遙感數(shù)字圖像處理第四章圖像增強(qiáng)

1、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，同時抑制一些不需要的信息，提高圖像的使用價值。 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)是直接對圖像各像素進(jìn)行處理； 頻率域增強(qiáng)是對圖像經(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)計法規(guī)定化均衡化直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

2、. 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)整圖像的灰度動態(tài)范圍或圖像對比度，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，圖像灰度可能會局限在一個很小的范圍內(nèi)。這時在顯示器上看到的將是一個

3、模糊不清、似乎沒有灰度層次的圖像。 下圖是對曝光不足的圖像采用線性變換對圖像每一個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，可對任一灰度區(qū)間進(jìn)行拉伸或壓縮。 3非線性灰

4、度變換 當(dāng)用某些非線性函數(shù)如對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等，作為映射函數(shù)時，可實現(xiàn)圖像灰度的非線性變換。對數(shù)變換 對數(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)希望對圖像的低灰度區(qū)較大的拉伸而對高灰度區(qū)壓縮時，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,c用來調(diào)整曲線的位置和形狀。這種變換能對圖像的高灰度區(qū)給予較大的拉伸。) 81 . 4 (1), (), (ajifcbjigg (i,j)f (i,j)4.1.3 直

5、方圖修整法 灰度直方圖反映了數(shù)字圖像中每一灰度級與其出現(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r值，都可產(chǎn)生一個s值，且 (4.1-10)1,0sr)(rTs T(r)作為變

6、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s同樣滿足上述兩個條件。 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 )(1sTrrrssSdrrpdsspsF)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

7、換函數(shù)T(r)控制原圖像灰度級的概率密度函數(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k=1)時，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。 因為歸一化假定 由（4.1-13）則有 )141 . 4(1)(sPsdrrpdsr)()()()(1sTdsdpdsdrpdrrpdsdsPrrrrs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，能達(dá)到直方圖均衡化的目的。 對于離散的數(shù)字圖像，用頻率來代替概率,則變

8、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sk并sknskpk(s)r0=07900.190.191/7s0=1/77900.19r1=1/710230.250.443/7s1=3/710230.25r2=2/78500.210.655/7s2=5/78500.21r3=3/76

9、560.160.816/7 r4=4/73290.080.896/7s3=6/79850.24r5=5/72450.060.951 r6=6/71220.030.981 r7=1810.021.001s4=14480.11例例 假定有一幅總像素為n=6464的圖像，灰度級數(shù)為8，各灰度級分布列于表中。對其均衡化計算過程如下：？ 若在原圖像一行上連續(xù)8個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，有時需要具有特定的直方圖的圖像，

10、以便能夠增強(qiáng)圖像中某些灰度級。直方圖規(guī)定化方法就是針對上述思想提出來的。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圖像作修正的增強(qiáng)方法。 可見，它是對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)定化的一個特例。 對于直方圖規(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度函數(shù)。 首先對原始圖像進(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

11、圖像的灰度。 若對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)；用步驟得到的灰度級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)

12、據(jù)（6464像素且具有8級灰度），其灰度級分布列于表中。給定的直方圖的灰度分布列于表中。 對應(yīng)的直方圖如下： 原圖像的直方圖 規(guī)定化直方圖 117/67/317/67/57/217/57/47/17/67/47/307763765275416430zrzrzrzrzrzrzrzr 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個像素的灰度值分別為：0、1、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)器識別。下面是一個直方圖規(guī)定

13、化應(yīng)用實例。 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。通過對比可以看出圖(C)的對比度同圖（B)接近一致，對應(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。1111111119111111111191模 板4.2 圖像的空間域平滑 任何一幅原始圖像，在其獲取和傳輸?shù)冗^程中，會受到各種噪聲的干擾，使圖像惡化，質(zhì)量下降，圖像模糊，特征淹沒，對圖像分析不利。 為了抑制噪聲改善圖像質(zhì)量所進(jìn)行的處理稱圖像平滑或去噪。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。4.2.14.2.1局部平滑法局部平滑法 局部平滑法是一種直接

