計(jì)算機(jī)圖像處理_第四章

1、 計(jì)算機(jī)圖像處理計(jì)算機(jī)圖像處理 郭永芳郭永芳 第四章 圖像增強(qiáng) 圖像增強(qiáng)是采用一系列技術(shù)去改善圖像的視覺效果,或?qū)D像轉(zhuǎn)換成一種更適合于人或機(jī)器進(jìn)行分析和處理的形式。例如采用一系列技術(shù)有選擇地突出某些感興趣的信息，同時(shí)抑制一些不需要的信息，提高圖像的使用價(jià)值。 圖像增強(qiáng)方法從增強(qiáng)的作用域出發(fā)，可分為空間域增強(qiáng)和頻率域增強(qiáng)兩種。 空間域增強(qiáng)是直接對(duì)圖像各像素進(jìn)行處理； 頻率域增強(qiáng)是對(duì)圖像經(jīng)傅立葉變換后的頻譜成分進(jìn)行處理，然后逆傅立葉變換獲得所需的圖像。講解內(nèi)容圖像的代數(shù)運(yùn)算彩色變換及應(yīng)用偽彩色增強(qiáng)假彩色增強(qiáng)彩色增強(qiáng)同態(tài)濾波增強(qiáng)低通濾波高通濾波頻率域圖像銳化圖像平滑局部運(yùn)算局部統(tǒng)計(jì)法規(guī)定化均衡化直

2、方圖修正法灰度變換點(diǎn)運(yùn)算空間域圖像增強(qiáng)目的1.熟悉并掌握本章基本概念、空間域圖像增強(qiáng)的原理、方法及其特點(diǎn)；2.了解頻率域圖像增強(qiáng)的方法及其實(shí)現(xiàn)過程；3.重點(diǎn)掌握直方圖修正方法、特點(diǎn)及其應(yīng)用；空間域平滑、銳化和彩色增強(qiáng)技術(shù)。4.1圖像增強(qiáng)的點(diǎn)運(yùn)算4.1.2 灰度變換 灰度變換可調(diào)整圖像的灰度動(dòng)態(tài)范圍或圖像對(duì)比度，是圖像增強(qiáng)的重要手段之一。) 51 . 4 (), (), (ajifababajig黑白1線性變換令圖像f(i，j)的灰度范圍為a,b，線性變換后圖像g(i，j)的范圍為a,b，如圖，g(i，j)與f(i，j)之間的關(guān)系式為：在曝光不足或過度的情況下，圖像灰度可能會(huì)局限在一個(gè)很小的范圍

3、內(nèi)。這時(shí)在顯示器上看到的將是一個(gè)模糊不清、似乎沒有灰度層次的圖像。下圖是對(duì)曝光不足的圖像采用線性變換對(duì)圖像每一個(gè)像素灰度作線性拉伸?？捎行У馗纳茍D像視覺效果。2分段線性變換為了突出感興趣目標(biāo)所在的灰度區(qū)間，相對(duì)抑制那些不感興趣的灰度區(qū)間，可采用分段線性變換。設(shè)原圖像f(x,y)在0，Mf,感興趣目標(biāo)的灰度范圍在a,b,欲使其灰度范圍拉伸到c,d,則對(duì)應(yīng)的分段線性變換表達(dá)式為ffgMyxfbdbyxfbMdMbyxfacayxfabcdayxfyxfacyxg),(),()/()(),(),()/()(),(0),()/(),(通過細(xì)心調(diào)整折線拐點(diǎn)的位置及控制分段直線的斜率，可對(duì)任一灰度區(qū)間進(jìn)行

4、拉伸或壓縮。輸出灰度級(jí)sL-10L/2L/2L-1輸入灰度級(jí)r(r2,s2)T(r)(r1,s1)(a) 分段線性函數(shù) (c) 灰度拉伸 (d) 灰度二值化（b）原始圖像3非線性灰度變換當(dāng)用某些非線性函數(shù)如對(duì)數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等，作為映射函數(shù)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)圖像灰度的非線性變換。對(duì)數(shù)變換對(duì)數(shù)變換的一般表達(dá)式為) 71 . 4 (ln1), (ln), (cbjifajig這里a,b,c是為了調(diào)整曲線的位置和形狀而引入的參數(shù)。當(dāng)希望對(duì)圖像的低灰度區(qū)較大的拉伸而對(duì)高灰度區(qū)壓縮時(shí)，可采用這種變換，它能使圖像灰度分布與人的視覺特性相匹配。f (i,j)g(i,j)指數(shù)變換指數(shù)變換的一般表達(dá)式為 這里參數(shù)a,b

5、,c用來調(diào)整曲線的位置和形狀。這種變換能對(duì)圖像的高灰度區(qū)給予較大的拉伸。) 81 . 4 (1), (), (ajifcbjigg (i,j)f (i,j)4.1.3直方圖修整法 灰度直方圖反映了數(shù)字圖像中每一灰度級(jí)與其出現(xiàn)頻率間的關(guān)系,它能描述該圖像的概貌。通過修改直方圖的方法增強(qiáng)圖像是一種實(shí)用而有效的處理技術(shù)。直方圖修整法包括直方圖均衡化直方圖均衡化及直方圖規(guī)定化直方圖規(guī)定化兩類。1.直方圖均衡化直方圖均衡化 直方圖均衡化是將原圖像通過某種變換，得到一幅灰度直方圖為均勻分布的新圖像的方法。 直方圖均衡化 下面先討論連續(xù)變化圖像的均衡化問題，然后推廣到離散的數(shù)字圖像上。 設(shè)r和s分別表示歸一

