数字图像处理(翟瑞芳)第4章-image-pa.ppt
Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系数数 字字 图图 像像 处处 理理 Digital Image ProcessingDigital Image Processing翟瑞芳翟瑞芳Office:Office:逸夫楼逸夫楼B407-1B407-1Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系图像锐化的实质：图像锐化的实质：空间域锐化处理：用空间空间域锐化处理：用空间微分对图像进行处理，增强微分对图像进行处理，增强图像边缘和突变，消除灰度图像边缘和突变，消除灰度变化缓慢的区域。变化缓慢的区域。频率域锐化处理：增强高频率域锐化处理：增强高频分量，从而使图像清晰。频分量，从而使图像清晰。3.4 3.4 图像锐化图像锐化 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 图像锐化的主要用途：图像锐化的主要用途：超声探测成象，分辨率低，边缘模糊，通过锐化来改善；超声探测成象，分辨率低，边缘模糊，通过锐化来改善；图像识别中，分割前的边缘提取；图像识别中，分割前的边缘提取；印刷中的细微层次强调。弥补扫描、挂网对图像的钝化；印刷中的细微层次强调。弥补扫描、挂网对图像的钝化；锐化处理恢复过度钝化、曝光不足的图像；锐化处理恢复过度钝化、曝光不足的图像；尖端武器的目标识别、定位。尖端武器的目标识别、定位。Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系3.4.1 3.4.1 基础知识基础知识（图像细节的基本特征的数学分析）（图像细节的基本特征的数学分析）从从灰度变换曲线灰度变换曲线上可以得到，上可以得到，l画面逐渐由亮变暗时画面逐渐由亮变暗时，其灰度值的变换是，其灰度值的变换是斜坡变化斜坡变化；l画面基本不变的区域，其灰度变化为一个恒定灰度；画面基本不变的区域，其灰度变化为一个恒定灰度；l图像由黑突变到亮图像由黑突变到亮，其灰度变化是一个，其灰度变化是一个阶跃阶跃；l孤立点孤立点(噪声点噪声点)，灰度值的变化是一个突起的，灰度值的变化是一个突起的尖峰尖峰。通过分析，图像中的细节是指画面的灰度变化情况，通过分析，图像中的细节是指画面的灰度变化情况，可采可采用微分算子来描述数据变化用微分算子来描述数据变化。Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系基础知识基础知识（图像细节基本特征的数学分析）（图像细节基本特征的数学分析）一阶微分的任何定义都需保证：一阶微分的任何定义都需保证：在恒定灰度区域的微分值为零；在恒定灰度区域的微分值为零；在灰度台阶或斜坡处微分值非零；在灰度台阶或斜坡处微分值非零；沿着斜坡的微分值非零。沿着斜坡的微分值非零。二阶微分的任何定义必须保证：二阶微分的任何定义必须保证：在恒定区域微分值为零；在恒定区域微分值为零；在灰度台阶或斜坡的起点处微分值非零；在灰度台阶或斜坡的起点处微分值非零；沿着斜坡的微分值非零。沿着斜坡的微分值非零。Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系从左到右横穿剖面图，讨论一阶和二阶微分性质。从左到右横穿剖面图，讨论一阶和二阶微分性质。恒定灰度区域：恒定灰度区域：一阶微分为一阶微分为0 0；二阶微分为；二阶微分为0 0；斜坡：斜坡：斜坡起点和台阶处的一阶微分不为斜坡起点和台阶处的一阶微分不为0 0；斜坡和台阶的起点终点的二阶微分不为斜坡和台阶的起点终点的二阶微分不为0 0；一阶微分不为一阶微分不为0 0，二阶微分为，二阶微分为0 0。台阶：台阶：二阶微分出现零交叉。二阶微分出现零交叉。Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系分析结论：分析结论：对应突变形的细节，通过一阶微分的极值点，二阶微分的过对应突变形的细节，通过一阶微分的极值点，二阶微分的过0点均可以检点均可以检测处理测处理对应细线的细节，通过一阶微分的过对应细线的细节，通过一阶微分的过0点，二阶微分的极小值点均可以检点，二阶微分的极小值点均可以检测处理。测处理。对应渐变的细节，一阶情况很难检测，但二阶微分的信息比一阶微分的对应渐变的细节，一阶情况很难检测，但二阶微分的信息比一阶微分的信息略多。信息略多。Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系（1）梯度法梯度法 对于图像函数对于图像函数f(x,y)，它在点它在点(x,y)处的梯度是一个矢量，处的梯度是一个矢量，定义为定义为 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 梯度的两个重要性质是：梯度的两个重要性质是：（1）梯度的方向在函数梯度的方向在函数f(x,y)最大变化率的方向上。最大变化率的方向上。（2）梯度的幅度用梯度的幅度用Gf(x,y)表示，表示，并由下式算出并由下式算出:对于数字图像而言：对于数字图像而言：Gf(x,y)=f(i,j)-f(i+1,j)2+f(i,j)-f(i,j+1)212 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 上式可简化成为上式可简化成为Gf(x,y)=|f(i,j)-f(i+1,j)|+|f(i,j)-f(i,j+1)|以以上上梯梯度度法法又又称称为为水水平平垂垂直直差差分分法法。