数字图像处理之空间域图像增强.ppt

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1、数字图像处理数字图像处理 刘睿刘睿2011-3西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系 西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系数字图像处理数字图像处理 Digital Image Processing第三章：空间域图像增强第三章：空间域图像增强本章内容本章内容西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系第二章第二章第二章第二章AADDF FE E直方图处理、直方图处理、算术算术/逻辑操作逻辑操作背景及基本灰度变换背景及基本灰度变换混合空间滤波混合空间滤波平滑空间滤波平滑空间滤波锐化空间滤波锐化空间滤波空间滤波基础空间滤波基础C CBB3.1 背景知识背景知识西

2、安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系图像增强图像增强不考虑图像降质的原因，只是将图像中感兴趣的不考虑图像降质的原因，只是将图像中感兴趣的特征有选择的突出而衰减其不需要的特征，改善后的图像特征有选择的突出而衰减其不需要的特征，改善后的图像不一定去逼近原图；不一定去逼近原图；其目的是提高图像的其目的是提高图像的可懂度可懂度。图像复原图像复原是针对图像降质的原因，设法补偿降质因素，使是针对图像降质的原因，设法补偿降质因素，使改善后图像尽可能逼近原图；改善后图像尽可能逼近原图；其目的是提高图像的其目的是提高图像的逼真度逼真度。3.1 背景知识背景知识西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系

3、电子信息工程系一、一、什么是图像增强？什么是图像增强？处处理一幅图像，使其结果对理一幅图像，使其结果对“特定的应用特定的应用”比原始比原始图像更合用图像更合用是否能观察到更多的细节是否能观察到更多的细节是否能去掉一些不想要的斑点是否能去掉一些不想要的斑点是否能使对比度达到更好是否能使对比度达到更好二、二、如何增强图像？如何增强图像？不存在图像增强的通用理论，具有主观性不存在图像增强的通用理论，具有主观性两大类方法：空间域方法和频域方法两大类方法：空间域方法和频域方法3.1 背景知识背景知识西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系3.1 背景知识背景知识西安邮电学院西安邮电学院电子信

4、息工程系电子信息工程系图像增强效果图图像增强效果图3.1 背景知识背景知识西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系图图像像复复原原效效果果图图return3.1 背景知识背景知识西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系3.1 背景知识背景知识西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系点处理点处理灰度变换灰度变换直方图均衡直方图均衡伪彩色处理伪彩色处理邻域处理邻域处理线性平滑线性平滑非线性平滑非线性平滑锐化锐化3.1 背景知识背景知识西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系空域处理空域处理l点处理：点处理：图像灰度变换，将输入图像中灰度，通过图像灰度

5、变换，将输入图像中灰度，通过映射函数变成输出图像中的灰度，与图像像映射函数变成输出图像中的灰度，与图像像素位置及被处理像素邻域灰度无关。素位置及被处理像素邻域灰度无关。l邻域处理：邻域处理：模板处理、滤波，以某一像素为中心从图模板处理、滤波，以某一像素为中心从图像中取出一个小区域，然后用该小区域的像像中取出一个小区域，然后用该小区域的像素经某种运算变换得到该中心像素的新值。素经某种运算变换得到该中心像素的新值。3.1 背景知识背景知识西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系图像点处理操作关键在于图像点处理操作关键在于设计合适的映射函数（曲线）设计合适的映射函数（曲线）；映射函数的设

6、计有两类方法：映射函数的设计有两类方法：一类是根据图像特点和处理工作需求，人为设计映射函数，试探一类是根据图像特点和处理工作需求，人为设计映射函数，试探其处理效果（包括灰度变换和伪彩色处理）；其处理效果（包括灰度变换和伪彩色处理）；另一类设计方法是从改变图像整体的灰度分布出发，设计一种映另一类设计方法是从改变图像整体的灰度分布出发，设计一种映射函数，使变换后图像灰度直方图达到或接近预定的形状（包括射函数，使变换后图像灰度直方图达到或接近预定的形状（包括直方图修整）。直方图修整）。3.1 背景知识背景知识西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系对比度扩展对比度扩展阈值函数阈值函数re