6、化了的原圖像灰度和經(jīng)直方圖修正后的圖像灰度。即 （4.1-9） 在0,1區(qū)間內(nèi)的任一個(gè)r值，都可產(chǎn)生一個(gè)s值，且 (4.1-10)1,0sr)(rTs T(r)作為變換函數(shù)，滿足下列條件： 在0r1內(nèi)為單調(diào)遞增函數(shù)，保證灰度級(jí)從黑到白的次序不變； 在0r1內(nèi)，有0T(r)1，確保映射后的像素灰度在允許的范圍內(nèi)。反變換關(guān)系為 （4.1-11） T-1(s)對(duì)s同樣滿足上述兩個(gè)條件。 由概率論理論可知，如果已知隨機(jī)變量r的概率密度為pr(r),而隨機(jī)變量s是r的函數(shù)，則s的概率密度ps(s)可以由pr(r)求出。 假定隨機(jī)變量s的分布函數(shù)用Fs(s)表示，根據(jù)分布函數(shù)定義 )(1sTrrrssSd

7、rrpdsspsF)121 . 4()()()( 利用密度函數(shù)是分布函數(shù)的導(dǎo)數(shù)的關(guān)系，等式兩邊對(duì)s求導(dǎo)，有： （4.1-13） 可見，輸出圖像的概率密度函數(shù)可以通過變換函數(shù)T(r)控制原圖像灰度級(jí)的概率密度函數(shù)得到,因而改善原圖像的灰度層次,這就是直方圖修改技術(shù)的基礎(chǔ)。從人眼視覺特性來考慮，一幅圖像的直方圖如果是均勻分布的，即Ps(s)=k(歸一化時(shí)k=1)時(shí)，該圖像色調(diào)給人的感覺比較協(xié)調(diào)。因此將原圖像直方圖通過T(r)調(diào)整為均勻分布的直方圖，這樣修正后的圖像能滿足人眼視覺要求。因?yàn)闅w一化假定由（4.1-13）則有)141 . 4(1)(sPsdrrpdsr)()()()(1sTdsdpdsd

8、rpdrrpdsdsPrrrrs兩邊積分得 上式表明，當(dāng)變換函數(shù)為r的累積直方圖函數(shù)時(shí)，能達(dá)到直方圖均衡化的目的。 對(duì)于離散的數(shù)字圖像，用頻率來代替概率,則變換函數(shù)T(rk)的離散形式可表示為: 上式表明，均衡后各像素的灰度值sk可直接由原圖像的直方圖算出。)151 . 4()()(0rrdrrprTskjjkjjrkknnrprTs00)()( 一幅圖像的sk與rk之間的關(guān)系稱為該圖像的累積灰度直方圖。rkPr(rk)rkS(rk)1.01.01.0下面舉例說明直方圖均衡過程。rknkpr(rk)=nk/nsk計(jì)sk并sknskpk(s)r0=07900.190.191/7s0=1/7790

9、0.19r1=1/710230.250.443/7s1=3/710230.25r2=2/78500.210.655/7s2=5/78500.21r3=3/76560.160.816/7r4=4/73290.080.896/7s3=6/79850.24r5=5/72450.060.951r6=6/71220.030.981r7=1810.021.001s4=14480.11例例 假定有一幅總像素為n=6464的圖像，灰度級(jí)數(shù)為8，各灰度級(jí)分布列于表中。對(duì)其均衡化計(jì)算過程如下：？ 若在原圖像一行上連續(xù)8個(gè)像素的灰度值分別為：0、1、2、3、4、5、6、7，則均衡后，他們的灰度值為多少？原圖像的直方

10、圖均衡后圖像的直方圖直方圖均衡化示例2.2.直方圖規(guī)定化直方圖規(guī)定化 在某些情況下，并不一定需要具有均勻直方圖的圖像，有時(shí)需要具有特定的直方圖的圖像，以便能夠增強(qiáng)圖像中某些灰度級(jí)。直方圖規(guī)定化方法就是針對(duì)上述思想提出來的。直方圖規(guī)定化是使原圖像灰度直方圖變成規(guī)定形狀的直方圖而對(duì)圖像作修正的增強(qiáng)方法。 可見，它是對(duì)直方圖均衡化處理的一種有效的擴(kuò)展。直方圖均衡化處理是直方圖規(guī)定化的一個(gè)特例。 對(duì)于直方圖規(guī)定化，下面仍從灰度連續(xù)變化的概率密度函數(shù)出發(fā)進(jìn)行推導(dǎo)，然后推廣出灰度離散的圖像直方圖規(guī)定化算法。 假設(shè)pr(r)和pz(z)分別表示已歸一化的原始圖像灰度分布的概率密度函數(shù)和希望得到的圖像的概率密

11、度函數(shù)。 首先對(duì)原始圖像進(jìn)行直方圖均衡化，即求變換函數(shù)：假定已得到了所希望的圖像，對(duì)它也進(jìn)行均衡化處理，即它的逆變換是這表明可由均衡化后的灰度得到希望圖像的灰度。 若對(duì)原始圖像和希望圖像都作了均衡化處理，則二者均衡化的ps(s)和pv(v)相同，即都為均勻分布的密度函數(shù)。由s代替v 得 z=G-1(s)rrdrrprTs0)171.4()()()181 .4()()(0zzdrrpzGv)191 .4()(1vGz 這就是所求得的變換表達(dá)式。根據(jù)上述思想，可總結(jié)出直方圖規(guī)定化增強(qiáng)處理的步驟如下：對(duì)原始圖像作直方圖均衡化處理；按照希望得到的圖像的灰度概率密度函數(shù)pz(z)，求得變換函數(shù)G(z)；

12、用步驟得到的灰度級(jí)s作逆變換z= G-1(s)。 經(jīng)過以上處理得到的圖像的灰度級(jí)將具有規(guī)定的概率密度函數(shù)pz(z)。 采用與直方圖均衡相同的原始圖像數(shù)據(jù)（6464像素且具有8級(jí)灰度），其灰度級(jí)分布列于表中。給定的直方圖的灰度分布列于表中。 對(duì)應(yīng)的直方圖如下： 原圖像的直方圖 規(guī)定化直方圖rjsknkps(sk)zkpz(zk)vkzk并nkpz(zk)r0s0=1/77900.19z0=00.000.00z000.00r1s1=3/710230.25z1=1/70.000.00z100.00r2s2=5/78500.21z2=2/70.000.00z200.00r3s3=6/7z3=3/70.

