数字图像处理3.ppt
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1、数字图像处理3 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望3.1 3.1 空域图像增强概述空域图像增强概述Image Ehancement in the Spatial DomainKeep in mind that Keep in mind that 图像增强没有完善的数学模型,所以不能用数学语言描述图像增强没有完善的数学模型,所以不能用数学语言描述什么是图像增强什么是图像增强(Image Enhacement)(Image Enhacement)为什么要图
2、像增强为什么要图像增强(Image Enhancement)(Image Enhancement)1.1.图像质量差图像质量差2.2.图像质量好,但不便于人眼观察图像质量好,但不便于人眼观察图图像像增增强强就就是是对对输输入入图图像像进进行行某某种种处处理理,使使得得输输出出图图像像比比 输输入入图图像像更更加加合合适适特特定定的的应应用用,主主要要是是为为了了适适合合人人眼眼理理解解图像图像如何评估图像增强的效果:人眼系统主观如何评估图像增强的效果:人眼系统主观3.1 3.1 空域图像增强概述空域图像增强概述Image Ehancement in the Spatial Domain什么是空
3、域什么是空域(Spatial domain)(Spatial domain)图像增强?图像增强?直接根据图像的空间信息直接根据图像的空间信息(像素位置和灰度像素位置和灰度)进行进行的图像增强,增强算子定义在像素的一个邻域内。的图像增强,增强算子定义在像素的一个邻域内。输入原始图像输出增强后的图像增强算子3.2 3.2 基于灰度变换的空域图像增强基于灰度变换的空域图像增强Gray Level Transformations for Image Enhancement空域增强之点运算空域增强之点运算:邻域为邻域为1 1 1 1的空域增强的空域增强11基于灰度变换的图像增强基于灰度变换的图像增强图像
4、增强图像增强3.2 3.2 基于灰度变换的空域图像增强基于灰度变换的空域图像增强Gray Level Transformations for Image Enhancement输入输出输入灰度r输出灰度s3.2.1 3.2.1 图像负片图像负片(Image Negatives)输入灰度r输出灰度s给定给定:输入图像的灰度级输入图像的灰度级r范围范围0,0,L-1,-1,即即0 0 r L-1-1那么:输出图像的灰度为那么:输出图像的灰度为 s=L-1-r颠倒黑白颠倒黑白3.2.1 3.2.1 图像负片图像负片(Image Negatives)给定给定:输入图像的灰度级范围输入图像的灰度级范围0
5、,0,L L-1,-1,即即0 0 s s L L-1-1那么:输出图像的灰度为那么:输出图像的灰度为s s=L L-1-1-r r应用场合应用场合:适用于图像大面积为暗黑区域的情况适用于图像大面积为暗黑区域的情况3.2.2 3.2.2 对数灰度变换对数灰度变换(Log Transformation)给定给定:输入图像的灰度级输入图像的灰度级r的的范围为范围为 0 r L-1,那么那么:输出图像的灰度:输出图像的灰度s为为 s=clog(1+r)。为什么为什么c clog(1+log(1+r r)中要有中要有1?1?常量常量c c如何取值?如何取值?对数变换有什么特点对数变换有什么特点?把窄范
6、围的低灰度级映射到宽范围把窄范围的低灰度级映射到宽范围的灰度级的灰度级(相对地,增强低灰度级相对地,增强低灰度级)把宽范围的高灰度级映射到低范围把宽范围的高灰度级映射到低范围的灰度级的灰度级(相对地,抑制高灰度级相对地,抑制高灰度级)拉伸压缩3.2.2 3.2.2 对数灰度变换对数灰度变换(Log Transformation)对数变换的应用:频谱显示对数变换的应用:频谱显示(频谱幅值范围:0106,且低频能量最多)图像图像频谱的幅值file=1160537291JgBT0o.jpg;rgb=imread(file);a=rgb2gray(rgb);b=fft2(a);c=fftshift(b
7、);d=abs(c);figure;imshow(d,);二维傅立叶变换频谱幅值(灰度级)3.2.2 3.2.2 对数灰度变换对数灰度变换(Log(Log Transformation)Transformation)频谱显示频谱显示直方图像素个数3.2.2 3.2.2 对数灰度变换对数灰度变换(Log Transformation)(Log Transformation)对数变换的应用:频谱显示对数变换的应用:频谱显示频谱幅值范围:0106,且低频能量最多对原始频谱求逆fft,还是对log后的求逆fft?3.2.2 3.2.2 求幂灰度变换求幂灰度变换(Power-Law Transforma