7、turn3.1 背景知识背景知识西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系l 由于中心像素周围的邻域像由于中心像素周围的邻域像素在二维方向上提供了图像在素在二维方向上提供了图像在该范围内的亮度变化信息，因该范围内的亮度变化信息，因此这样的处理实际上就是对这此这样的处理实际上就是对这种局部亮度变化作调整；种局部亮度变化作调整；l 通常使用通常使用33 邻域邻域 (模板模板)3.1 背景知识背景知识西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系邻域处理与点处理的区别在于：邻域处理与点处理的区别在于：点处理只使用图像中的一个像素值经某一变换后求出该像素的新点处理只使用图像中的一个像素

8、值经某一变换后求出该像素的新值；值；邻域处理则需要用一个像素组来决定中心像素的值。邻域处理则需要用一个像素组来决定中心像素的值。邻域处理等价于某种空间滤波处理。空间滤波在图像处理邻域处理等价于某种空间滤波处理。空间滤波在图像处理中有很多应用，例如：中有很多应用，例如：图像的特征提取；图像的特征提取；图像的锐化与平滑；图像的锐化与平滑；图像的模糊；图像的模糊；消除图像小的随机噪声等。消除图像小的随机噪声等。3.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系一、一、线性（正比、反比）线性（正比、反比）二、二、对数（对数、反对数）对数（对数、反对数）三、三、

9、幂次（幂次（n次幂、次幂、n此方根）此方根）3.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系 lena.bmp3.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系g(x,y)=af(x,y)+ba相当于变换直线的斜率，相当于变换直线的斜率，b相当于截距；相当于截距；b 0：灰度偏置灰度偏置a1 对比度扩张；对比度扩张；0a1 对比度降低；对比度降低；a=1 相当于复制；相当于复制；a1、b0，提高对比度，提高对比度0a1、b=0，降低对比度，降低对比度255482550218P1P2对比度拉伸对比度拉伸提高、降

10、低对比度提高、降低对比度return3.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系高灰度区压缩高灰度区压缩255128255218C为常数为常数低灰度区扩展低灰度区扩展25512825532高灰度区扩展高灰度区扩展低灰度区压缩低灰度区压缩对数变换对数变换反对数变换反对数变换3.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系作用：用来扩展被压缩的高值图像中的暗像素。不过在作用：用来扩展被压缩的高值图像中的暗像素。不过在很大程度上压缩了图像像素的动态范围。很大程度上压缩了图像像素的动态范围。具体应用是缩小傅氏变

11、换的谱范围。具体应用是缩小傅氏变换的谱范围。return3.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系 1和和 1有有相反的效果相反的效果C和和是是正常数正常数3.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系伽马校正伽马校正图像获取，打印和图像获取，打印和显示的各种装置存显示的各种装置存在多种幂次规律响在多种幂次规律响应，用来修正这些应，用来修正这些幂次的过程叫幂次的过程叫校校正正阴极阴极射线管会呈现射线管会呈现比设定来得暗的亮比设定来得暗的亮度，所以需将度，所以需将gamma值调值调低使图低使图像变亮像

12、变亮similar3.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系用幂次变换进行对比用幂次变换进行对比度增强度增强从从0.60.4时时可以看到可以看到更多的细节更多的细节,然而降到然而降到0.3时对时对比度明显降低比度明显降低骨折骨折Gamma 校正的应用校正的应用3.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系从从34时时效果效果很好很好,然而提然而提升升5时时影像过影像过暗暗13.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系四、分段线性变换函数四、分段线性变换

13、函数灰灰度扩展度扩展灰度压缩灰度压缩灰度压缩灰度压缩n 低低对对比度影像比度影像源于源于低的照明、低的照明、影像影像感测器感测器的的动态范围不够；动态范围不够；n 对对比度比度扩展扩展增加影像中灰增加影像中灰阶阶的的动态范围；动态范围；n 优点可以有任意的组合；优点可以有任意的组合；n 缺点需要更多的交互缺点需要更多的交互3.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系l灰度切割灰度切割用于突显用于突显一幅图像的一幅图像的特定灰阶范特定灰阶范围围3.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系位图切割位图切