13、150.15z3s0=1/77900.19r4s3=6/79850.24z4=4/70.200.35z4s1=3/71023 0.25r5s4=1z5=5/70.300.65z5s2=5/78500.21r6s4=1z6=6/70.200.85z6s3=6/79850.24r7s4=14480.1110.151.00z7s4=14480.11117/67/ 317/67/ 57/217/ 57/47/ 17/67/47/ 307763765275416430zrzrzrzrzrzrzrzr 原圖像的直方圖 規(guī)定的直方圖 規(guī)定化后圖像的直方圖？ 若在原圖像一行上連續(xù)8個(gè)像素的灰度值分別為：0、1

14、、2、3、4、5、6、7，則規(guī)定化后，他們的灰度值為多少？ 利用直方圖規(guī)定化方法進(jìn)行圖像增強(qiáng)的主要困難在于要構(gòu)成有意義的直方圖。圖像經(jīng)直方圖規(guī)定化，其增強(qiáng)效果要有利于人的視覺判讀或便于機(jī)器識(shí)別。下面是一個(gè)直方圖規(guī)定化應(yīng)用實(shí)例。 圖(C)、(c)是將圖像(A)按圖(b)的直方圖進(jìn)行規(guī)定化得到的結(jié)果及其直方圖。通過對(duì)比可以看出圖(C)的對(duì)比度同圖（B)接近一致，對(duì)應(yīng)的直方圖形狀差異也不大。這樣有利于影像融合處理，保證融合影像光譜特性變化小。 任何一幅原始圖像，在其獲取和傳輸?shù)冗^程中，會(huì)受到各種噪聲任何一幅原始圖像，在其獲取和傳輸?shù)冗^程中，會(huì)受到各種噪聲的干擾，使圖像退化，質(zhì)量下降，圖像模糊，特征淹

15、沒，對(duì)圖像的干擾，使圖像退化，質(zhì)量下降，圖像模糊，特征淹沒，對(duì)圖像分析不利。分析不利。 為了抑制噪聲改善圖像質(zhì)量所進(jìn)行的處理稱為了抑制噪聲改善圖像質(zhì)量所進(jìn)行的處理稱圖像平滑圖像平滑或去噪。它或去噪。它可以在空間域和頻率域中進(jìn)行。本節(jié)介紹空間域的幾種平滑法?？梢栽诳臻g域和頻率域中進(jìn)行。本節(jié)介紹空間域的幾種平滑法。4.2 圖像的空間域平滑圖像的空間域平滑 Lena原圖 高斯噪聲 椒鹽噪聲圖像的噪聲示意圖4.2.1局部平滑法（鄰域平均法或移動(dòng)平均法） 局部平滑法是一種直接在空間域上進(jìn)行平滑處理的技術(shù)。假設(shè)圖像是局部平滑法是一種直接在空間域上進(jìn)行平滑處理的技術(shù)。假設(shè)圖像是由許多灰度恒定的小塊組成，相鄰

16、像素間存在很高的空間相關(guān)性，而由許多灰度恒定的小塊組成，相鄰像素間存在很高的空間相關(guān)性，而噪聲則是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。因此，可用鄰域內(nèi)各像素的灰度平均值代替該噪聲則是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。因此，可用鄰域內(nèi)各像素的灰度平均值代替該像素原來的灰度值，實(shí)現(xiàn)圖像的平滑。像素原來的灰度值，實(shí)現(xiàn)圖像的平滑。 設(shè)有一幅設(shè)有一幅NN的圖像的圖像f(x,y)，若平滑圖像為，若平滑圖像為g(x,y)，則有，則有 式中式中x, y = 0,1,N-1； s為為(x, y)鄰域內(nèi)像素坐標(biāo)的集合，也稱窗口，其中不包括鄰域內(nèi)像素坐標(biāo)的集合，也稱窗口，其中不包括(x, y)； M表示集合表示集合s內(nèi)像素的總數(shù)。內(nèi)像素的總數(shù)。 可見鄰域平均法

17、就是將當(dāng)前像素鄰域內(nèi)各像素的灰度平均值作為其輸可見鄰域平均法就是將當(dāng)前像素鄰域內(nèi)各像素的灰度平均值作為其輸出值的去噪方法。出值的去噪方法。 設(shè)圖像中的噪聲是隨機(jī)不相關(guān)的加性噪聲，窗口內(nèi)各點(diǎn)噪聲是獨(dú)立同設(shè)圖像中的噪聲是隨機(jī)不相關(guān)的加性噪聲，窗口內(nèi)各點(diǎn)噪聲是獨(dú)立同分布的，經(jīng)過上述平滑后，信號(hào)與噪聲的方差比可望提高分布的，經(jīng)過上述平滑后，信號(hào)與噪聲的方差比可望提高M(jìn)倍。倍。,1( , )( , )i j sg x yf i jM例如，對(duì)圖像采用例如，對(duì)圖像采用33的鄰域平均法，對(duì)于像素的鄰域平均法，對(duì)于像素(m, n)，其鄰域像素如下：，其鄰域像素如下：(m+1,n+1)(m+1,n)(m+1,n-

18、1)(m,n+1) (m,n)(m,n-1)(m-1,n+1)(m-1,n)(m-1,n-1)以模塊運(yùn)算系數(shù)表示即：以模塊運(yùn)算系數(shù)表示即：11111018111H例題：用以上例題：用以上33模板（掩模）對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行鄰域平滑。模板（掩模）對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行鄰域平滑。12143122345768957688567891214312234576895768856789345456678 鄰域平滑算法簡單，但它的主要缺點(diǎn)是在降低噪聲的同時(shí)使圖像產(chǎn)鄰域平滑算法簡單，但它的主要缺點(diǎn)是在降低噪聲的同時(shí)使圖像產(chǎn)生模糊，特別在邊緣和細(xì)節(jié)處。而且鄰域越大，在去噪能力增強(qiáng)的生模糊，特別在邊緣和細(xì)節(jié)處。而且鄰域越大，在