14、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，相鄰像素間存在很高的空間相關(guān)性，而噪聲則是統(tǒng)計獨(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，實現(xiàn)圖像的平滑。 設(shè)有一幅NN的圖像f(x,y)，若平滑圖像為g(x,y),則有 式中x,y=0,1,N-1； s為（x,y）鄰域內(nèi)像素坐標(biāo)的集合； M表示集合s內(nèi)像素的總數(shù)。 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。 ) 12 . 4(),(1),(,sjijifMyxg(m-1,n-1)(m-1,n)(m-1,n+1)(m,n-1) (m,n)(m,n+1)(m+1,n-1)(m

15、+1,n)(m+1,n+1)例如，對圖像采用33的鄰域平均法，對于像素（m,n)，其鄰域像素如下：則有：),(),(91jnimfnmgZiZj 其作用相當(dāng)于用這樣的模板同圖像卷積。 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，信號與噪聲的方差比可望提高M(jìn)倍。 這種算法簡單，但它的主要缺點(diǎn)是在降低噪聲的同時使圖像產(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)的同時模糊程度越嚴(yán)重。如圖4.2.1(c)和(d)。 11111111191H(a)原圖像 (b) 對(a)加椒鹽噪聲的圖像(c)33鄰域平滑 (d) 55鄰域平滑 為克服簡單局部平均法的

16、弊病，目前已提出許多保邊緣、細(xì)節(jié)的局部平滑算法。它們的出發(fā)點(diǎn)都集中在如何選擇鄰域的大小、形狀和方向、參加平均的點(diǎn)數(shù)以及鄰域各點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)等。主要步驟為：主要步驟為：1、將模板在圖中漫游，并將模板中心與圖中某個、將模板在圖中漫游，并將模板中心與圖中某個象素位置重合象素位置重合2、將模板上系數(shù)與模板下對應(yīng)象素相乘、將模板上系數(shù)與模板下對應(yīng)象素相乘3、將所有乘積相加、將所有乘積相加4、將和賦給圖中對應(yīng)模板中心位置的象素、將和賦給圖中對應(yīng)模板中心位置的象素(a)(b)(c)圖像一圖像一部分部分33模模板板將將k0的位置于圖中灰度值為的位置于圖中灰度值為s0的象素重合（即將模板中的象素重合（即將模板中心

17、放在圖中心放在圖中(x,y)位置），模板的輸出響應(yīng)位置），模板的輸出響應(yīng)R為：為：881100skskskR將將R賦給增強(qiáng)圖，作為賦給增強(qiáng)圖，作為在在(x,y)位置的灰度值位置的灰度值(圖圖c)4.2.2 4.2.2 超限像素平滑法超限像素平滑法 對鄰域平均法稍加改進(jìn)，可導(dǎo)出超限像素平滑法。它是將f(x,y)和鄰域平均g(x,y)差的絕對值與選定的閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果決定點(diǎn)（x,y）的最后灰度g(x,y)。其表達(dá)式為 這算法對抑制椒鹽噪聲比較有效，對保護(hù)僅有微小灰度差的細(xì)節(jié)及紋理也有效。可見隨著鄰域增大，去噪能力鄰域增大，去噪能力增強(qiáng)增強(qiáng)，但模糊程度也大模糊程度也大。 同局部平滑法相比，

18、超限像元平滑法去椒鹽噪聲效果更好去椒鹽噪聲效果更好。(a)原圖像 (b)對(a)加椒鹽噪聲的圖像(c)33鄰域平滑 (d) 55鄰域平滑(e)33超限像素平滑(T=64)(f)55超限像素平滑(T=48)4.2.3 4.2.3 灰度最相近的灰度最相近的K K個鄰點(diǎn)平均法個鄰點(diǎn)平均法 該算法的出發(fā)點(diǎn)是：在nn的窗口內(nèi)，屬于同一類的像素，它們的灰度值將高度相關(guān)。因此，可用窗口內(nèi)與中心像素的灰度最接近的K個鄰像素的平均灰度來代替窗口中心像素的灰度值。這就是灰度最相近的K個鄰點(diǎn)平均法。 較小的K值使噪聲方差下降較小，但保持細(xì)節(jié)效果較好；而較大的K值平滑噪聲較好，但會使圖像邊緣模糊。 實驗證明，對于33

