第4章 圖像增強(2)

1、北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理本科生課程本科生課程Digital Image ProcessingDigital Image Processing吳娛吳娛1891119119018911191190北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院圖像增強方法分類(回顧) 主要有空域處理法和頻域處理法p 空域處理法：直接在圖像所在的二維空間進行處理，即直接對每一像元的灰度值進行處理。p 頻域處理法：將圖像從空間域變換到頻率域?qū)D像進行處理。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院空間域濾波增強技術(shù)一、定義： 空間域濾波是基于鄰域處理的增強方法，它應(yīng)用某一模板對每個像元與其周圍鄰域的所有像元進行某種數(shù)學(xué)運算得到該像元的新的灰度值，

2、新的灰度值的大小不僅與該像元的灰度值有關(guān)，而且還與其鄰域內(nèi)的像元的灰度值有關(guān)。二、方法： 常用的有圖像平滑和圖像銳化北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院圖像平滑圖像平滑圖像銳化圖像銳化空間域濾波增強技術(shù)空間域濾波增強技術(shù)鄰域平均法鄰域平均法中值濾波中值濾波梯度法梯度法拉普拉斯算子拉普拉斯算子北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院一、背景 圖像在傳輸過程中，由于傳輸信道、采樣系統(tǒng)質(zhì)量較差，或受各種干擾的影響，而造成圖像毛糙，此時，就需對圖像進行平滑處理。二、圖像噪聲的來源及特點 A.通道噪聲：產(chǎn)生于圖像信息的傳遞中，其值與圖像信號的強弱無關(guān)?，F(xiàn)象：“雪花” B.量化噪聲：灰度在量化過程中，不可避免的產(chǎn)生量化噪聲。 C.特點：噪聲

3、像素的灰度是空間不相關(guān)的，即它與鄰近像素顯著不同。 圖像平滑濾波技術(shù)北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 圖像平滑濾波技術(shù)二、定義及用途： 平滑濾波對圖像的低頻分量進行增強，同時可以削弱圖像的高頻分量，因此一般用于消除圖像中的隨機噪聲，從而起到圖像平滑的作用。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 鄰域平均法是簡單的空域處理方法。這種方法的基本思想是用幾個像素灰度的平均來代替一個像素原來的灰度值，實現(xiàn)圖像的平滑。 有一幅圖像圖像：MNSf(x,y)在圖像中為了獲取f(x,y)的新值則開一個MN的窗口S窗口S就稱為f(x,y)的鄰域我們可以根據(jù)窗口內(nèi)各點的灰度確定f(x,y)的新值。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵

4、電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院鄰域平均法常見的方法有：(1)簡單平均法：在此算法中，M,N的值不宜過大，因為M,N值的大小對速度有直接影響，且M,N值越大變換后的圖像越模糊,特別是在邊緣和細(xì)節(jié)處。設(shè)圖像像素的灰度值為f(x,y)，取以其為中心的MN大小的窗口，用窗口內(nèi)各像素灰度值代替f(x,y)的值，即：噪聲是隨機不相關(guān)的，如果窗口內(nèi)各點的噪聲是獨立等分布的，經(jīng)過這種方法平滑后，信噪比可提高 倍。( , )1( , )( , )u vSf x yf u vMNMN北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院平滑可以抑制高頻成分，但也使圖像變得模糊。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院返回北

5、京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院(2)鄰域加權(quán)平均方法鄰域加權(quán)平均法也屬于空域濾波增強算法，它是利用模板卷積的方法實現(xiàn)對原圖的濾波，可表示為：W稱為模板MNWf(x,y)( , )( , )g x yWf u v北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院鄰域加權(quán)平均法舉例：將模板上系數(shù)與模板下對應(yīng)像素的灰度值相乘；將所有乘積相加，并除以系數(shù)總和；將模板在圖中漫游，并將模板中心與圖中某像素點重合；用所得結(jié)果代替原中心點的值；MNWf(x,y)返回北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 前面使用的鄰域平均法屬于低通濾波的處理方法。它在抑制噪聲的同時使圖像變得模糊，即圖像的細(xì)節(jié)(例如邊緣信息)被削弱，如果既要抑制噪聲又要保持細(xì)節(jié)可以使用中值濾波。北京郵

6、電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院將窗口在圖中移動；讀取窗口內(nèi)各對應(yīng)像素的灰度值；將這些灰度值從小到大排成1列；找出這些值里排在中間的1個；MNSf(x,y)將這個中間值賦給對應(yīng)窗口中心位置的像素。工作步驟北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院取3X3窗口207205208201202206198200212207205208201205206198200212212208207206205202201200198從小到大排列，取中間值北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 中值濾波的一些特性 (1) 對大的邊緣高度，中值濾波較鄰