8、tion)(Power-Law Transformation)给定给定:输入图像的灰度级范围输入图像的灰度级范围0,0,L-1,-1,即即0 r L-1那么:输出图像的灰度为那么:输出图像的灰度为s:,:,其中常数其中常数c0,0,0 0Gamma gm与log变换有相似之处,有何区别?幂为什么用 (Gamma gm)表示?图像显示的图像显示的Gamma校正校正3.2.2 3.2.2 求幂灰度变换求幂灰度变换(Power-Law Transformation)(Power-Law Transformation)求幂灰度变换的应用:图像显示的求幂灰度变换的应用:图像显示的GammaGamma校正
9、校正(calibration)(calibration)Any display device has an input-gray-level to output-brightness transfer curve.输入图像灰度输入图像灰度r屏幕输出屏幕输出(显示显示)亮度亮度 s图像灰度值显示亮度这样的显示器的显示效果是什么样?3.2.2 3.2.2 求幂灰度变换求幂灰度变换(Power-Law Transformation)(Power-Law Transformation)求幂灰度变换的应用:图像显示的求幂灰度变换的应用:图像显示的GammaGamma校正校正(correction)(co
10、rrection)这样的显示器的显示效果是什么样?如何校正这样的显示器的显示效果是什么样?如何校正显示器输入图像显示图像显示器显示图像Gamma 校正校正图像3.2.2 3.2.2 求幂灰度变换求幂灰度变换(Power-Law Transformation)(Power-Law Transformation)求幂灰度变换的应用:图像显示的求幂灰度变换的应用:图像显示的GammaGamma校正校正(correction)(correction)显示器特性曲线Gamma校正曲线3.2.2 3.2.2 求幂灰度变换求幂灰度变换(Power-Law Transformation)(Power-Law
11、Transformation)求幂灰度变换的应用:航拍图像增强求幂灰度变换的应用:航拍图像增强原始航拍图像(washed out)Which is the best?3.2.2 3.2.2 分段线性灰度变换分段线性灰度变换(piecewise-linear)(piecewise-linear)分段线性灰度变换举例:分段线性灰度变换举例:3.23.2小结:基于灰度变换的图像增强小结:基于灰度变换的图像增强summarysummary11基于灰度变换的图像增强基于灰度变换的图像增强3.23.2节小结:基于灰度变换的图像增强节小结:基于灰度变换的图像增强灰度变换改变了图像的什么?灰度变换改变了图像的
12、什么?有什么缺点?有什么缺点?(not automatic)3.3 3.3 基于直方图的图像增强基于直方图的图像增强Motivation(动机):灰度变换可以增强图像,灰度变换改变了灰度变换可以增强图像,灰度变换改变了图像的直方图图像的直方图(灰度分布灰度分布),因此可以以,因此可以以特特定形状的直方图定形状的直方图为目标进行灰度变换。为目标进行灰度变换。hist=bar什么是直方图什么是直方图(histogram)?直方图是表示具有不同灰度级的像素的直方图是表示具有不同灰度级的像素的个数个数的条形图的条形图.把图像的灰度看作一个随机变量,则把图像的灰度看作一个随机变量,则histogram是
13、是描述该随机变量的概率分布的一个近似描述该随机变量的概率分布的一个近似.如何计算直方图如何计算直方图?1)1)对于最大灰度级为对于最大灰度级为255255的图像,设置的图像,设置255255个个计数器计数器,初始值为,初始值为0 0;2)2)对于每个像素,如果对于每个像素,如果f f(x x,y y)=)=i i,则第则第i i个计个计数器数器h h(i i)加加1,1,即即:h h(i i)h h(i i)+1)+1hist=bar什么是直方图什么是直方图(histogram)?直方图是表示具有不同灰度级的像素的直方图是表示具有不同灰度级的像素的个数个数的条形图的条形图.把图像的灰度看作一个
14、随机变量,则把图像的灰度看作一个随机变量,则histogram是是描述该随机变量的概率分布的一个近似描述该随机变量的概率分布的一个近似.如何计算直方图如何计算直方图?1)1)对于最大灰度级为对于最大灰度级为255255的图像,设置的图像,设置255255个个计数器计数器,初始值为,初始值为0 0;2)2)对于每个像素,如果对于每个像素,如果f f(x x,y y)=)=i i,则第则第i i个计个计数器数器h h(i i)加加1,1,即即:h h(i i)h h(i i)+1)+13.3 3.3 基于直方图的图像增强基于直方图的图像增强直方图是表示具有不同灰度级的像素的个数的条形图直方图是表示
15、具有不同灰度级的像素的个数的条形图.23324243323524244x4 image Gray scale=0,9histogram123456No.of pixels0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Gray level直方图举例直方图举例:3.3.1 3.3.1 基于直方图均衡的图像增强基于直方图均衡的图像增强什么是直方图均衡什么是直方图均衡(histogram Equalization)?寻找一个灰度变换公式寻找一个灰度变换公式s=T(r)使得变换后的图像使得变换后的图像直方图形状直方图形状趋于平坦趋于平坦(均衡均衡)的过程的过程.直方图均衡的优点:直方图均衡的优点:自动完成自动完