19、的窗口，取K=6為宜。4.2.5 4.2.5 最大均勻性平滑最大均勻性平滑 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。4.2.64.2.6有選擇保邊緣平滑法有選擇保邊緣平滑法 該方法對圖像上任一像素(x,y)的55鄰域，采用9個掩模，其中包括一個33正方形、4個五邊形和4個六邊形。計算各個掩模的均值和方差，對方差進(jìn)行排序，最小方差所對應(yīng)的掩模區(qū)的灰度均值就是像素（x,y) 的輸出值。 該方法以方差作為各個區(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，它的方差就小，那么最小方

20、差所對應(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)。另外，五邊形和六邊形在（x,y）處都有銳角，這樣，即使像素（x,y）位于一個復(fù)雜形狀區(qū)域的銳角處，也能找到均勻的區(qū)域。從而在平滑時既不會使尖銳邊緣模糊，也不會破壞邊緣形狀。例如，某像素55鄰域的灰度分布如圖4.2.4，經(jīng)計算9個掩模區(qū)的均值和方差為 最小方差為0，對應(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。4.2.7 4.2.7 空間低通濾波法空間低通濾波法 鄰域平均法可看作一個模板作用于圖像f(x,y)的低通空間濾波，模板就是一個濾波器，它的響應(yīng)為H(r,s)，于是濾波輸出的數(shù)字圖

21、像g(x,y)用離散卷積表示為均值443234233對應(yīng)的方差54717 17 28 31 23 260364214 7324841434215343216)62 . 4(),(),(),(llskkrsrHsyrxfyxg常用的掩模有模板不同，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模板。但不管什么樣的模板，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)，不會產(chǎn)生“溢出”現(xiàn)象。 111111111911H1111211111012H1212421211613H111101111814H0010021414141415H4.2.9 4.2.9 中值

22、濾波中值濾波 前面的鄰域平滑濾波在消除噪聲的同時，會將圖像中的前面的鄰域平滑濾波在消除噪聲的同時，會將圖像中的一些細(xì)節(jié)模糊，如果既要消除噪聲，又要保持圖像的細(xì)節(jié)一些細(xì)節(jié)模糊，如果既要消除噪聲，又要保持圖像的細(xì)節(jié) 中值濾波基本思想中值濾波基本思想：以某個含奇數(shù)個像素點(diǎn)的窗口在圖：以某個含奇數(shù)個像素點(diǎn)的窗口在圖象上滑動，以窗口內(nèi)各點(diǎn)的中值代替窗口正中的那個像素的象上滑動，以窗口內(nèi)各點(diǎn)的中值代替窗口正中的那個像素的灰度值。灰度值。 實際運(yùn)算過程中不需要圖像的統(tǒng)計特性，很方便，它對實際運(yùn)算過程中不需要圖像的統(tǒng)計特性，很方便，它對脈沖干擾及椒鹽噪聲的抑制效果好，在抑制隨機(jī)噪聲的同時脈沖干擾及椒鹽噪聲的抑

23、制效果好，在抑制隨機(jī)噪聲的同時能有效保護(hù)邊緣少受模糊。但對一些細(xì)節(jié)多，如點(diǎn)、線、尖能有效保護(hù)邊緣少受模糊。但對一些細(xì)節(jié)多，如點(diǎn)、線、尖頂細(xì)節(jié)多的圖像不宜采用。頂細(xì)節(jié)多的圖像不宜采用。 對中值濾波法來說，正確選擇窗口尺寸的大小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，再從中選取最佳的。 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；將這個中間值賦給對應(yīng)窗口中心位置的像素。工作步驟工作步驟原圖像 中值濾波一維中值濾波的幾個例子（N=5） 離散階躍信號、斜升信號沒有受到影響。

24、離散三角信號的頂部則變平了。對于離散的脈沖信號，當(dāng)其連續(xù)出現(xiàn)的次數(shù)小于窗口尺寸的一半時，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，而十字形窗口對有尖頂角狀的圖像效果好。 MNSf(x,y)取取3X33X3窗口窗口207205208201202206198200212207205208201205206

25、198200212212208207206205202201200198從小到大排列，取中間值從小到大排列，取中間值 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)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。1111911114.3 圖像空間域銳化 在圖像的識別中常需要突出邊緣和輪廓信息。圖像銳化就是增強(qiáng)圖像的邊緣或輪廓增強(qiáng)圖像的邊緣或輪廓。 圖像平滑通過積分積分過程使得圖像邊緣模糊，圖像銳化則通過微分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梯度法。 對于圖像f