14、割Bit-plane slicing for a 8-bit image不强调灰阶范围不强调灰阶范围而而强调特定强调特定位元位元对整体图像显示对整体图像显示的的贡献贡献高位元通常含有可高位元通常含有可见见的有的有意义资料意义资料平面平面0包含包含组组成所有像素位元成所有像素位元组组的最低位元的最低位元(通常最不重要通常最不重要)平面平面7包含所有高位元包含所有高位元意义意义由每一位元的相由每一位元的相对对重要性可重要性可适当适当決定影像位元決定影像位元数数，也，也对压对压缩缩有有帮助帮助3.2 某些基本灰度变换某些基本灰度变换西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系思考题：思考题：

15、提出一组能够产生提出一组能够产生8比特单色图像所有单独位平面的灰度分比特单色图像所有单独位平面的灰度分层变换（例如，变换函数层变换（例如，变换函数T(r)，当，当r在在0，127范围内时，范围内时，T(r)=0，而当，而当r在在128，255范围内时，范围内时，T(r)=255，此函数，此函数可以产生一幅可以产生一幅8比特图像的第七位平面图像）。比特图像的第七位平面图像）。西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系l 0 0 0 0 0 0 0 0 0 l 0 0 1 1 1 1 1 1 63l 0 1 0 0 0 0 0 0 64l 0 1 1 1 1 1 1 1 127l 1 0

16、 0 0 0 0 0 0 128l 1 0 1 1 1 1 1 1 191l 1 1 0 0 0 0 0 0 192l 1 1 1 1 1 1 1 1 255 return3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系一、一、什么是图像直方图？什么是图像直方图？一个关于图像灰度级别的离散函数；一个关于图像灰度级别的离散函数；描述的是图像中具有该灰度级别的像素的个数；描述的是图像中具有该灰度级别的像素的个数；直方图归一化后，该函数在所有灰度级上的直方图归一化后，该函数在所有灰度级上的离散和为离散和为1；该离散函数是图像中具有相同灰度值的像素出现的概率该离散函数是

17、图像中具有相同灰度值的像素出现的概率密度函数。密度函数。3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系1234566432211664663456661466231364661234565456214灰度直方图灰度直方图3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系1、计算公式、计算公式灰阶值灰阶值范围范围0,L-1；rk 是第是第k个灰阶个灰阶,nk是图像中带有灰阶是图像中带有灰阶rk的的像素个数像素个数；离散函数：离散函数：h(rk)=nk；归一化归一化 :将将nk除以总像素数除以总像素数n；归一化直方图：归一化直方图：p

18、(rk)=nk/n,其中其中k=0,1,L-1；3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系2、存在缺陷存在缺陷 空间信息丢失空间信息丢失3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系暗图像暗图像亮图像亮图像低对比度图低对比度图高对比度图高对比度图近似均匀分布近似均匀分布3、实例分析实例分析例例1直方图直方图水平轴水平轴:rk 像素灰度值；像素灰度值；垂直轴垂直轴:nk 具有灰阶值具有灰阶值rk 的像素数目；的像素数目；3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系3、实例分析实例分析例例2

19、二、直方图均衡化二、直方图均衡化1、定义、定义自自动决动决定一定一转换函数转换函数,此此函数寻求产生函数寻求产生有有均匀均匀直方直方图输图输出出的的图像；图像；S=T(r)0r1r为原图中像素灰度值；为原图中像素灰度值；s为为新图中像素灰度值；新图中像素灰度值；条件：条件：T(r)在区间在区间0r1中中为单值且单调递增；为单值且单调递增；当当0r1时，时，0 T(r)13.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系使用灰度变换进行图像增强的实质是选择合适的变换函使用灰度变换进行图像

20、增强的实质是选择合适的变换函数数T(r)来修正图像灰度级概率密度函数来修正图像灰度级概率密度函数pr(r)，从而得到，从而得到灰度级具有灰度级具有ps(s)分布的新图像；分布的新图像；T(r)的选择的选择为能够从图像中获得尽量多的信息量，也为能够从图像中获得尽量多的信息量，也即使图像熵尽可能大，由信息论可知，当概率密度分布即使图像熵尽可能大，由信息论可知，当概率密度分布为均匀分布时，信息熵最大：为均匀分布时，信息熵最大：要求要求ps(s)=常数常数直方图均匀化直方图均匀化图像中所有灰度出现的概率相等时，所包含的信息量最图像中所有灰度出现的概率相等时，所包含的信息量最大。大。3.3 直方图处理直

