Open”模块设置关键属，在弹出的设置框中更改“Neighborhood or structuring element：”这一项的关键属性为“strel('disk',4)”，在双击先开后闭的“Open”模块设置关键属，在弹出的设置框中更改“Neighborhood or structuring element：”这一项的关键属性为“strel('disk',2)”，如下图31、32所示。

Close模块是对一幅灰度图像或二值图像进行形态学闭操作；找到并分别放置两个后，双击先闭后开的“Close”模块设置关键属，在弹出的设置框中更改“Neighborhood or structuring element：”这一项的关键属性为“strel('disk',2)”，在双击先开后闭的“Close”模块设置关键属，在弹出的设置框中更改“Neighborhood or structuring element：”这一项的关键属性为“strel('disk',4)”，如下图33、34所示。

二值图像形态学平滑程序框图如图35所示：

二值图像形态学平滑运行结果如图36、37、38所示：

图36 原二值图像

图37 先开后闭图像

图38 先闭后开图像

（2）二值图像形态学边界提取

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Sources”模块内查找所需模块“Image From File”，在“Sinks”模块内查找所需模块“Video Viewer”如上图1、2所示。

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Morphological Operations”（形态学运算）模块内查找所需模块“Erosion”和“Dilation”如上图3、4所示。

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Conversions”模块内查找所需模块“Autothreshold”如上图23所示：

在Simulink工具箱的“Math Operations”模块内查找所需模块“Subtract”如下图39所示：

Image From File”为输入模块，找到并放置后，双击该模块设置关键属性，在弹出的设置框中点击“Main”栏中的“Browse…”设置输入图片，如上图5所示“Video Viewer”为输出模块用于显示图像或者视频信号。

“Autothreshold”模块的作用是通过自动阈值分割法将灰度图像转换为二值图像，并且每个像素的方差最小。

  “Subtract”模块的作用是可进行加减运算；双击该模块在弹出的设置框中首先点击“Signal Attributes”在下面找到“Output data type”然后更改该属性为“double”，如下图40所示。

二值图像形态学边界提取程序框图如图41所示：

二值图像形态学边界提取运行结果如图42、43、44、45、46、47所示：

图42 原二值图像

图43 内边界图像

图44 外边界图像

图45 形态学梯度图像

图46 腐蚀图像

图47 膨胀图像

4．灰度图像膨胀腐蚀开闭运算；

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Sources”模块内查找所需模块“Image From File”，在“Sinks”模块内查找所需模块“Video Viewer”如上图1、2所示。

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Morphological Operations”（形态学运算）模块内查找所需模块“Erosion”和“Dilation”如上图3、4所示。

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Morphological Operations”（形态学运算）模块内查找所需模块 “Close”和模块“Open”如上图13、14所示。

Image From File”为输入模块，找到并放置后，双击该模块设置关键属性，在弹出的设置框中点击“Main”栏中的“Browse…”设置输入图片，如上图5所示“Video Viewer”为输出模块用于显示图像或者视频信号。

灰度图像膨胀腐蚀开闭运算程序框图如下图49所示：

灰度图像膨胀腐蚀开闭运算运行结果如图50、51、52、53、54所示：

图50 原灰度图像

图51 开运算图像

图52 腐蚀图像

图53 膨胀图像

图54 闭运算图像

5．灰度图像形态学平滑提取边界；

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Sources”模块内查找所需模块“Image From File”，在“Sinks”模块内查找所需模块“Video Viewer”如上图1、2所示。

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Morphological Operations”（形态学运算）模块内查找所需模块“Erosion”和“Dilation”如上图3、4所示。

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Morphological Operations”（形态学运算）模块内查找所需模块 “Close”和模块“Open”如上图13、14所示。

在Simulink工具箱的“Math Operations”模块内查找所需模块“Subtract”如上图39所示。

Image From File”为输入模块，找到并放置后，双击该模块设置关键属性，在弹出的设置框中点击“Main”栏中的“Browse…”设置输入图片，如上图5所示，然后点击“Data Types”栏中在“Output data type”下拉菜单中选择“double”。如下图55所示。“Video Viewer”为输出模块用于显示图像或者视频信号。

Open模块是对一幅灰度图像或二值图像进行形态学开操作；找到并分别放置两个后，双击开闭平滑滤波的“Open”模块设置关键属，在弹出的设置框中更改“Neighborhood or structuring element：”这一项的关键属性为“strel('disk',2)”，在双击闭开平滑滤波的“Open”模块设置关键属，在弹出的设置框中更改“Neighborhood or structuring element：”这一项的关键属性为“strel('disk',3)”，如下图56、57所示。

Close模块是对一幅灰度图像或二值图像进行形态学闭操作；找到并分别放置两个后，双击开闭平滑滤波的“Close”模块设置关键属，在弹出的设置框中更改“Neighborhood or structuring element：”这一项的关键属性为“strel('disk',3)”，在双击闭开平滑滤波的“Close”模块设置关键属，在弹出的设置框中更改“Neighborhood or structuring element：”这一项的关键属性为“strel('disk',2)”，如下图58、59所示。