26、(x，y)，在(x，y)處的梯度定義為 梯度是一個矢量，其大小和方向為 )13.4(),(),(),(yyxfxyxfyxffyxgrad)23 . 4()/()/()()(y)grad(x,),(),(112),(2),(22xyxfyyxfxyyyxfxyxfyxtgfftgff對于數(shù)字圖像，則用對于數(shù)字圖像，則用一階差分一階差分近似表示近似表示2122)1,(),(), 1(),(),(jifjifjifjifyxfG簡化簡化f(i,j) f(i,j+1)f(i+1,j)結(jié)論結(jié)論梯度的近似值和相鄰象素的灰度差成正比，因此在圖梯度的近似值和相鄰象素的灰度差成正比，因此在圖像變化緩慢區(qū)域，其

27、值很小，而在線條輪廓等變化快像變化緩慢區(qū)域，其值很小，而在線條輪廓等變化快的部分其值很大，梯度運(yùn)算可使細(xì)節(jié)清晰，從而達(dá)到的部分其值很大，梯度運(yùn)算可使細(xì)節(jié)清晰，從而達(dá)到銳化的目的。銳化的目的。fx =f(x +1 ，y)-f(x，y) fy=f(x，y +1)-f(x，y)為簡化梯度的計算，經(jīng)常使用為簡化梯度的計算，經(jīng)常使用 grad(x，y)=Max(|fx|，|fy|) (4.3-4) 或或 grad（x，y）=|fx|+|f y| (4.3-5) 除梯度算子以外，還可采用Roberts、Prewitt和Sobel 算子計算梯度，來增強(qiáng)邊緣。 Roberts對應(yīng)的模板如圖4.3.2所示。差分

28、計算式如下 fx =|f(x+1,y+1)-f(x,y)| fy =|f(x+1,y)-f(x,y+1)| -1 -1 11 圖4.3.2 Roberts梯度算子 為在銳化邊緣的同時減少噪聲的影響，Prewitt從加大加大邊緣增強(qiáng)算子的模板大小邊緣增強(qiáng)算子的模板大小出發(fā)，由2x2擴(kuò)大到3x3來計算差分，如圖(a)所示。 (a)Prewitt 算子 (b)Sobel算子 Sobel在Prewitt算子的基礎(chǔ)上，對4-鄰域采用帶權(quán)的帶權(quán)的方法計算差分方法計算差分，對應(yīng)的模板如圖(b)。 根據(jù)梯度計算式就可以計算Roberts、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

29、同的梯度增強(qiáng)圖像。 -101 -1-1-1 -101 -1-2-1-101000-202000-101111-101121實例實例Sobel算子算子Roberts算子算子Prewitt算子算子原圖原圖直接求梯度圖直接求梯度圖 第一種第一種輸出形式 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。 第二種第二種輸出形式 式中T是一個非負(fù)的閾值。適當(dāng)選取T，可使明顯的邊緣輪廓得到突出，又不會破壞原來灰度變化比較平緩的背景 第三種第三種輸出形式 它將明顯邊緣用一固定的灰度級LG來表現(xiàn)。 其它),(),()

30、,(),(yxfTyxgradyxgradyxg其他，),(),(),(yxfTyxgradLyxgG 第四種第四種輸出形式 此方法將背景用一個固定的灰度級 LB來表現(xiàn)，便于研究邊緣灰度的變化。 第五種第五種輸出形式 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,),(,),(BGLTyxgradLyxg 一般產(chǎn)生梯度圖是：一般產(chǎn)生梯度圖是：),(),(yxfGyxg缺點(diǎn)：使缺點(diǎn)：使f(x,y)中所有平滑區(qū)中所有平滑區(qū)域在域在g(x,y)中變中變成暗區(qū)，梯度成暗區(qū)，梯度值較小的原因值