19、去噪能力增強(qiáng)的同時(shí)模糊程度越嚴(yán)重。如圖。同時(shí)模糊程度越嚴(yán)重。如圖。 (a) 原圖像原圖像 (b) 對(duì)對(duì)(a)加椒鹽噪聲的圖像加椒鹽噪聲的圖像(c) 33鄰域平滑鄰域平滑 (d) 55鄰域平滑鄰域平滑 為克服簡單局部平為克服簡單局部平均法的弊病，目前已提均法的弊病，目前已提出許多保邊緣、細(xì)節(jié)的出許多保邊緣、細(xì)節(jié)的局部平滑算法。它們的局部平滑算法。它們的出發(fā)點(diǎn)都集中在如何選出發(fā)點(diǎn)都集中在如何選擇鄰域的大小、形狀和擇鄰域的大小、形狀和方向、參加平均的點(diǎn)數(shù)方向、參加平均的點(diǎn)數(shù)以及鄰域各點(diǎn)的權(quán)重系以及鄰域各點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)等，下面簡要介紹幾數(shù)等，下面簡要介紹幾種算法。種算法。4.2.2超限像素平滑法 對(duì)對(duì)鄰

20、域平均法鄰域平均法稍加改進(jìn)，可導(dǎo)出超限像素平滑法。它是將稍加改進(jìn)，可導(dǎo)出超限像素平滑法。它是將f(x,y)和和鄰鄰域平均域平均g(x,y)差的絕對(duì)值與選定的閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果決定差的絕對(duì)值與選定的閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果決定點(diǎn)點(diǎn)(x,y)的最后灰度的最后灰度g (x,y)。其其表達(dá)式為表達(dá)式為 超限像超限像素素平滑平滑算法對(duì)抑制椒鹽噪聲比較有效，對(duì)保護(hù)僅有微小灰度算法對(duì)抑制椒鹽噪聲比較有效，對(duì)保護(hù)僅有微小灰度差的細(xì)節(jié)及紋理也有效。差的細(xì)節(jié)及紋理也有效。 由下圖由下圖可見隨著鄰域增大，可見隨著鄰域增大，該算法該算法去噪能力增強(qiáng)，但模糊程度也去噪能力增強(qiáng)，但模糊程度也加加大。大。 同局部

21、平滑法相比，去椒鹽噪聲效果更好同局部平滑法相比，去椒鹽噪聲效果更好。(a) 原圖像原圖像 (b) 對(duì)對(duì)(a)加椒鹽噪聲的圖像加椒鹽噪聲的圖像(c) 33鄰域平滑鄰域平滑 (d) 55鄰域平滑鄰域平滑(e) 33超限像素平滑超限像素平滑(T=64)(f) 55超限像素平滑超限像素平滑(T=48)4.2.3灰度最相近的K個(gè)鄰點(diǎn)平均法 該算法的出發(fā)點(diǎn)是：以待處理像素為中心該算法的出發(fā)點(diǎn)是：以待處理像素為中心，在在nn的窗口內(nèi)，屬于同一的窗口內(nèi)，屬于同一集合體的像素，它們的灰度值將高度相關(guān)。因此，可用窗口內(nèi)與中心集合體的像素，它們的灰度值將高度相關(guān)。因此，可用窗口內(nèi)與中心像像素的素的灰度最接近的灰度最

22、接近的K個(gè)鄰個(gè)鄰像素像素的平均灰度來代替窗口中心像素的灰度值。的平均灰度來代替窗口中心像素的灰度值。這就是這就是灰度最相近的灰度最相近的K個(gè)鄰點(diǎn)平均法。個(gè)鄰點(diǎn)平均法。 較較小小的的K值使噪聲方差下降較值使噪聲方差下降較小小，但保持細(xì)節(jié)，但保持細(xì)節(jié)效果效果較好；而較大的較好；而較大的K值值平滑噪聲較好，但平滑噪聲較好，但會(huì)會(huì)使圖像邊緣模糊。使圖像邊緣模糊。 實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于33的窗口，取的窗口，取K=5或或6為宜。為宜。( 55, K=9； 77, K=25) 該方法物理概念明確，處理效果也很好，但是計(jì)算量比較大。該方法物理概念明確，處理效果也很好，但是計(jì)算量比較大。 例：例：3 3

23、模板，模板，k=5121431223457689576885678912143122345768957688567891,1,2,2,21,2,2,2,32,3,3,4,45,6,6,7,76,6,7,7,86,8,8,8,96,6,7,7,76,6,6,7,77,8,8,8,82236787684.2.4最大均勻性平滑 為避免消除噪聲引起邊緣模糊，該算法先找出環(huán)繞圖像中每像素的為避免消除噪聲引起邊緣模糊，該算法先找出環(huán)繞圖像中每像素的最均勻區(qū)域，然后用這區(qū)域的灰度均值代替該像素原來的灰度值。最均勻區(qū)域，然后用這區(qū)域的灰度均值代替該像素原來的灰度值。 該方法的缺點(diǎn)是對(duì)復(fù)雜形狀的邊界過分平滑并使

24、細(xì)節(jié)消失。該方法的缺點(diǎn)是對(duì)復(fù)雜形狀的邊界過分平滑并使細(xì)節(jié)消失。4.2.5有選擇保邊緣平滑法 該方法是對(duì)前述最均勻平滑法的一種改進(jìn)。它是對(duì)圖像上任一像素該方法是對(duì)前述最均勻平滑法的一種改進(jìn)。它是對(duì)圖像上任一像素(x,y)的的55鄰域，采用鄰域，采用9個(gè)掩模，其中包括一個(gè)個(gè)掩模，其中包括一個(gè)33正方形、正方形、4個(gè)五個(gè)五邊形和邊形和4個(gè)六邊形。計(jì)算各個(gè)掩模的均值和方差，對(duì)方差進(jìn)行排序，個(gè)六邊形。計(jì)算各個(gè)掩模的均值和方差，對(duì)方差進(jìn)行排序，最小方差所對(duì)應(yīng)的掩模區(qū)的灰度均值就是像素最小方差所對(duì)應(yīng)的掩模區(qū)的灰度均值就是像素(x,y) 的輸出值。的輸出值。 該方法以方差作為各個(gè)區(qū)域灰度均勻性的測度。若區(qū)域含