16、成,不需要人工指不需要人工指定函数形式定函数形式3.3.1 3.3.1 基于直方图均衡的图像增强基于直方图均衡的图像增强灰度变换灰度变换s s=T T(r r)对应的直方图变化关系对应的直方图变化关系 l令输入灰度为令输入灰度为r r 0,1(0,1(经过归一化经过归一化),输出灰度输出灰度s s是输入灰度是输入灰度r r的函数的函数,即即s s=T T(r r).).要求灰度变化函数要求灰度变化函数T T满足如下条件:满足如下条件:1)1)T T(r r)在区间在区间0,10,1上是单调递增函数上是单调递增函数2)2)对于对于0 0 r r 1,01,0 T T(r r)1,1,010111
17、rrssrs3.3.1 3.3.1 基于直方图均衡的图像增强基于直方图均衡的图像增强灰度变换灰度变换s s=T T(r r)对应的直方图变化关系对应的直方图变化关系 用用r表示变换前的灰度,表示变换前的灰度,pr(w)表示变换前的直方图;表示变换前的直方图;用用s表示变换后的灰度,表示变换后的灰度,ps(w)表示变换后的直方图。表示变换后的直方图。如果ra小,sa也小变换前后面积相等变换前后面积相等其中故:sasarasa+sasarara+rarara+raps0s变换后的直方图srs=T(r)0rpr变换前的直方图03.3.1 3.3.1 基于直方图均衡的图像增强基于直方图均衡的图像增强根
18、据根据 ,如何进行直方图均衡?,如何进行直方图均衡?直方图均衡的灰度变换公式直方图均衡的灰度变换公式:证明:若,则,0s 1因为所以代入3.3.1 3.3.1 基于直方图均衡的图像增强基于直方图均衡的图像增强Examples:Examples:3.3.1 3.3.1 基于直方图均衡的图像增强基于直方图均衡的图像增强Examples:Examples:3.3.1 3.3.1 基于直方图均衡的图像增强基于直方图均衡的图像增强Examples:Examples:3.3.1 3.3.1 基于直方图规定化的图像增强基于直方图规定化的图像增强直方图均衡有缺点吗?直方图均衡有缺点吗?(Yes)(Yes)NA
19、SAs Mars Global SurveyorNASAs Mars Global SurveyorLight,washed out appearance进行第二次直方图均衡能改善图像对比度?3.3.2 3.3.2 基于直方图规定化的图像增强基于直方图规定化的图像增强直方图均衡直方图均衡 vs.vs.直方图规定化直方图规定化histogram specification(matching)histogram specification(matching)直方图均衡是直方图规定化的一种特殊形式直方图均衡是直方图规定化的一种特殊形式直 方 图 规 定 化考察使输入图像的直方图均衡化的变换函数:考察
20、使输入图像的直方图均衡化的变换函数:考察使输出图像的直方图均衡化的变换函数:考察使输出图像的直方图均衡化的变换函数:得到:得到:寻找寻找一个变换一个变换 ,使得输出图像的直方图为使得输出图像的直方图为已知已知输入图像的直方图为输入图像的直方图为 ,规定输出图像的直方图为,规定输出图像的直方图为 ;3.3.2 3.3.2 基于直方图规定化的图像增强基于直方图规定化的图像增强1)2)3)3.3.2 3.3.2 基于直方图规定化的图像增强基于直方图规定化的图像增强原始图像均衡图像规定化3.4 3.4 基于多幅输入图像的图像增强基于多幅输入图像的图像增强输入是输入是多幅多幅图像,通过算数图像,通过算数
21、/逻辑运算,输出逻辑运算,输出一幅一幅增增强了的图像强了的图像输出图像输出图像算数运算算数运算(如加、减运算如加、减运算)逻辑运算逻辑运算(如逻辑如逻辑与与,或或,非非)图像1图像2图像33.4.1 3.4.1 基于减法运算的图像增强基于减法运算的图像增强输入图像输入图像 f(x,y)和图像图像 h(x,y),则这两幅图像的差图像则这两幅图像的差图像 g(x,y)是是:g(x,y)=f(x,y)h(x,y)其目的是其目的是:Enhancement of the difference of two images Example:X 光光 图图 像像 增增 强强(a)(b)The values i
22、n a difference image can range from a minimum of-255 to a maximum of 255,so some sort of scaling is required to display results.3.4.1 3.4.1 基于图像平均的图像增强基于图像平均的图像增强输入同一物体的输入同一物体的K幅图像幅图像 gi(x,y),i=1,2,K;则输出图像为则输出图像为:其目的通常是其目的通常是:为了减少噪声影响为了减少噪声影响,从而得到从而得到(近似近似)理想图理想图像像实际得到图像几乎都是由理想图像和噪声叠加得到的:实际得到图像几乎都是由
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