21、方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系 令令 、分别代表随机分别代表随机变量变量r和和s的概率密度函数的概率密度函数PDF变换变换变量变量s的的概概率密度函数由率密度函数由输入图像的输入图像的灰灰度级度级PDF和和所所选择的变换函选择的变换函数决定数决定=T(r)输入图像灰度级的输入图像灰度级的累积分布函数累积分布函数3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系直直直直方图均衡化方图均衡化方图均衡化方图均衡化3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系2、数字图像直方图均衡化处理计算步骤：数字图像直方

22、图均衡化处理计算步骤：Step1 Step1 统计原始图像的直方图统计原始图像的直方图 rk是归一化是归一化的输入图像灰度级的输入图像灰度级,k=0,1,2,L-1;Step2 Step2 计算直方图累积分布计算直方图累积分布Step3 Step3 用累积分布函数作变换函数进行图像灰度变换。用累积分布函数作变换函数进行图像灰度变换。3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系3 3、直方图均衡化特点：、直方图均衡化特点：变换后直方图趋向平坦，灰级减少，灰度合并；变换后直方图趋向平坦，灰级减少，灰度合并；有展开输入图像直方图的一般趋势，直方图均衡化后的图像灰度

23、有展开输入图像直方图的一般趋势，直方图均衡化后的图像灰度级能跨越更大范围；级能跨越更大范围；实际视觉能够接收的信息量大大的增强了；实际视觉能够接收的信息量大大的增强了；直方图均衡化能直方图均衡化能自动自动地确定变换函数，该函数寻求产生有均匀直地确定变换函数，该函数寻求产生有均匀直方图的输出图像，得到的结果可预知，操作简单。方图的输出图像，得到的结果可预知，操作简单。3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系直直方方均均衡衡化化的的变变换换函函数数3.3 直方图处理直方图处理西安

24、邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系例：设图象有例：设图象有64*64=4096个象素，有个象素，有8个灰度级，个灰度级，灰度分布如表所示。进行灰度分布如表所示。进行直直方图均衡化方图均衡化。rkr0=0r1=1/7r2=2/7r3=3/7r4=4/7r5=5/7r6=6/7r7=1 nk 790102385065632924512281p(rk)0.190.250.210.160.080.060.030.023.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系步骤：步骤：rkr0=0r1=1/7r2=2/7r3=3/7r4=4/7r5=5/7r6=6/

25、7r7=1 nk 790102385065632924512281p(rk)0.190.250.210.160.080.060.030.023.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系(1)(1)计算计算s sk krkr0=0r1=1/7r2=2/7r3=3/7r4=4/7r5=5/7r6=6/7r7=1 nk 790102385065632924512281p(rk)0.190.250.210.160.080.060.030.02sk计算计算 0.190.440.650.810.890.950.981.003.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电

26、学院电子信息工程系电子信息工程系rkr0=0r1=1/7r2=2/7r3=3/7r4=4/7r5=5/7r6=6/7r7=1 nk 790102385065632924512281p(rk)0.190.250.210.160.080.060.030.02sk计算计算 0.190.440.650.810.890.950.981.00sk舍入舍入 1/73/75/76/76/7111(2(2）把计算的把计算的s sk k就近安排到就近安排到8 8个灰度级中个灰度级中3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系rkr0=0r1=1/7r2=2/7r3=3/7r4=

27、4/7r5=5/7r6=6/7r7=1 nk 790102385065632924512281p(rk)0.190.250.210.160.080.060.030.02sk计算计算 0.190.440.650.810.890.950.981.00sk舍入舍入 1/73/75/76/76/7111sk s s0 0s s1 1s s2 2s s3 3s s4 4nsk 7901023850985448p(sk)0.190.250.210.240.11（3 3）重新命名重新命名s sk k，归并相同灰度级的象素数归并相同灰度级的象素数3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程

28、系电子信息工程系直直方图均衡化方图均衡化均衡化前后均衡化前后直直方图比较方图比较3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系直方图均衡化实质上是减少图象的灰度级以换取直方图均衡化实质上是减少图象的灰度级以换取对比度的加大。对比度的加大。在均衡过程中，原来的直方图上频数较小的灰度在均衡过程中，原来的直方图上频数较小的灰度级被归入很少几个或一个灰度级内，故得不到增级被归入很少几个或一个灰度级内，故得不到增强。若这些灰度级所构成的图象细节比较重要，强。若这些灰度级所构成的图象细节比较重要，则需采用局部区域直方图均衡。则需采用局部区域直方图均衡。3.3 3.