“Subtract”模块的作用是可进行加减运算；双击该模块在弹出的设置框中首先点击“Signal Attributes”在下面找到“Output data type”然后更改该属性为“double”，如上图40所示。

灰度图像形态学平滑提取边界程序框图如下图60所示：

灰度图像形态学平滑提取边界运行结果如图61、62、63、64、65所示：

6．Top-hat变换和Bottom-hat变换；

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Sources”模块内查找所需模块“Image From File”，在“Sinks”模块内查找所需模块“Video Viewer”如上图1、2所示。

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）内的“Morphological Operations”（形态学运算）模块内查找所需模块“Top-hat”和“Bottom-hat”如下图66、67所示。

在“Computer Vision System Toolbox”（计算机视觉工具箱）的“Analysis & Enhancement”（分析和增强模块）模块内查找所需模块“Contrast Adjustment”如下图68所示：

“Image From File”为输入模块，找到并放置后，双击该模块设置关键属性，在弹出的设置框中点击“Main”栏中的“Browse…”设置输入图片，如上图5所示“Video Viewer”为输出模块用于显示图像或者视频信号。

Contrast Adjustment模块的作用是通过线性比例调整像素上下限之间的像素值，实现图像基于灰度级的图像增强。双击该模块设置关键属，在弹出的设置框中更改“Adjust pixel values from：”和“Adjust pixel values to：”的关键属性为“User-defined range”，如下图70所示。

Top-hat变换和Bottom-hat变换程序框图如下图71所示：

Top-hat变换和Bottom-hat变换运行结果如图72、73、74、75、76、77所示：

• 实验成果：
  

1、使用数学形态学运算使用Simulink的Computer Vision System Toolbox（计算机视觉工具箱）下的Morphological Operations（形态学运算模块）的Erosion、Dilation、Close、Open模块，完成了二值图像膨胀腐蚀开闭运算，深入理解了二值图像膨胀腐蚀开闭运算的图像处理效果。

2、使用数学形态学运算使用Simulink的Computer Vision System Toolbox（计算机视觉工具箱）下的Morphological Operations（形态学运算模块）的Open模块，完成了二值图像形态学滤波，深入理解了二值图像形态学滤波的图像处理效果。

3、使用数学形态学运算使用Simulink的Computer Vision System Toolbox（计算机视觉工具箱）下的Morphological Operations（形态学运算模块）的Close、Erosion、Dilation模块，完成了二值图像形态学平滑边界提取，深入理解了二值图像形态学平滑边界提取的图像处理效果。

4、使用数学形态学运算使用Simulink的Computer Vision System Toolbox（计算机视觉工具箱）下的Morphological Operations（形态学运算模块）的Erosion、Dilation、Close、Open模块，完成了灰度图像膨胀腐蚀开闭运算，深入理解了灰度图像膨胀腐蚀开闭运算的图像处理效果。

5、使用数学形态学运算使用Simulink的Computer Vision System Toolbox（计算机视觉工具箱）下的Morphological Operations（形态学运算模块）的Erosion、Dilation、Close、Open模块，完成了灰度图像形态学平滑提取边界，深入理解了灰度图像形态学平滑提取边界的图像处理效果。

6、使用数学形态学运算使用Simulink的Computer Vision System Toolbox（计算机视觉工具箱）下的Morphological Operations（形态学运算模块）的Top-hat、Bottom-hat模块，完成了Top-hat变换和Bottom-hat变换，深入理解了Top-hat变换和Bottom-hat变换的图像处理效果。

• 实验心得：
  

问题1：在做Top-hat变换和Bottom-hat变换时发现Top-hat图像和Top-hat增强图像没有区别，变化不大。

解决：双击Contrast Adjustment模块设置关键属，在弹出的设置框中更改“Adjust pixel values from：”和“Adjust pixel values to：”的关键属性为“User-defined range”

问题2：在涉及加减的程序中总是运行报错。

解决：双击“Subtract”模块在弹出的设置框中首先点击“Signal Attributes”在下面找到“Output data type”然后更改该属性为“double”。

心得体会：这是本次的第二次实验实训，实验实训中依然需要对平时课上的练习进行反复运用，同时也需要对老师所提出的要求进行完全而深刻的理解。在本次实验实训中，使我对Matlab软件的使用更近了一步，对Simulink库中各模块控件位置也更了解了，所以我认为通过本次的学习，对我以后的Matlab运用会更上一层楼的，在实践中不断积累，反复的学习，这也是老师所要求我们的。

通过本次实验实训，使我了解到了学习不只是在一次一次的视频中，而是在平时课下的反复练习，只有完全知道了解了各个模块中的控件位置、用法，才能知道实验实训的意义。同时也要感谢老师的悉心教导，才使我在本次实验实训过程中，进行的如此顺利。当然我还是需要更加努力，以达到可以将所学运用到实践生活中。

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