基于MATLAB的图像中值滤波

程序概要

基于MATLAB的中值滤波程序，用于读取7680x4320分辨率的RAW格式图像，对图像进行中值滤波处理，并将滤波后的图像保存为新的RAW文件。

程序架构

代码说明 ：

1. 输入输出：
   ◦ 输入为RAW格式图像文件，分辨率为7680x4320，位深为16位
   （有效位深为12位，即饱和值为4095）。
   ◦ 输出为中值滤波后的RAW文件，保存为16位位深。
2. 中值滤波逻辑：
   ◦ 使用MATLAB的medfilt2函数对图像进行中值滤波。
   ◦ filter_size参数指定滤波窗口的大小（例如3表示3x3窗口）。
3. 数据提取与恢复：
   ◦ 从16位数据中提取低12位有效数据。
   ◦ 滤波后，将12位数据恢复为16位数据，保存为RAW文件。

算法原理

中值滤波的原理
中值滤波的核心思想是用像素邻域内的中值代替当前像素的值。具体步骤如下：

1. 定义一个滤波窗口（通常为3x3、5x5等奇数大小的窗口）。
2. 将窗口内的所有像素值求平均。
3. 取排序后的中间值（即中值）作为当前像素的新值。

中值滤波的数学表达式为：

其中，W 是滤波窗口，I(x,y)是窗口内的像素值，其中median 表示取中值操作。

中值滤波的特点

1. 去噪能力：中值滤波对椒盐噪声（Salt-and-Pepper Noise）特别有效。椒盐噪声表现为图像中随机出现的黑白像素点，中值滤波可以很好地去除这种噪声。
2. 边缘保护：中值滤波是一种非线性滤波方法，不会像均值滤波那样对图像进行平滑处理，因此能够更好地保留图像的边缘和细节。
3. 计算复杂：中值滤波需要对窗口内的像素值进行排序，因此计算复杂度较高，尤其是对于大窗口和高分辨率图像。

代码实现

MATLAB代码实现如下：

clc;clear;tic;
% 图像中值滤波模块

median_filter_raw('Image1.raw', 'filtered_image.raw', 3);

function median_filter_raw(input_file, output_file, filter_size)
    % 参数说明：
    % input_file : 输入的RAW格式图像文件路径
    % output_file: 输出的中值滤波后RAW文件路径
    % filter_size: 中值滤波的窗口大小（例如 3 表示 3x3 窗口）

    % 图像参数
    width           = 7680;             % 图像宽度
    height          = 4320;             % 图像高度
    bit_depth       = 16;               % 图像位深
    effective_bits  = 12;               % 有效位深

    % 打开RAW文件
    fid = fopen(input_file, 'rb');
    if fid == -1
        error('无法打开RAW文件');
    end

    % 读取RAW图像数据
    raw_data = fread(fid, [width, height], 'uint16'); % 读取为7680x4320的矩阵
    raw_data_s = transpose(raw_data);
    figure;subplot(1,2,1);imshow(raw_data_s,[0,4096]);title('Original Image');
    fclose(fid); 

    % 将图像数据转换为双精度类型以便处理
    raw_data = double(raw_data);

    % 对图像进行中值滤波
    filtered_data = medfilt2(raw_data, [filter_size, filter_size]);
    filtered_data_s = transpose(filtered_data);
    subplot(1,2,2);imshow(filtered_data_s,[0,4096]);title('Original Image');
    
    % 保存滤波后的图像为RAW文件
    fid = fopen(output_file, 'wb');
    if fid == -1
        error('无法创建输出文件');
    end
    fwrite(fid, filtered_data, 'uint16');
    fclose(fid);
 
    % 输出完成信息
    fprintf('中值滤波完成！滤波后的图像已保存到 %s\n', output_file);
end

输出的图像处理前后对比示例：

可以看到图像左侧天空和楼体上的噪点处理成功。

处理后的图像整体变得平滑。

但处理后的图像锐度有所下降，线条不再锐利清晰，需要后续锐化算法进一步优化。

注意事项

1. RAW文件格式：

   ◦ 确保输入的RAW文件是7680x4320分辨率，16位位深，且数据按行优先存储。

   ◦ 如果RAW文件格式不同，需要调整读取方式。

2. 滤波窗口大小：

   ◦ filter_size参数应为奇数（如3、5、7等），表示滤波窗口的大小。

3. 性能优化：

   ◦ 对于7680x4320的高分辨率图像，中值滤波可能较慢。可以考虑使用MATLAB的并行计算功能（如parfor）优化性能。

4. 文件路径：

   ◦ 确保输入和输出文件路径正确，避免文件读写错误。