31、較小的原因其它),(),(),(),(yxfTyxfGyxfGyxg不破壞平滑區(qū)不破壞平滑區(qū)域的灰度值，域的灰度值，又能有效的強(qiáng)又能有效的強(qiáng)調(diào)圖像的邊緣調(diào)圖像的邊緣其它),(),(),(yxfTyxfGLyxgG圖像的邊緣增強(qiáng)效果更明顯圖像的邊緣增強(qiáng)效果更明顯其它BLTyxfGyxfGyxg),(),(),(不受背景的影響，只研究不受背景的影響，只研究圖像邊緣灰度級變化圖像邊緣灰度級變化其它BGLTyxfGLyxg),(),(只對邊緣的位置感興趣只對邊緣的位置感興趣4.3.2 Laplacian增強(qiáng)算子增強(qiáng)算子 Laplacian 算子是線性二階微分算子。即 2f(x，y)= 2222),()

32、,(yyxfxyxf 對離散的數(shù)字圖像而言，二階偏導(dǎo)數(shù)可用二階差分近似，可推導(dǎo)出Laplacian算子表達(dá)式為 2f(x，y)= f(x+1，y)+f(x-1，y)+ f(x，y+1)+f(x，y-1)-4f(x，y) Laplacian增強(qiáng)算子為： g(x，y)=f(x，y)- 2f(x，y) =5f(x，y)- f(x+1，y)+ f(x-1，y)+f(x，y+1)+ f(x，y-1)0101-41010Laplace算子0-10-15-10-10增強(qiáng)算子其特點(diǎn)是：1、在灰度均勻的區(qū)域或斜坡中間2f(x，y)為0，增強(qiáng)圖像上像元灰度不變；2、在斜坡底或低灰度側(cè)形成“下沖”；而在斜坡頂或高灰

33、度側(cè)形成“上沖”。 0 -1 0 1 2 1 H1= -1 5 1 H2= -2 5 2 0 -1 0 1 2 1 4.3.3 4.3.3 高通濾波法高通濾波法 高通濾波法就是用高通濾波算子和圖像卷積來增強(qiáng)邊緣。常用的算子有：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；突出邊緣，有利于識別和處理。前面是關(guān)于圖像空間域增強(qiáng)的知識，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

34、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 原理和分類原理和分類卷積理論是頻域技術(shù)的基礎(chǔ)。設(shè)函數(shù)卷積理論是頻域技術(shù)的基礎(chǔ)。設(shè)函數(shù)f(x,y)與線性位不變與線性位不變算子算子h(x,y)的卷積結(jié)果是的卷積結(jié)果是g(x,y)，即，即g(x,y)=h(x,y)*f(x,y)，則根據(jù)卷積定理在頻域有：則根據(jù)卷積定理在頻域有：G(u,v)H(u,v)F(u,v)在具體的應(yīng)用中，在具體的應(yīng)用中，f(x,y)是給定的是給定的F(u,v)可以變換得到可以變換得到，需要確定的是需要確定的是H(u,v)，這樣具有所需特性的，這樣具有所

35、需特性的g(x,y)可為：可為：g(x,y)F-1H(u,v)F(u,v)計算步驟計算步驟（1）計算所需增強(qiáng)圖的傅立葉變換）計算所需增強(qiáng)圖的傅立葉變換（2）將其與）將其與1個個(根據(jù)需要設(shè)計根據(jù)需要設(shè)計)轉(zhuǎn)移函數(shù)相乘轉(zhuǎn)移函數(shù)相乘（3）再將結(jié)果傅立葉反變換，以得到增強(qiáng)的圖）再將結(jié)果傅立葉反變換，以得到增強(qiáng)的圖 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)來抑制高頻成分抑制高頻成分，通過通過低頻成分低頻成分，然后再進(jìn)行逆傅立葉變換獲得濾波圖像，就可達(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

36、：1理想低通濾波器 設(shè)傅立葉平面上理想低通濾波器離開原點(diǎn)的截止頻率為D0，則理想低通濾波器的傳遞函數(shù)為 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將會導(dǎo)致邊緣信息損失而使圖像邊模糊。 4.4.1頻率域平滑頻率域平滑) 14 . 4 (),(0),(1),(00DvuDDvuDvuH2Butterworth低通濾波器 n階Butterworth濾波器的傳遞函數(shù)為： 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，圖像邊緣的模糊程度大大減小，沒有振鈴效應(yīng)產(chǎn)生。 )24 . 4(),(20),(11nDvuDvuH3指

