數(shù)字圖像處理第三章

第3章空域增強(qiáng)技術(shù)信息工程1第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁(yè)!第3章空域增強(qiáng)技術(shù)原因在各類圖像系統(tǒng)中，圖像的傳送和轉(zhuǎn)換，如成像、復(fù)制、掃描、傳輸及顯示等，總要造成圖像質(zhì)量降低改善的方法有兩類：圖像增強(qiáng)和圖像恢復(fù)增強(qiáng)特點(diǎn)不考慮圖像降質(zhì)的原因，只將圖像中感興趣的特征有選擇地突出（增強(qiáng)），而衰減其不需要的特征改善后的圖像不一定要去逼近原圖像2第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁(yè)!第3章空域增強(qiáng)技術(shù)目標(biāo)從圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)觀點(diǎn)來(lái)看，是提高圖像的可懂度突出圖像的特征，便于處理3第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁(yè)!第3章空域增強(qiáng)技術(shù)

3.1 空域技術(shù)分類3.2 直接灰度映射3.3 直方圖變換3.4 線性濾波3.5 非線性濾波3.6 局部增強(qiáng)4第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁(yè)!3.1 空域技術(shù)分類模板操作：w1w2w3w4w5w6w7w8w9:z1z2z3…z4z5z6…z7z8z9:模板模板系數(shù)5第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁(yè)!3.2 直接灰度映射將f(x,y)中的每個(gè)像素灰度按EH

操作直接變換以得到g(x,y)

直接灰度映射是一種點(diǎn)操作6第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁(yè)!3.2 直接灰度映射實(shí)例3.2.17第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁(yè)!3.3直方圖變換直方圖是圖像的一種統(tǒng)計(jì)表達(dá)

直方圖反映了圖像中灰度的分布情況

3.4.1直方圖均衡化

3.4.2直方圖規(guī)定化8第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁(yè)!3.3直方圖變換直方圖的計(jì)算設(shè)圖像中某種灰度rk的像素?cái)?shù)為nk，n是圖像中像素的總數(shù)，則灰度級(jí)rk所對(duì)應(yīng)的頻數(shù)為：說(shuō)明直方圖反映了圖像中各灰度的含量，它并不反映圖像的空間信息，只展示具有一定灰度級(jí)的像素的數(shù)目或頻數(shù)，通過(guò)對(duì)圖像的直方圖進(jìn)行改變可以改善圖像的質(zhì)量9第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁(yè)!3.3直方圖變換四種基本類型圖像的直方圖暗圖像亮圖像低對(duì)比度圖像高對(duì)比度圖像10第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁(yè)!3.3.1直方圖均衡化

增強(qiáng)函數(shù)

歸一化直方圖

增強(qiáng)函數(shù)EH(r)：

(1)在范圍內(nèi)為單值單增函數(shù) 各灰度級(jí)在變換后仍保持排列次序

(2)

變換前后灰度值動(dòng)態(tài)范圍一致11第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁(yè)!3.3.1直方圖均衡化累積分布函數(shù)CDF12第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁(yè)!3.3.1直方圖均衡化離散情況：累積直方圖

(1) sk

是k的單值單增函數(shù)

(2) 灰度取值范圍一致，0≤sk≤1(3) 將r的分布轉(zhuǎn)換為s的均勻分布13第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁(yè)!作業(yè)有一幅圖象，共有16級(jí)灰度，其直方圖分布為Pi,i=0,1,…,15，求經(jīng)直方圖均衡化后，量化級(jí)別為10級(jí)的灰度圖象的直方圖分布Qi，其中Pi和Qi為分布的概率，即灰度i出現(xiàn)的次數(shù)與總的點(diǎn)數(shù)之比。Pi：0.03,0,0.06,0.10,0.20,0.11,0,0,0,0.03,0,0.06,0.10,0.20,0.11,014第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁(yè)!3.3.1直方圖均衡化實(shí)質(zhì)：減少圖像的灰度以換取對(duì)比度擴(kuò)大注意：不能將同一灰度值的各個(gè)像素變換到不同灰度級(jí)上實(shí)例3.3.515第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁(yè)!3.3.2直方圖規(guī)定化均衡化優(yōu)點(diǎn)：自動(dòng)增強(qiáng)整個(gè)圖像的對(duì)比度缺點(diǎn)：具體的增強(qiáng)效果不易控制，處理的結(jié)果總是得到全局均衡化的直方圖實(shí)際中需要變換直方圖后滿足指定的形狀直方圖規(guī)定化（HistogramMatching）指變換圖像灰度直方圖為指定的分布，從而有選擇地增強(qiáng)某個(gè)灰度范圍內(nèi)的對(duì)比度16第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁(yè)!3.3.2直方圖規(guī)定化兩種映射/對(duì)應(yīng)規(guī)則