7、域均值好得多，而對于較小邊緣高度，兩種濾波只有很少差別。（2） 中值濾波是非線性的。 （3） 中值濾波在抑制圖像隨機脈沖噪聲方面甚為有效。且運算速度快，便于實時處理。（4） 中值濾波去除孤立線或點干擾，而保留空間清晰度較平滑濾波為好；但對高斯噪聲則不如平滑濾波。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院鄰域平均和中值濾波的比較含均勻隨機噪聲含均勻隨機噪聲3 3鄰域平均鄰域平均7 7鄰域平均鄰域平均11 11鄰域平均鄰域平均3 3中值濾波中值濾波5 5中值濾波中值濾波返回北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院1.中值定理的應(yīng)用方法中值定理的應(yīng)用方法2. 相同相同 數(shù)數(shù) 字字

8、如何處理如何處理北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 圖像銳化濾波技術(shù)一、目的 圖像經(jīng)轉(zhuǎn)換或傳輸后，質(zhì)量可能下降，難免有些模糊。圖像銳化目的：加強圖像輪廓，使圖像看起來比較清晰。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院二、方法 圖像銳化濾波技術(shù) 考察正弦函數(shù) ，它的微分 。微分后頻率不變，幅度上升2a倍。ax2sinaxa2cos2 空間頻率愈高，幅度增加就愈大。這表明微分是可以加強高頻成分的，從而使圖像輪廓變清晰。最常用的微分方法是梯度法和拉普拉斯算子北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 圖像輪廓上，像素灰度有陡然變化，梯 度值很大。圖象灰度變

9、化平緩區(qū)域，梯度值很小。等灰度區(qū)域，梯度值為零。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院返回北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 頻域增強的原理頻率平面與圖像空域特性的關(guān)系 圖像變化平緩的部分靠近頻率平面的圓心，這個區(qū)域為低頻區(qū)域 圖像中的邊、噪音、變化陡峻的部分，以放射方向離開頻率平面的圓心，這個區(qū)域為高頻區(qū)域頻域濾波增強北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 頻域增強的原理邊、噪音、變化陡峭部分變化平緩部分uv頻域濾波增強北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院頻域

10、濾波增強北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院頻域濾波增強北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院頻域濾波增強 低通濾波器 高通濾波器 帶通、帶阻濾波器北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院v 巴特沃思低通濾波器(BLPF)的特點 沒有明顯的跳躍 模糊程度減少和理想圓形低通濾波器相比 尾部含有較多的高頻，對噪聲的平滑效果不如理想低通濾波器。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院v指數(shù)低通濾波器(ELPF)的特點 有更加平滑的過渡帶，平滑后的圖像沒有跳

11、躍現(xiàn)象 與BLPF相比，衰減更快，經(jīng)過ELPF濾波的圖象比BLPF處理的圖象更模糊一些北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院四種低通濾波器的比較北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 圖像輪廓是灰度陡然變化的部分，包含著豐富的空間高頻成分。 把高頻分量相對突出，顯然可使輪廓清晰。 高頻濾波器使高頻分量相對突出，而低頻分量和甚高頻分量則相對抑制。高通濾波器北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院

12、北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院彩色增強 真彩色增強 假彩色增強：把真實的自然彩色圖像或遙感多光譜圖像處理成假彩色圖像。 偽彩色增強：把黑白圖象處理成偽彩色圖象。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 偽彩色增強 人眼只能區(qū)分40多種不同等級的灰度，卻能區(qū)分幾千種不同色度、不同亮度的色彩。 偽彩色處理就是把黑白圖象的灰度值映射成相應(yīng)的彩色。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 偽彩色增強方法（一）灰度分層法（二）偽彩色變換（三）頻域濾波北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院 把圖像灰度范圍分割為若干等級的灰度區(qū)間，對每一區(qū)間映象為某種色彩。（一）灰度分層法北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院北

13、京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院將每一個像元的灰度值通過三個獨立變換分別產(chǎn)生紅、綠、藍三個分量圖像，然后將其合成為一幅彩色圖像。（二）偽彩色變換北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院（三）頻域濾波 在不同的頻率分量與顏色之間經(jīng)過一定的變換建立一種對應(yīng)關(guān)系。北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院一幅圖像共有8個灰度級，每一灰度級的概率分布如下表所示，要求對其進行直方圖規(guī)定化處理，規(guī)定化直方圖的數(shù)據(jù)如表所示。(畫出規(guī)定化后的直方圖)作業(yè)：北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院rkPr（r k）Z kP z（zk）r000.29z000r11/70.24z11/70r22/70.17z22/70r33/70.12z33/70r44/70.09z44/70.27r55/70.06z55/70.43r66/70.02z66/70.19r710.01z710.11原始直方圖數(shù)據(jù)原始直方圖數(shù)據(jù)規(guī)定直方圖數(shù)據(jù)規(guī)定直方圖數(shù)據(jù)北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院1/72/7 3/7 4/7 5/7 6/7010.290.240.170.120.090.060.020.