29、3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系I=imread(lena.bmp);打开一幅灰度图像打开一幅灰度图像J=imhist(I)；计算图像直方图；计算图像直方图J=histeq(I);对灰度图像对灰度图像I进行直方图均衡化进行直方图均衡化subplot(1,2,1),imshow(I)；显示原图；显示原图subplot(1,2,2),imshow(J)；显示均衡化后图像；显示均衡化后图像subplot(1,2,1),imhist(I,64)；显示原图直方图；显示原图直方图subplot(1,2,2),imhist(J,64)；显示均衡化后直方图；显示均衡

30、化后直方图西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系3.3 3.3 直方图处理直方图处理3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系三、三、直方图匹配（规定化）直方图匹配（规定化）有一些应用用均匀直方图的基本增强并不是最好的方法；有一些应用用均匀直方图的基本增强并不是最好的方法；有时可以指定希望处理的图像所具有的直方图形状；有时可以指定希望处理的图像所具有的直方图形状；这种用于产生处理后有特殊直方图的图像的方法，叫这种用于产生处理后有特殊直方图的图像的方法，叫做直方图匹配或直方图规定化处理。做直方图匹配或直方图规定化处理。其中其中得到得到其

31、实质是两边都变其实质是两边都变“平平”。具体实施步骤为：具体实施步骤为：（1）求）求T（r）（2）求）求G（z）（3）求）求（4）代入代入3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系希望的形状：希望的形状：输入输入 输出（希望的）输出（希望的）再有：再有：得到：得到：则则z z必须满足条件：必须满足条件：3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系图像主要是大图像主要是大片的暗区域，片的暗区域，其直方图具有其直方图具有像

32、素集中于灰像素集中于灰度级暗端的特度级暗端的特点；点；为使暗区域细为使暗区域细节更清楚，直节更清楚，直方图均衡化是方图均衡化是否是最好选择否是最好选择？3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系直方图均衡化直方图均衡化直方图直方图直方图直方图匹配匹配匹配匹配3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系直方图均衡化灰度动态范围扩展3.

33、3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系对比度扩展3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系直方图均衡化3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系四、局部增强四、局部增强全局方法（直方图均衡化及直方图匹配）全局方法（直方图均衡化及直方图匹配）适用于整个图适用于整个图像的增强；像的增强；局部增强局部增强适用于对图像小区域细节的增强。适用于对图像小区域细节的增强。3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系根据直方图计算

34、一些关于图像的统计参数根据直方图计算一些关于图像的统计参数r的的n阶阶矩矩1.m为为灰度均值灰度均值1.1.二阶矩：二阶矩：是是r的方差的方差五、在图像增强中使用直方图统计学五、在图像增强中使用直方图统计学3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系x,ySxy令令(x,y)为某一图像中像素的坐标，为某一图像中像素的坐标，Sxy表示一确定大小的邻域（子图像），中心在表示一确定大小的邻域（子图像），中心在(x,y)3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系SEM image of Tungsten(钨钨)(

35、Some are not easily discernible)E(亮亮)or 1 1(暗暗)MG为为平均灰阶平均灰阶，k01，代，代表对暗的地方感兴趣表对暗的地方感兴趣DG为整体标准差为整体标准差，下限避免对平下限避免对平滑的地方增强，上限则代表变异数滑的地方增强，上限则代表变异数过强的区域不用处理过强的区域不用处理3.3 3.3 直方图处理直方图处理西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系No changeNo changeEnhancedEnhanced噪声引噪声引入入3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系与

36、、或、非与、或、非三个基本逻三个基本逻辑算子；辑算子；与、或从一与、或从一幅图像中提幅图像中提取子图像。取子图像。对灰度图像对灰度图像操作时，像操作时，像素值作为一素值作为一个二进制字个二进制字符串来处理。符串来处理。3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系图像代数运算是指将两幅图像通过对应像素之间图像代数运算是指将两幅图像通过对应像素之间的加、减、乘、除运算得到输出（结果）图像的的加、减、乘、除运算得到输出（结果）图像的方法。在加、乘法运算时可以是两幅以上的图像方法。在加、乘法运算时可以是两幅以上的图像同时参与运算。定义如下：