(1)單映射規(guī)則SML(SingleMappingLaw)先從小到大依次找到使下式最小的k和l：然后將 對(duì)應(yīng)到上去。說(shuō)明：這每個(gè)是分別對(duì)應(yīng)過(guò)去，稱為單映射。方法簡(jiǎn)單直觀，但有時(shí)會(huì)有較大的取整誤差。17第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁(yè)!3.3.2直方圖規(guī)定化例3.3.618第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁(yè)!3.3.2直方圖規(guī)定化原始直方圖規(guī)定直方圖SMLGML19第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁(yè)!

3.3.2直方圖規(guī)定化映射誤差 對(duì)應(yīng)映射間數(shù)值的差值（取絕對(duì)值）的和

例3.3.6

的誤差

SML:|0.44-0.2|+|(0.89-0.44)-(0.8-0.2)|+|(1-0.89)-(1-0.80)|=0.48 GML:|0.2-0.19|+|(0.81-0.19)-(0.8-0.2)|+|(1-0.81)-(1-0.80)|=0.0420第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁(yè)!第3章空域增強(qiáng)技術(shù)

3.1 空域技術(shù)分類3.2 直接灰度映射3.3 直方圖變換3.4 線性濾波3.5 非線性濾波3.6 局部增強(qiáng)21第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁(yè)!3.4.1技術(shù)分類和實(shí)現(xiàn)原理

在圖像空間借助模板進(jìn)行鄰域操作 分類1： (1) 線性：如鄰域平均 (2) 非線性：如中值濾波 分類2：(1) 平滑：模糊，消除噪聲 (2) 銳化：增強(qiáng)邊緣的細(xì)節(jié)22第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁(yè)!3.4.2線性平滑濾波器線性濾波：LinearFiltering1、鄰域平均

系數(shù)都是正的 保持灰度值范圍（所有系數(shù)之和為1） 例：33模板23第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁(yè)!3.4.2線性平滑濾波器2、加權(quán)平均

不同位置的系數(shù)采用不同的值一般認(rèn)為：離模板中心近的像素對(duì)濾波貢獻(xiàn)大，所以中心系數(shù)大；而周圍系數(shù)小系數(shù)的實(shí)用取值：最外周邊系數(shù)為1，內(nèi)部系數(shù)成正比例增加，中間系數(shù)最大24第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁(yè)!3.5.1非線性平滑濾波器作用：既消除噪聲又保持細(xì)節(jié)（不模糊）中值（median）濾波器 方法：(1)將模板中心與像素位置重合 (2)讀取模板下各對(duì)應(yīng)像素的灰度值 (3)將這些灰度值從小到大排成1列 (4)找出這些值里排在中間的1個(gè) (5)將這個(gè)中間值賦給模板中心位置像素分類：1D（1維）和2D25第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁(yè)!3.5.1非線性平滑濾波器中值（median）濾波器的模板中值濾波器的消噪聲效果與模板的尺寸和參與運(yùn)算的像素?cái)?shù)有關(guān)圖像中尺寸小于模板尺寸一半的過(guò)亮或過(guò)暗區(qū)域?qū)?huì)在濾波后會(huì)被消除掉例：模板26第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁(yè)!3.5.1非線性平滑濾波器百分比（percentile）濾波器

最大值 最小值中點(diǎn)濾波器 27第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁(yè)!3.5.2非線性銳化濾波器1、非線性銳化濾波器在離散空間，微分用差分實(shí)現(xiàn)。

兩個(gè)常用的差分模板28第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁(yè)!3.5.2非線性銳化濾波器2、最大-最小銳化變換 是一種圖像增強(qiáng)技術(shù)。將最大值濾波器和最小值濾波器結(jié)合使用，可以銳化模糊的邊緣并讓模糊的目標(biāo)清晰起來(lái)。

