基于灰度共生矩阵的五种图像纹理特征提取系统

资 源 简 介

本项目旨在利用灰度共生矩阵（GLCM）算法实现对数字图像的深度纹理特征分析与提取。系统通过对输入图像进行灰度化与量化处理，构建不同偏移量和角度方向（0°、45°、90°、135°）的灰度共生矩阵，并以此为基础计算出反映图像纹理结构的关键统计指标。核心功能包含五个特征维度的精确计算：熵（Entropy）用于描述图像内容的随机性与复杂程度；均匀度（Homogeneity）用于衡量像素分布的局部均匀性；相关性（Correlation）用于表征图像空间像素的线性依赖关系；能量（Energy）即角二阶矩，用于反映灰

详 情 说 明

基于灰度共生矩阵的五种图像纹理特征提取系统

项目介绍

本项目是一款基于灰度共生矩阵（GLCM）算法的图像纹理分析系统。纹理特征是计算机视觉中描述图像局部模式及其排列规则的关键属性。本系统通过计算图像在不同空间位置上的灰度组合分布，深度提取并量化能够反映图像表面粗糙度、复杂性及方向性的统计指标，为后续的图像分类、识别与检测任务提供可靠的数据支撑。

功能特性

1. 自动化图像预处理：支持灰度变换及8级灰度量化处理，在保留纹理特征的基础上大幅降低计算复杂度。
2. 多方向全面分析：系统同时计算0°、45°、90°、135°四个关键方向的灰度共生矩阵，捕捉图像的方向性纹理信息。
3. 五大核心指标提取：精确计算能量（Energy）、对比度（Contrast）、相关性（Correlation）、均匀度（Homogeneity）和熵（Entropy）。
4. 统计学特征汇总：对四个方向的特征值进行均值和标准差统计，用于分析纹理的各向同性或各向异性。
5. 直观的可视化界面：通过柱状图直观展示五个特征维度的方向差异，并与原始图像对比显示。

使用方法

1. 环境准备：确保已安装MATLAB及其图像处理工具箱。
2. 图像准备：系统默认搜索名为cameraman.tif的标准图像；若不存在，系统将自动生成一张包含正弦波纹理和随机噪声的合成图像用于功能演示。
3. 运行程序：执行主程序脚本，系统将自动依次进行图像预处理、矩阵构建、数值计算及图表生成。
4. 结果查看：在MATLAB命令行窗口查看各方向特征的详细数值及均值标准差；在弹出的图形窗口中观察特征随方向变化的分布趋势。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件环境：无特殊要求，具备运行标准MATLAB的基本硬件配置即可。
• 依赖工具箱：Image Processing Toolbox（图像处理工具箱）。

功能逻辑实现说明

系统的核心实现流程严格遵循数字图像处理的标准规范，具体逻辑如下：

1. 图像载入与自适应处理：

程序首先尝试读取图像文件。若文件缺失，则通过生成正弦函数波形叠加高斯噪声的方式合成纹理图像。随后，针对彩色图像进行去色处理，并使用线性量化方法将图像压缩至8个灰度级，以增强灰度共生矩阵的统计有效性。

1. 灰度共生矩阵构建：

系统设定偏移量参数，分别对应水平（0°）、右上斜（45°）、垂直（90°）和左上斜（135°）四个方向。利用对称矩阵构建方法，统计相邻像素对的出现频率，生成四个8x8的灰度共生矩阵。

1. 特征维度的数学实现：

• 能量（ASM）：计算归一化矩阵中各元素平方和，反映图像灰度分布的均匀性。
• 对比度：利用像素索引差的平方作为权重，评估纹理沟纹的深浅。
• 相关性：通过计算均值、方差及协方差，衡量像素间在空间上的线性依赖关系，并引入异常值处理机制（当标准差为0时设相关性为1）。
• 均匀度：以像素值差倒数作为权重，体现图像局部区域的平滑程度。
• 熵：计算概率分布的对数负之和，衡量图像所含信息的随机性与复杂程度，计算过程中排除了概率为0的点以避免数学错误。

1. 数据统计与展示逻辑：

计算每个方向的五个特征后，系统通过向量化运算得出所有方向的平均表现（均值）和波动情况（标准差）。最后，利用图形化函数生成2x3的画布，第一格显示原图，其余五格分别绘制五个特征在不同角度下的柱状分布图。

关键函数与算法分析

• 灰度共生矩阵生成（graycomatrix）：算法通过指定位移（Offset）和灰度级（NumLevels）构建矩阵。设置Symmetric为true确保了矩阵的对称性，从而使特征提取不失一般性。
• 矩阵归一化（Normalization）：在提取特征前，通过将矩阵元素除以总和，将其转化为联合概率分布，这是计算熵和能量等统计量的基石。
• 网格索引加速（meshgrid）：在计算对比度、相关性和均匀度时，程序利用矩阵索引网格代替多重循环，实现了特征提取算法的向量化加速，显著提升了运算效率。
• 稳定性处理：在计算相关性时加入了方差检校逻辑，在计算熵时加入了正概率过滤逻辑，确保了系统对平滑图像或单一灰度图像处理时的健壮性。