37、同时参与运算。定义如下：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)3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系乘乘可用掩膜图象乘某一幅图象可以遮住图象中的某可用掩膜图象乘某一幅图象可以遮住图象中的某些部分；些部分；减减去除不需要的加性图案（缓慢变换的背景，周期去除不需要的加性图案（缓慢变换的背景，周期性的噪声，附加污染），检查变化；性的噪声，附加污染），检查变化；加加求平均值去除加性噪声；求平均值去除加性噪声；除除可

38、产生对彩色或多光谱图象十分重要的比率图象。可产生对彩色或多光谱图象十分重要的比率图象。3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系return3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系255-=3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系 去去除除不不需需要要的的叠叠加加性性图图案案3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系设：设：时间时间1的图

39、象为的图象为T1(x,y)时间时间2的图象为的图象为T2(x,y)g(x,y)=T2(x,y)-T1(x,y)=-检测同一场景两幅图象之间的变化检测同一场景两幅图象之间的变化3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系经过点运算之后的车经过点运算之后的车模糊的影像模糊的影像思考：如果背景光强与思考：如果背景光强与前一幅并不相等，怎么前一幅并不相等，怎么办？办？检检测测同同一一场场景景两两幅幅图图象象之之间间的的变变化化3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系在一个图象

40、内，寻找边缘时，梯度幅度（描绘变在一个图象内，寻找边缘时，梯度幅度（描绘变化陡峭程度的量）的近似计算化陡峭程度的量）的近似计算|Vf(x,y)|=max(f(x,y)f(x+1,y),f(x,y)f(x,y+1)计算物体边界的梯度计算物体边界的梯度3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系肺癌穿刺细胞病理涂片图象肺癌穿刺细胞病理涂片图象肺癌穿刺细胞病理涂片图象肺癌穿刺细胞病理涂片图象的梯度图像的梯度图像3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系3.4 3.4 用算术用

41、算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系影像相减影像相减Image subtractionMask image(without contrast medium)Subtracted image3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系return在差值图像中，像素值取值范围在差值图像中，像素值取值范围-255255（每个差值像素值（每个差值像素值+255）2实现快速而简单实现快速而简单整个显示范围没有充分利用整个显示范围没有充分利用除除2的截尾误差导致精确度损失的截尾误差导致精确度损失x=

42、差值像素值差值像素值-min(差值差值像素值像素值)y=max(x)z=(255y)x复杂难以实现复杂难以实现3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系图像平均处理图像平均处理3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系K=8K=16K=64K=128Original image3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系处理之前处理之前处理之后处理之后据理论分析据理论分析，对，对M幅幅含噪含噪声图像进行叠加

43、平均，其声图像进行叠加平均，其噪声水平可以降到原来的噪声水平可以降到原来的 。return3.4 3.4 用算术用算术/逻辑操作增强逻辑操作增强西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系图象除法图象除法一幅取反与另一幅相乘一幅取反与另一幅相乘用来校正由于照明或传感器的非均匀性造成的图象灰度用来校正由于照明或传感器的非均匀性造成的图象灰度阴影；阴影；在多光谱图像分析时，有时也会用到图像之间的除法运在多光谱图像分析时，有时也会用到图像之间的除法运算。算。return3.5 3.5 空间滤波基础空间滤波基础西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系一、邻域运算一、邻域运算1 1、

44、定义、定义输出图像中每个像素是由对应的输入像素及其一个邻输出图像中每个像素是由对应的输入像素及其一个邻域内的像素共同决定时的图像运算。域内的像素共同决定时的图像运算。通常邻域是远比图像尺寸小的一规则形状。如下面情通常邻域是远比图像尺寸小的一规则形状。如下面情况中，一个点的邻域定义为以该点为中心的一个圆内况中，一个点的邻域定义为以该点为中心的一个圆内部或边界上点的集合。部或边界上点的集合。邻域运算与点运算一起构成最基本、最重要的图像处理邻域运算与点运算一起构成最基本、最重要的图像处理方法。方法。3.5 3.5 空间滤波基础空间滤波基础西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系点点+的邻