迭代實(shí)現(xiàn)：29第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁(yè)!3.6局部增強(qiáng)實(shí)例3.5.3：局部增強(qiáng)(a)灰度偏暗的圖像(b)直方圖均衡化(c)將原圖像分成7×7子圖像后局部增強(qiáng)說(shuō)明：（b）原圖像中灰度值僅有小起伏的區(qū)域變得黑白分明，比較生硬（c）比較柔和30第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁(yè)!3.6局部增強(qiáng)（2）局部統(tǒng)計(jì)量令（x,y)為一像素坐標(biāo)，Sxy表示一確定大小的鄰域（子圖像），那么有

Sxy中像素的平均值Mxy為：Sxy中像素的方差（標(biāo)準(zhǔn)差）為：

31第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁(yè)!3.6局部增強(qiáng)

增強(qiáng)像素：E，K0，K1和K2是特定的參數(shù)MG是輸入圖像的全局平均值DG是輸入圖像的標(biāo)準(zhǔn)差32第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁(yè)!小結(jié)圖像空域增強(qiáng)的基本概念和本質(zhì)基本方法灰度直接映射直方圖變換濾波局部增強(qiáng)（統(tǒng)計(jì)法）33第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁(yè)!3.1 空域技術(shù)分類空域：指由像素組成的空間空域增強(qiáng)： 點(diǎn)操作：灰度點(diǎn)操作幾何操作包括：(1)借助對(duì)一系列圖像間的操作進(jìn)行變換(2)將f(·)中的每個(gè)像素按EH操作直接變換以得到g(·)；(3)借助f(·)的直方圖進(jìn)行變換34第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁(yè)!第3章空域增強(qiáng)技術(shù)

3.1 空域技術(shù)分類3.2 直接灰度映射3.3 直方圖變換3.4 線性濾波3.5 非線性濾波3.6 局部增強(qiáng)35第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁(yè)!3.2 直接灰度映射典型方法1、圖像求反 2、增強(qiáng)對(duì)比度

3、動(dòng)態(tài)范圍壓縮：t＝Clog(1＋|s|)

4、灰度切分36第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁(yè)!第3章空域增強(qiáng)技術(shù)

3.1 空域技術(shù)分類3.2 直接灰度映射3.3 直方圖變換3.4 線性濾波3.5 非線性濾波3.6 局部增強(qiáng)37第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁(yè)!3.3直方圖變換直方圖（Histogram）straightsquaredrawing數(shù)字圖像中每一灰度級(jí)與它出現(xiàn)的頻數(shù)之間的統(tǒng)計(jì)提供了圖像像素的灰度值分布情況計(jì)算：

設(shè)置一個(gè)有L個(gè)元素的數(shù)組，對(duì)原圖像的灰度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)38第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第38頁(yè)!3.3直方圖變換實(shí)例3.3.1橫坐標(biāo)表示灰度級(jí)，縱坐標(biāo)表示頻數(shù)，就可以看出圖像中灰度的分布情況，水泥微觀結(jié)構(gòu)圖左圖對(duì)應(yīng)的直方圖39第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第39頁(yè)!3.3.1直方圖均衡化直方圖均衡化（HistogramFlattening<Equalization>）指圖像經(jīng)灰度變換后，使得灰度的概率密度分布變?yōu)槌?shù)，即均勻分布均衡化基本思想

變換原始圖像的直方圖為均勻分布

==>擴(kuò)大像素灰度值的動(dòng)態(tài)范圍

==>增強(qiáng)圖像整體對(duì)比度（反差）40第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第40頁(yè)!3.3.1直方圖均衡化累積分布函數(shù)CDF（CumulativeDistributionFunction）滿足條件（1）概率密度函數(shù)PDF(ProbabilityDensityFunction)永遠(yuǎn)為正（2）因?yàn)閞在[0，1]上時(shí)，pr的總和為1并能使r的分布轉(zhuǎn)換為s的均勻分布41第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第41頁(yè)!3.3.1直方圖均衡化例3.3.2：已知一幅圖灰度級(jí)的概率分布密度：對(duì)其進(jìn)行直方圖均衡化。解：實(shí)質(zhì)是求EH(r).42第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第42頁(yè)!3.3.1直方圖均衡化實(shí)例3.3.343第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第43頁(yè)!3.3.1直方圖均衡化實(shí)例3.3.4圖（a）圖像較暗且灰度動(dòng)態(tài)范圍較小，（b）直方圖中的灰度分布集中圖（c）圖像對(duì)比度增加，細(xì)節(jié)清晰，灰度動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大（d）灰度分布較均勻44第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第44頁(yè)!MatLab函數(shù)顯示直方圖：imhist(I)直方圖均衡化：J=histeq(I)例>>I=imread('rice.tif');>>J=histeq(I);>>subplot(2,2,1),imshow(I);>>subplot(2,2,2),imhist(I);>>subplot(2,2,3),imshow(J);>>subplot(2,2,4),imhist(J);3.3.1灰度直方圖及均衡化處理45第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第45頁(yè)!3.3.2直方圖規(guī)定化主要步驟借助直方圖均衡變換實(shí)現(xiàn)規(guī)定的灰度映射 (1)對(duì)原始直方圖進(jìn)行灰度均衡化 (2)規(guī)定需要的直方圖，計(jì)算能使規(guī)定直方圖均衡化的 變換