25、有尖銳的該方法以方差作為各個(gè)區(qū)域灰度均勻性的測度。若區(qū)域含有尖銳的邊緣，它的灰度方差必定很大，而不含邊緣或灰度均勻的區(qū)域，它邊緣，它的灰度方差必定很大，而不含邊緣或灰度均勻的區(qū)域，它的方差就小，那么最小方差所對(duì)應(yīng)的區(qū)域就是灰度最均勻區(qū)域。因的方差就小，那么最小方差所對(duì)應(yīng)的區(qū)域就是灰度最均勻區(qū)域。因此有選擇保邊緣平滑法既能夠消除噪聲，又不破壞區(qū)域邊界的細(xì)節(jié)。此有選擇保邊緣平滑法既能夠消除噪聲，又不破壞區(qū)域邊界的細(xì)節(jié)。另外，五邊形和六邊形在另外，五邊形和六邊形在(x,y)處都有銳角，這樣，即使像素處都有銳角，這樣，即使像素(x,y)位位于一個(gè)復(fù)雜形狀區(qū)域的銳角處，也能找到均勻的區(qū)域。從而在平滑于一

26、個(gè)復(fù)雜形狀區(qū)域的銳角處，也能找到均勻的區(qū)域。從而在平滑時(shí)既不會(huì)使尖銳邊緣模糊，也不會(huì)破壞邊緣形狀。時(shí)既不會(huì)使尖銳邊緣模糊，也不會(huì)破壞邊緣形狀。例如，某像素55鄰域的灰度分布如圖4.2.4，經(jīng)計(jì)算9個(gè)掩模區(qū)的均值和方差為 最小方差為0，對(duì)應(yīng)的灰度均值3，采用有選擇保邊緣平滑，該像素的輸出值為3。4.2.6 4.2.6 空間低通濾波法空間低通濾波法 鄰域平均法可看作一個(gè)掩模作用于圖像f(x,y)的低通空間濾波，掩模就是一個(gè)濾波器，它的響應(yīng)為H(r,s)，于是濾波輸出的數(shù)字圖像g(x,y)用離散卷積表示為均值443234233對(duì)應(yīng)的方差54717 17 28 31 23 26036421473248

27、41434215343216)62 . 4(),(),(),(llskkrsrHsyrxfyxg常用的掩模有 掩模不同，中心點(diǎn)或鄰域的重要程度也不相同，因此，應(yīng)根據(jù)問題的需要選取合適的掩模。但不管什么樣的掩模，必須保證全部權(quán)系數(shù)之和為單位值，這樣可保證輸出圖像灰度值在許可范圍內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。111111111911H1111211111012H1212421211613H111101111814H0010021414141415H4.2.7 4.2.7 中值濾波中值濾波 中值濾波是對(duì)一個(gè)滑動(dòng)窗口內(nèi)的諸像素灰度值排序，用中值代替窗口中心像素的原來灰度值，因此它是一種非線性的圖像平滑法。

28、例：采用13窗口進(jìn)行中值濾波原圖像為：22621244424處理后為：22222244444 它對(duì)脈沖干擾及椒鹽噪聲的抑制效果好，在抑制隨機(jī)噪聲的同時(shí)能有效保護(hù)邊緣少受模糊。但它對(duì)點(diǎn)、線等細(xì)節(jié)較多的圖像卻不太合適。對(duì)中值濾波法來說，正確選擇窗口尺寸的大小是很重要的環(huán)節(jié)。一般很難事先確定最佳的窗口尺寸，需通過從小窗口到大窗口的中值濾波試驗(yàn)，再從中選取最佳的。 如3X3窗口：207205208201202206198200212207205208201205206198200212212208207206205202201200198從小到大排列，取中間值原圖像中值濾波一維中值濾波的幾個(gè)例子（N=

29、5）離散階躍信號(hào)、斜升信號(hào)沒有受到影響。離散三角信號(hào)的頂部則變平了。對(duì)于離散的脈沖信號(hào)，當(dāng)其連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)小于窗口尺寸的一半時(shí)，將被抑制掉，否則將不受影響。一維中值濾波的概念很容易推廣到二維。一般來說，二維中值濾波器比一維濾波器更能抑制噪聲。二維中值濾波器的窗口形狀可以有多種，如線狀、方形、十字形、圓形、菱形等（見圖）。不同形狀的窗口產(chǎn)生不同的濾波效果，使用中必須根據(jù)圖像的內(nèi)容和不同的要求加以選擇。從以往的經(jīng)驗(yàn)看，方形或圓形窗口適宜于外輪廓線較長的物體圖像，而十字形窗口對(duì)有尖頂角狀的圖像效果好。圖(a)為原圖像；圖(b)為加椒鹽噪聲的圖像；圖(c)和圖(d)分別為33、55模板進(jìn)行中值濾波的結(jié)

30、果。 可見中值濾波法能有效削弱椒鹽噪聲，且比鄰域、超限像素平均法更有效。12143122345768957688567891214312234576895768856789例題：用例題：用33模板對(duì)以下圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波。模板對(duì)以下圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波。234566678最大值濾波最小值濾波1111911114.3 圖像空間域銳化 在圖像的識(shí)別中常需要突出邊緣和輪廓信息。圖像銳化就是增強(qiáng)圖像的邊緣或輪廓。 圖像平滑通過積分過程使得圖像邊緣模糊，圖像銳化則通過微分而使圖像邊緣突出、清晰。 4.3.1 梯度銳化法梯度銳化法 圖像銳化法最常用的是梯度法。 對(duì)于圖像f(x，y)，在(x，y)處的梯度