另另一一种种梯梯度度法法叫叫做做罗罗伯伯特特梯梯度度法法（Robert Gradient），它它是是一一种种交交叉叉差差分分计计算算法法，其数学表达式为：其数学表达式为：Gf(x,y)=f(i,j)-f(i+1,j+1)2+f(i+1,j)-f(i,j+1)212 同样可近似为同样可近似为Gf(x,y)=|f(i,j)-f(i+1,j+1)|+|f(i+1,j)-f(i,j+1)|Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 求梯度的两种差分运算求梯度的两种差分运算 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 图像梯度锐化结果图像梯度锐化结果(a)二值图像；二值图像；(b)梯度运算结果梯度运算结果 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 当当梯梯度度计计算算完完之之后后，可可以以根根据据需需要要生生成成不不同同的的梯梯度度增增强强图图像像。（1）g(x,y)=Gf(x,y)（2）（3）（4）Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系梯度算子模板：梯度算子模板：一般梯度算子一般梯度算子Roberts梯度算子梯度算子Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系常用的梯度算子：常用的梯度算子：Sobel算子算子 Sobel算算子子的的基基本本原原理理是是：对对33窗窗口口的的灰灰度度进进行行计计算算，将将其作为变换后图像其作为变换后图像f(i,j)的灰度。的灰度。Sobel算子图像坐标算子图像坐标 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系g=|Sx|+|Sy|Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系Sobel 算子模板算子模板Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系Sobel算子示例算子示例Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系Sobel算子示例算子示例Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系G(x,y)20Sobel算子示例算子示例Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系Sobel 算子模板的应用算子模板的应用Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系Sobel算子特点：算子特点：（1）采采用用梯梯度度微微分分锐锐化化图图像像，同同时时会会使使噪噪声声、条条纹纹等等得得到到增增强强，而而Sobel算算子子引引入入了了平平均均因因素素，因因而而对对图图像像中中的的随随机机噪噪声声有有一定的平滑作用。一定的平滑作用。（2）由由于于它它是是相相隔隔两两行行或或两两列列之之差差分分，故故边边缘缘两两侧侧元元素素得得到了增强，边缘显得粗而亮。到了增强，边缘显得粗而亮。Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 常用的梯度算子常用的梯度算子 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系Prewitt算子算子(H1)0100-7-21-80100-19-14-1200-7-13-7-1200-14-70020-7-14-7200-7-14-70200-7-7-7-121Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系Prewitt算子算子(H2)0000-6-6-6110-70-70-200-7-8-8-100-7-7-70020-7-7-7220-7-7-7000-7-14-7-7-1-3-3Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系Prewitt算子算子|g1(x,y)+g2(x,y)|01001327141200262114001421152207211400401421144201421140207211414254Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 对数字图像来讲，对数字图像来讲，f(x,y)的二阶偏导数可表示为：的二阶偏导数可表示为：(2)基基于于二二阶阶微微分分的的图图像像增增强强拉拉普普拉拉斯斯运运算算（Laplacian Algorithm）Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系拉普拉斯算子为拉普拉斯算子为 则对于数字图像，拉普拉斯算子则对于数字图像，拉普拉斯算子 为为 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系实际中还常用到如下的拉普拉斯算子（模板）：实际中还常用到如下的拉普拉斯算子（模板）：Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系4-100-7150-1000-1331000-71410-200-1470000-7-1400200-14702-80-141400-12拉普拉斯算子（示例）：拉普拉斯算子（示例）：Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系拉普拉斯锐化前、拉普拉斯锐化前、后图像的灰度后图像的灰度(a)原图像灰度；原图像灰度；(b)拉普拉斯锐化后图像的灰度拉普拉斯锐化后图像的灰度 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 拉普拉斯锐化结果拉普拉斯锐化结果（a）二值图像；二值图像；（b）拉普拉斯运算结果拉普拉斯运算结果 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系平滑模板和微分模板对比：平滑模板和微分模板对比：微分模板的权系数之和为微分模板的权系数之和为0，使得灰度平坦区的响应为，使得灰度平坦区的响应为0。平滑模板的权系数为正，和为平滑模板的权系数为正，和为1，使得灰度平坦区的输入，使得灰度平坦区的输入和输出相同。