(3)將原始直方圖對(duì)應(yīng)映射到規(guī)定直方圖，即將所有的 pr(ri)對(duì)應(yīng)到pz(tj)去。三個(gè)步驟46第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第46頁(yè)!3.3.2直方圖規(guī)定化

(2)組映射規(guī)則GML(GroupMappingLaw)

設(shè)I(l)為整數(shù)函數(shù)，l=0,1,…,N-1,滿足0≤I(0)≤…≤I(l)≤…≤I(N-1)≤M-1。確定能使下式達(dá)到最小的I(l)：

如果l＝0，則將i從0到I(0)的對(duì)應(yīng)到去；如果l≥1，則將i從I(l-1)+1到I(l)的對(duì)應(yīng)到去。47第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第47頁(yè)!3.3.2直方圖規(guī)定化48第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第48頁(yè)!3.3.2直方圖規(guī)定化實(shí)例3.3.749第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第49頁(yè)!3.3.2直方圖規(guī)定化直方圖規(guī)定化vs.直方圖均衡化

直方圖均衡化：自動(dòng)增強(qiáng) 效果不易控制 總得到全圖增強(qiáng)的結(jié)果 直方圖規(guī)定化：有選擇地增強(qiáng) 須給定需要的直方圖

特定增強(qiáng)的結(jié)果50第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第50頁(yè)!3.4 線性濾波

利用像素本身以及其鄰域像素的灰度關(guān)系進(jìn)行增強(qiáng)的方法常稱為濾波（Filtering）

3.4.1技術(shù)分類和實(shí)現(xiàn)原理

（模板卷積，鄰域操作）

3.4.2線性平滑濾波器

（減弱或消除圖像中的噪聲）

51第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第51頁(yè)!3.4.1技術(shù)分類和實(shí)現(xiàn)原理濾波器實(shí)現(xiàn)——>鄰域運(yùn)算：52第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第52頁(yè)!3.4.2線性平滑濾波器實(shí)例3.4.1(a)原始圖(b)噪聲圖(c)3×3(d)5×5(e)7×7(f)9×9(g)11×11模板尺寸增大時(shí)，對(duì)噪聲消除效果增強(qiáng)，但圖像變得模糊，即邊緣細(xì)節(jié)減少53第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第53頁(yè)!3.5非線性濾波非線性濾波NonlinearFiltering發(fā)展方向：邏輯的、幾何的、代數(shù)的非線性濾波器方法：基于集合的、基于形狀的、基于排序的最實(shí)用：排序統(tǒng)計(jì)法

3.5.1非線性平滑濾波器 3.5.2非線性銳化濾波器54第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第54頁(yè)!3.5.1非線性平滑濾波器例3.5.1：1D中值濾波窗口長(zhǎng)度為355第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第55頁(yè)!3.5.1非線性平滑濾波器例3.5.2：鄰域平均與中值濾波的比較(e)5×5鄰域(f)5×5中值濾波(a)原始圖(b)噪聲圖(c)3×3鄰域(d)3×3中值濾波中值濾波后的圖像輪廓比較清晰56第3章空域增強(qiáng)技術(shù)數(shù)字圖像處理第三章共63頁(yè)，您現(xiàn)在瀏覽的是第56頁(yè)!3.5.2非線性銳化濾波器1、非線性銳化濾波器 利用微分可以銳化圖像（積分平滑圖像） 梯度：對(duì)應(yīng)一階導(dǎo)數(shù)最常用的微分矢量