31、定義為 梯度是一個(gè)矢量，其大小和方向?yàn)?)13.4(),(),(),(yyxfxyxfyxffyxgrad)23 . 4()/()/()()(y)grad(x,),(),(112),(2),(22xyxfyyxfxyyyxfxyxfyxtgfftgff對(duì)于離散圖像處理而言，常用到梯度的大小，因此把梯度的大小習(xí)慣稱為“梯度”。并且一階偏導(dǎo)數(shù)采用一階差分近似表示，即 fx =f(x +1 ，y)-f(x，y) fy=f(x，y +1)-f(x，y)為簡化梯度的計(jì)算，經(jīng)常使用 grad(x，y)=Max(|fx|，|fy|)(4.3-4)或grad（x，y）=|fx|+|f y| (4.3-5) 除

32、梯度算子以外，還可采用Roberts、Prewitt和Sobel算子計(jì)算梯度，來增強(qiáng)邊緣。Roberts對(duì)應(yīng)的模板如圖4.3.2所示。差分計(jì)算式如下 fx =|f(x+1,y+1)-f(x,y)| fy =|f(x+1,y)-f(x,y+1)| -1-111圖4.3.2Roberts梯度算子 為在銳化邊緣的同時(shí)減少噪聲的影響，Prewitt從加大邊緣增強(qiáng)算子的模板大小出發(fā)，由2x2擴(kuò)大到3x3來計(jì)算差分，如圖(a)所示。 (a)Prewitt 算子 (b)Sobel算子 Sobel在Prewitt算子的基礎(chǔ)上，對(duì)4-鄰域采用帶權(quán)的方法計(jì)算差分，對(duì)應(yīng)的模板如圖(b)。 根據(jù)梯度計(jì)算式就可以計(jì)算R

33、oberts、Prewitt和Sobel梯度。一旦梯度算出后，就可根據(jù)不同的需要生成不同的梯度增強(qiáng)圖像。-101-1-1-1-101-1-2-1-101000-202000-101111-101121第一種輸出形式g(x,y)=grad(x,y)(4.3-7)此法的缺點(diǎn)是增強(qiáng)的圖像僅顯示灰度變化比較徒的邊緣輪廓，而灰度變化比較平緩或均勻的區(qū)域則呈黑色。第二種輸出形式式中T是一個(gè)非負(fù)的閾值。適當(dāng)選取T，可使明顯的邊緣輪廓得到突出，又不會(huì)破壞原來灰度變化比較平緩的背景第三種輸出形式 它將明顯邊緣用一固定的灰度級(jí)LG來表現(xiàn)。其它),(),(),(),(yxfTyxgradyxgradyxg其他，),

34、(),(),(yxfTyxgradLyxgG第四種輸出形式 此方法將背景用一個(gè)固定的灰度級(jí)LB來表現(xiàn)，便于研究邊緣灰度的變化。第五種輸出形式 這種方法將明顯邊緣和背景分別用灰度級(jí)LG和LB表示，生成二值圖像，便于研究邊緣所在位置。 其他,),(,),(),(BLTyxgradyxgradyxg其他,),(,),(BGLTyxgradLyxg3x3模板-1-18-1-1-1-1-1-11/9 *5x5模板1-118-11-111-11-111-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-11/25 *4.44.4圖像的頻率域增強(qiáng)圖像的頻率域增強(qiáng) 圖像增強(qiáng)的目的主要包括：消除噪聲，改善圖像的視覺效果；

35、突出邊緣，有利于識(shí)別和處理。前面是關(guān)于圖像空間域增強(qiáng)的知識(shí)，下面介紹頻率域增強(qiáng)的方法。假定原圖像為f(x，y)，經(jīng)傅立葉變換為F(u，v)。頻率域增強(qiáng)就是選擇合適的濾波器H(u,v)對(duì)F(u,v)的頻譜成分進(jìn)行處理，然后經(jīng)逆傅立葉變換得到增強(qiáng)的圖像g(x,y)。 頻率域增強(qiáng)的一般過程如下： DFT H(u，v) IDFTf(x，y) F(u，v) F(u，v)H(u，v) g(x，y) 濾波圖像的平滑除了在空間域中進(jìn)行外，也可以在頻率域中進(jìn)行。由于噪聲主要集中在高頻部分，為去除噪聲改善圖像質(zhì)量，濾波器采用低通濾波器H(u,v)來抑制高頻成分，通過低頻成分，然后再進(jìn)行逆傅立葉變換獲得濾波圖像，就

36、可達(dá)到平滑圖像的目的。常用的頻率域低濾波器H(u,v)有四種：4.4.1頻率域平滑頻率域平滑低通濾波（1）理想低通濾波器00),(0),(1),(DvuDDvuDvuH由于高頻成分包含有大量的邊緣信息，因此采用該濾波器在去噪聲的同時(shí)將會(huì)導(dǎo)致邊緣信息損失而使圖像邊模糊。（2）巴特沃思低通濾波器nnDvuDDvuDvuH2020),(414.011),()12(11),(n=1n=3它的特性是連續(xù)性衰減，而不象理想濾波器那樣陡峭變化，即明顯的不連續(xù)性。因此采用該濾波器濾波在抑制噪聲的同時(shí)，圖像邊緣的模糊程度大大減小，沒有振鈴效應(yīng)產(chǎn)生。),(347. 0exp),()21expln(),(00nnD

37、vuDDvuDvuH（3）指數(shù)低通濾波器n=1n=3采用該濾波器濾波在抑制噪聲的同時(shí)，圖像邊緣的模糊程度較用Butterworth濾波產(chǎn)生的大些，無明顯的振鈴效應(yīng)。（4）梯形低通濾波器1101010),(0),()(),(),(1),(DvuDDvuDDDDDvuDDvuDvuH采用該濾波器濾波在抑制噪聲的同時(shí)，圖像邊緣的模糊程度較用Butterworth濾波產(chǎn)生的大些，無明顯的振鈴效應(yīng)。（c）（b）（a）理想低通濾波結(jié)果半徑分別為15，30，80，濾去的能量為5.4%、3.6%、2%。振鈴效應(yīng)振鈴效應(yīng)G(u,v)=H(u,v)F(u,v)g(x,y)=h(x,y)*f(x,y)（a）半徑為5