和输出相同。一阶微分模板在对比度大的点产生较高的响应，二阶微分一阶微分模板在对比度大的点产生较高的响应，二阶微分模板在对比度大的点产生零交叉。一阶微分产生粗边缘，模板在对比度大的点产生零交叉。一阶微分产生粗边缘，二阶微分产生细边缘；二阶微分对细线二阶微分产生细边缘；二阶微分对细线/孤立点等小细节有孤立点等小细节有更强的响应。更强的响应。平滑模板的平滑或去噪程度与模板的大小成正比，跳变边平滑模板的平滑或去噪程度与模板的大小成正比，跳变边缘的模糊程度与模板的大小成正比。缘的模糊程度与模板的大小成正比。Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 伪彩色伪彩色图像处理是根据特定的准则对灰度值赋以彩色的处图像处理是根据特定的准则对灰度值赋以彩色的处理。主要应用于人目视观察和解释一幅图像中的灰度目标。理。主要应用于人目视观察和解释一幅图像中的灰度目标。区别于区别于真彩色真彩色、假彩色假彩色。假彩色图像假彩色图像是用一种不同于一般肉眼看的全彩色的方式上是用一种不同于一般肉眼看的全彩色的方式上色生成的图像，主要是为了强调突出某些用肉眼不好区别的图色生成的图像，主要是为了强调突出某些用肉眼不好区别的图像。像。伪彩色图像伪彩色图像是由灰阶图像的每一像素的值通过一定的函是由灰阶图像的每一像素的值通过一定的函数算法映射出来的。数算法映射出来的。3.5 伪彩色处理伪彩色处理 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系3.5.1 3.5.1 灰度分层法灰度分层法 设设一一幅幅灰灰度度图图像像f(x,y)，在在某某一一个个灰灰度度级级（如如f(x,y)=L1）上上设设置置一一个个平平行行于于xy平平面面的的切切割割平平面面，对对切切割割平平面面以以下下的的（灰灰度度级级小小于于L1）像像素素分分配配给给一一种种颜颜色色，对对切切割割平平面面以以上上的的像像素素分分配配给给另另一一种种颜颜色色。这这样样切切割割结结果果就就可可以以将将灰灰度度图像变为只有两个颜色的伪彩色图像。图像变为只有两个颜色的伪彩色图像。密度分割技术：阶梯函数密度分割技术：阶梯函数 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 若将灰度图像级用若将灰度图像级用M个切割平面去切割。就会得到个切割平面去切割。就会得到M+1个个不同灰度级的区域不同灰度级的区域S1，S2，SM，SM+1。对这。对这M+1个区域中个区域中的像素人为分配给的像素人为分配给M+1种不同颜色，就可以得到具有种不同颜色，就可以得到具有M+1种种颜色的伪彩色图像。颜色的伪彩色图像。多灰度伪彩色分割示意图多灰度伪彩色分割示意图 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系a)a)甲状腺模型的单色图像甲状腺模型的单色图像 (b)(b)强度分为强度分为8 8个彩色的结果个彩色的结果 伪彩色处理伪彩色处理 （例（例1 1）Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 (a)焊焊接接的的单单元元色色X光光图图像像 (b)彩彩色色编编码码结结果果。发发现现焊焊接接中中有有裂裂痕痕和和气气孔，简化检测工作孔，简化检测工作。伪彩色处理伪彩色处理 （例（例2 2）Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系由传感器监由传感器监视的区域在视的区域在给定时间区给定时间区段平均降雨段平均降雨的估计，用的估计，用上图所示的上图所示的彩色对彩色对0 0到到255255灰度级灰度级编码。编码。伪彩色处理伪彩色处理 （例（例3 3）Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系3.5.2 3.5.2 3.5.2 3.5.2 灰度级到彩色转换灰度级到彩色转换灰度级到彩色转换灰度级到彩色转换 对任何输入像素的灰度级执行对任何输入像素的灰度级执行3 3个独立的变换。然后个独立的变换。然后将将3 3个变换结果分别送人彩色电视监视器的红、绿、蓝通个变换结果分别送人彩色电视监视器的红、绿、蓝通道。这种方法产生一幅合成图像，其彩色内容受变换函道。这种方法产生一幅合成图像，其彩色内容受变换函数特性调制数特性调制。有相当大的技术上的灵活性。有相当大的技术上的灵活性。Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 机场机场X X光扫描系统得光扫描系统得到的行李的两幅单色到的行李的两幅单色图像。左边的图像含图像。左边的图像含有普通物品，右边的有普通物品，右边的图像含有相同的物品图像含有相同的物品以及一块模拟的塑料以及一块模拟的塑料爆炸物。爆炸物。Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系炸药炸药衣箱衣箱 背景背景炸药炸药衣箱衣箱 背景背景方法一方法一:P71（第二版）（第二版）P82（第三版）（第三版）方法二方法二:取绝对值的正弦函数取绝对值的正弦函数Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系 多幅单色图像的伪彩色编码多幅单色图像的伪彩色编码 Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系多光谱图像彩色编码多光谱图像彩色编码多光谱图像彩色编码多光谱图像彩色编码 (a)(d)是是华华盛盛顿顿的多的多光光谱卫谱卫星星图图像；像；(e)以以RGB图图像像红红、绿绿、蓝蓝分量分量处处理理图图(a),(b),(c)得得到的彩色合成到的彩色合成图图像；像；(f)用相同的方法但在用相同的方法但在红红通通道使用道使用(d)中的近中的近红红外外图图像得到的像得到的图图像。像。Designed by Ruifang ZHAI 华中农业大学计算机科学与技术系本本 次次 授授 课课 结结 束束 谢谢 谢谢 ！