37、數(shù)低通濾波器 指數(shù)低通濾波器是圖像處理中常用的另一種平滑濾波器。它的傳遞函數(shù)為： 采用該濾波器濾波在抑制噪聲的同時，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)。 )34 . 4(e v)H(u,-0Dv)D(u,n 4. 梯形低通濾波器 梯形低通濾波器是理想低通濾波器和完全平滑濾波器的折中。它的傳遞函數(shù)為： 它的性能介于理想低通濾波器和指數(shù)濾波器之間，濾波的圖像有一定的模糊和振鈴效應(yīng)。)44 . 4(Dv)D(u,0D),(DDv)D(u,1 v)H(u,110DDD-v)D(u,0101vuD4.4.2 4.4.2 頻率域銳化頻率域銳化 圖像的邊緣、細(xì)節(jié)主要

38、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,

39、1D),(DDv)D(u,0 v)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現(xiàn)象；Butterworth高通濾波效果較好，但計算復(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；梯形高通會產(chǎn)生微振鈴效果，但計算簡單，較常用較常用。 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使有用的信息增強(qiáng)，同時也使噪聲增強(qiáng)。因此不能隨意地使用。 4.5 彩色增強(qiáng)技術(shù) 人眼只能分辯幾十種不同深淺的灰度級，人眼只能分辯幾十種不同深淺的灰度級，但

40、能分辯幾千種不同的顏色借助彩色但能分辯幾千種不同的顏色借助彩色圖像增強(qiáng)視覺效果。圖像增強(qiáng)視覺效果。 彩色圖像增強(qiáng)方法偽彩色增強(qiáng)，真彩彩色圖像增強(qiáng)方法偽彩色增強(qiáng)，真彩色增強(qiáng)色增強(qiáng)偽彩色增強(qiáng)偽彩色增強(qiáng) 對原來灰度圖像中不同灰度值的區(qū)域賦對原來灰度圖像中不同灰度值的區(qū)域賦予不同的顏色，以更明顯的區(qū)分賦色予不同的顏色，以更明顯的區(qū)分賦色過程實際上是一種著色過程。過程實際上是一種著色過程。視覺效果明顯，視覺效果明顯，不復(fù)雜的圖像不復(fù)雜的圖像增強(qiáng)技術(shù)增強(qiáng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)相同物體或大物體各個部相同物體或大物體各個部分因光照燈條件不同，形分因光照燈條件不同，形成不同的灰度級，結(jié)果出成不同的灰度級，結(jié)果出現(xiàn)了不同彩

41、色，錯誤判斷現(xiàn)了不同彩色，錯誤判斷缺點(diǎn)缺點(diǎn)密度切割密度切割灰度變換灰度變換頻域濾波頻域濾波方法分類方法分類把黑白圖像的灰度級從0（黑）到M0（白）分成N個區(qū)間Ii(i=1，2，N),給每個區(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。優(yōu)點(diǎn)：簡單，可以用優(yōu)點(diǎn)：簡單，可以用硬件實現(xiàn)，還可以擴(kuò)硬件實現(xiàn)，還可以擴(kuò)大用途，如計算圖像大用途，如計算圖像中某灰度級面積等中某灰度級面積等缺點(diǎn)：視覺效果不理想，彩色缺點(diǎn)：視覺效果不理想，彩色生硬，量化噪聲大生硬，量化噪聲大(分割誤差分割誤差)，為了減少量化誤差，必須增加為了減少量化誤差，必須增加分割級數(shù)，引起設(shè)備復(fù)雜，而分割級數(shù)，引起設(shè)備復(fù)雜，而且彩色漂移嚴(yán)重且彩色漂移嚴(yán)重1）密度分割法）密度分割法2）灰度變換）灰度變換 在遙感技術(shù)中常稱為假彩色合成方法，可以將黑白灰在遙感技術(shù)中常稱為假彩色合成方法，可以將黑白灰度圖像變?yōu)榫哂卸喾N顏色漸變的連續(xù)彩色圖像度圖像變?yōu)榫哂卸喾N顏色漸變的連續(xù)彩色圖像 基本思想：對輸入象素的灰度級進(jìn)行三個相互獨(dú)立的基本思