38、的脈沖圖像（b）相應(yīng)的空間濾波器（c）空域的5個(gè)脈沖（d）濾波結(jié)果BLPF 特性曲線ELPF 特性曲線2階BLPF濾波的結(jié)果（a）原圖像（b）半徑15（b）半徑30（d）半徑802階ELPF濾波的結(jié)果（a）原圖像（b）半徑15（b）半徑30（d）半徑80IHPF濾波效果，D0=15，30，80。D0越小，振鈴效應(yīng)越明顯。BHPF,比IHPF的結(jié)果平滑得多。EHPF濾波效果4.4.2 4.4.2 頻率域銳化頻率域銳化 圖像的邊緣、細(xì)節(jié)主要位于高頻部分，而圖像的模糊是由于高頻成分比較弱產(chǎn)生的。頻率域銳化頻率域銳化就是為了消除模糊，突出邊緣。因此采用高通濾波器讓高頻成分通過，使低頻成分削弱，再經(jīng)逆傅

39、立葉變換得到邊緣銳化的圖像。常用的高通濾波器有： 1）理想高通濾波器二維理想高通濾波器的傳遞函數(shù)為)54 . 4(),(1),(0),(00DvuDDvuDvuH2）巴特沃斯高通濾波器n階巴特沃斯高通濾波器的傳遞函數(shù)定義如下 H(u，v)=1/1+( D0/D(u，v)2n 3）指數(shù)濾波器 指數(shù)高通濾波器的傳遞函數(shù)為)74 . 4(),(),(0nvuDDevuH4）梯形濾波器 梯形高通濾波器的定義為)84 . 4(Dv)D(u,1D),(DDv)D(u,0v)H(u,001DDD-v)D(u,1101vuD 四種濾波函數(shù)的選用類似于低通。理想高通有明顯振鈴現(xiàn)象，即圖像的邊緣有抖動(dòng)現(xiàn)象；But

40、terworth高通濾波效果較好，但計(jì)算復(fù)雜，其優(yōu)點(diǎn)是有少量低頻通過，H(u，v)是漸變的，振鈴現(xiàn)象 不明顯；指數(shù)高通效果比Butterworth差些，振鈴現(xiàn)象不明顯；梯形高通會(huì)產(chǎn)生微振鈴效果，但計(jì)算簡單，較常用。 一般來說，不管在圖像空間域還是頻率域，采用高頻濾波不但會(huì)使有用的信息增強(qiáng)，同時(shí)也使噪聲增強(qiáng)。因此不能隨意地使用。4.5 彩色增強(qiáng)技術(shù) 人眼的視覺特性： 分辨的灰度級(jí)介于十幾到二十幾級(jí)之間； 彩色分辨能力可達(dá)到灰度分辨能力的百倍以上。 彩色增強(qiáng)技術(shù)是利用人眼的視覺特性，將灰度圖像變成彩色圖像或改變彩色圖像已有彩色的分布，改善圖像的可分辨性。彩色增強(qiáng)方法可分為偽彩色增強(qiáng)和假彩色增強(qiáng)兩類

41、。4.5.1 4.5.1 偽彩色增強(qiáng)偽彩色增強(qiáng) 偽彩色增強(qiáng)是把黑白圖像的各個(gè)不同灰度級(jí)按照線性或非線性的映射函數(shù)變換成不同的彩色，得到一幅彩色圖像的技術(shù)。使原圖像細(xì)節(jié)更易辨認(rèn)，目標(biāo)更容易識(shí)別。 偽彩色增強(qiáng)的方法主要有密度分割法、灰度級(jí)一彩色變換和頻率域偽彩色增強(qiáng)三種。 密度分割法密度分割法 密度分割法是把黑白圖像的灰度級(jí)從0（黑）到M0（白）分成N個(gè)區(qū)間Ii(i=1，2，N),給每個(gè)區(qū)間Ii指定一種彩色Ci，這樣，便可以把一幅灰度圖像變成一幅偽彩色圖像。 該方法比較簡單、直觀。缺點(diǎn)是變換出的彩色數(shù)目有限。 2.2.空間域灰度級(jí)一彩色變換空間域灰度級(jí)一彩色變換 根據(jù)色度學(xué)原理，將原圖像f(x,y

42、)的灰度范圍分段，經(jīng)過紅、綠、藍(lán)三種不同變換TR()、TG()和TB()，變成三基色分量IR(x,y)、IG(x,y)、IB(x,y)，然后用它們分別去控制彩色顯示器的紅、綠、藍(lán)電子槍，便可以在彩色顯示器的屏幕上合成一幅彩色圖像。 3.3.頻率域偽彩色增強(qiáng)頻率域偽彩色增強(qiáng) 頻率域偽彩色增強(qiáng)的方法是： 把黑白圖像經(jīng)傅立葉變換到頻率域，在頻率域內(nèi)用三個(gè)不同傳遞特性的濾波器分離成三個(gè)獨(dú)立分量； 然后對(duì)它們進(jìn)行逆傅立葉變換，便得到三幅代表不同頻率分量的單色圖像，接著對(duì)這三幅圖像作進(jìn)一步的處理（如直方圖均衡化） 最后將它們作為三基色分量分別加到彩色顯示器的紅、綠、藍(lán)顯示通道，得到一幅彩色圖像。 4.5.

43、2 4.5.2 假彩色增強(qiáng)假彩色增強(qiáng) 假彩色增強(qiáng)是對(duì)一幅自然彩色圖像或同一景物的多光譜圖像，通過映射函數(shù)變換成新的三基色分量，彩色合成使感興趣目標(biāo)呈現(xiàn)出與原圖像中不同的、奇異的彩色。 假彩色增強(qiáng)目的：一是使感興趣的目標(biāo)呈現(xiàn)奇異的彩色或置于奇特的彩色環(huán)境中，從而更引人注目；一是使景物呈現(xiàn)出與人眼色覺相匹配的顏色，以提高對(duì)目標(biāo)的分辨力。 多光譜圖像的假彩色增強(qiáng)可表示為 將可見光與非可見光波段結(jié)合起來，通過假彩色處理，就能獲得更豐富的信息，便于對(duì)地物識(shí)別。) 15 . 4 (,.,.,.,.,.,.,212121iBFiGFiRFgggfBgggfGgggfR對(duì)于自然景色圖像，通用的線性假彩色映射可

44、表示為例如采用以下的映射關(guān)系則原圖像中綠色物體會(huì)呈紅色，藍(lán)色物體會(huì)呈綠色，紅色物體則呈蘭色。 偽彩色增強(qiáng)與假彩色增強(qiáng)有何區(qū)別？ ) 25 . 4 (333222111fffFFFBGRcbacbacbaBGR)35 . 4(001100010fffFFFBGRBGR？4.6 圖像的代數(shù)運(yùn)算圖像的代數(shù)運(yùn)算 加、減、乘、除運(yùn)算加、減、乘、除運(yùn)算 ：圖像的代數(shù)運(yùn)算是指對(duì)兩幅輸入圖像進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的加、減、圖像的代數(shù)運(yùn)算是指對(duì)兩幅輸入圖像進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的加、減、 乘、乘、 除四則運(yùn)算而得到輸出圖像的運(yùn)算。如果記輸入圖像為除四則運(yùn)算而得到輸出圖像的運(yùn)算。如果記輸入圖像為A(x, y)和和B(x, y)，輸出圖像

45、為，輸出圖像為C(x, y)，則四種圖像代數(shù)運(yùn)算的表達(dá)式如下：，則四種圖像代數(shù)運(yùn)算的表達(dá)式如下：C(x, y)A(x, y)B(x, y)C(x, y)A(x, y)B(x, y)C(x, y)A(x, y)B(x, y)C(x, y)A(x, y)B(x, y) 另外，另外， 還可通過適當(dāng)?shù)慕M合，還可通過適當(dāng)?shù)慕M合， 形成涉及幾幅圖像的復(fù)合代數(shù)運(yùn)算形成涉及幾幅圖像的復(fù)合代數(shù)運(yùn)算方程。方程。v圖像相加一般用于對(duì)同一場景的多幅圖像求平均，以便有效地降低加性噪聲。圖像相加一般用于對(duì)同一場景的多幅圖像求平均，以便有效地降低加性噪聲。通常，圖像采集系統(tǒng)中采集圖像時(shí)有這樣的參數(shù)可供選擇。其實(shí)，直接采集通

46、常，圖像采集系統(tǒng)中采集圖像時(shí)有這樣的參數(shù)可供選擇。其實(shí)，直接采集的圖像品質(zhì)較好，不需要這樣的處理，的圖像品質(zhì)較好，不需要這樣的處理， 但是對(duì)于經(jīng)過長距離模擬通信方式傳但是對(duì)于經(jīng)過長距離模擬通信方式傳送的圖像（如太空航天器傳回的星際圖像）這種處理是不可缺少的。但利用送的圖像（如太空航天器傳回的星際圖像）這種處理是不可缺少的。但利用求平均法降低噪聲信號(hào)，提高信噪比的方法，只有當(dāng)噪聲可以用同一個(gè)獨(dú)立求平均法降低噪聲信號(hào)，提高信噪比的方法，只有當(dāng)噪聲可以用同一個(gè)獨(dú)立分布的隨機(jī)模型描述時(shí)才會(huì)有效。分布的隨機(jī)模型描述時(shí)才會(huì)有效。 g(x, y)f(x, y)n(x, y) 疊加高斯噪聲的灰度圖像疊加高斯噪

47、聲的灰度圖像 4幅圖像疊加平均的結(jié)果幅圖像疊加平均的結(jié)果 8幅圖像疊加平均的結(jié)果幅圖像疊加平均的結(jié)果 用多圖像平均法消除隨機(jī)噪聲用多圖像平均法消除隨機(jī)噪聲MiiyxgMyxg1),(1),(可以證明可以證明MyxfyxgEyxnyxg),(),(),(),(v圖像相減常用于檢測變化及運(yùn)動(dòng)物體，圖像相減運(yùn)算又稱為圖像差分運(yùn)算。圖像相減常用于檢測變化及運(yùn)動(dòng)物體，圖像相減運(yùn)算又稱為圖像差分運(yùn)算。v差影法差影法實(shí)際上就是圖像的相減運(yùn)算實(shí)際上就是圖像的相減運(yùn)算(又稱減影技術(shù)又稱減影技術(shù))，是指把同一景物在不同，是指把同一景物在不同時(shí)間拍攝的圖像或同一景物在不同波段的圖像相減，差值圖像提供了圖像間時(shí)間拍攝

48、的圖像或同一景物在不同波段的圖像相減，差值圖像提供了圖像間的差異信息，能用于圖像背景消除及目標(biāo)識(shí)別、動(dòng)態(tài)監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測和的差異信息，能用于圖像背景消除及目標(biāo)識(shí)別、動(dòng)態(tài)監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測和跟蹤等。跟蹤等。v例如，利用差影技術(shù)消除圖像背景在血管造影技術(shù)中的應(yīng)用。腎動(dòng)脈造影術(shù)例如，利用差影技術(shù)消除圖像背景在血管造影技術(shù)中的應(yīng)用。腎動(dòng)脈造影術(shù)對(duì)診斷腎臟疾病就有獨(dú)特效果，為了減少誤診，人們希望提供反映游離血管對(duì)診斷腎臟疾病就有獨(dú)特效果，為了減少誤診，人們希望提供反映游離血管的清晰圖像。通常的腎動(dòng)脈造影在造影劑注入后，雖然能夠看出腎動(dòng)脈血管的清晰圖像。通常的腎動(dòng)脈造影在造影劑注入后，雖然能夠看出腎動(dòng)脈血管的形狀及分布，但由于腎臟周圍血管受到脊椎及