45、域的邻域点点+的邻域的邻域3.5 3.5 空间滤波基础空间滤波基础西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系2、分类、分类 处理效果处理效果空域过滤器空域过滤器线性过滤器线性过滤器非线性过滤器非线性过滤器高通高通带通带通低通低通最大值最大值中值中值最小值最小值锐化过滤器锐化过滤器钝化过滤器钝化过滤器3.5 3.5 空间滤波基础空间滤波基础西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系二、线性二、线性空间滤波空间滤波(Spatial filtering)将滤波将滤波遮罩在图像中移动，在每遮罩在图像中移动，在每一点一点(x,y)计算计算滤波系数滤波系数及遮罩所涵盖及遮罩所涵盖的图像

46、区域的像素乘积和的图像区域的像素乘积和3.5 3.5 空间滤波基础空间滤波基础西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系卷积运算卷积运算3.5 3.5 空间滤波基础空间滤波基础西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系三、非线性空间滤波三、非线性空间滤波滤波处理取决于所考虑的邻域像素点的值，不能直接乘滤波处理取决于所考虑的邻域像素点的值，不能直接乘积求和；积求和；非线性滤波器的基本函数是计算滤波器所在邻域的灰度非线性滤波器的基本函数是计算滤波器所在邻域的灰度中值。中值。注意事项：图像边框时，出现溢出；注意事项：图像边框时，出现溢出；解决办法：解决办法：限制限制补补0，复制，

47、循环复制，循环return3.6 3.6 平滑空间滤波器平滑空间滤波器西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系图像平滑的目的图像平滑的目的是消除或尽量减少噪声的影响，改善图像的质量。是消除或尽量减少噪声的影响，改善图像的质量。在提取大的目标之前去除图像中一些琐碎的细节、桥接直线或曲线在提取大的目标之前去除图像中一些琐碎的细节、桥接直线或曲线的缝隙。的缝隙。假设假设在假定加性噪声是随机独立分布的条件下，利用邻域的平均或加权在假定加性噪声是随机独立分布的条件下，利用邻域的平均或加权平均可以有效的抑制噪声干扰。平均可以有效的抑制噪声干扰。从信号分析的观点从信号分析的观点图像平滑本质上低通

48、滤波。将信号的低频部分通过，而阻截高频的图像平滑本质上低通滤波。将信号的低频部分通过，而阻截高频的噪声信号。噪声信号。问题问题往往图像边缘也处于高频部分。往往图像边缘也处于高频部分。3.6 3.6 平滑空间滤波器平滑空间滤波器西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系图像中常见的噪声：图像中常见的噪声：加性噪声加性噪声与图像信号强度不相关，如脉冲（或高斯）噪声；与图像信号强度不相关，如脉冲（或高斯）噪声；乘性噪声乘性噪声与图像信号相关，随图像信号的变化而变化，如光照变化、与图像信号相关，随图像信号的变化而变化，如光照变化、胶片颗粒噪声；胶片颗粒噪声；量化噪声量化噪声是数字图像主要的噪

49、声源，其大小显示出数字图像和原始是数字图像主要的噪声源，其大小显示出数字图像和原始图像的差异；图像的差异；盐和胡椒噪声盐和胡椒噪声如图像切割引起的即黑图像上的白点，白图像上的黑如图像切割引起的即黑图像上的白点，白图像上的黑点噪声、在变换域引入的误差，使图像反变换后造成的变换噪声；点噪声、在变换域引入的误差，使图像反变换后造成的变换噪声；3.6 3.6 平滑空间滤波器平滑空间滤波器西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系图像中噪声与信号相交织，平滑不当会使边缘模图像中噪声与信号相交织，平滑不当会使边缘模糊图像降质；糊图像降质；图像平滑处理方法视其噪声图像本身的特性而定，图像平滑处理方

50、法视其噪声图像本身的特性而定，可在可在空间域空间域也可在也可在频率域频率域进行；进行；空间域方法空间域方法线性空间滤波器（邻域平均法、多图线性空间滤波器（邻域平均法、多图像平均法）非线性空间滤波法（中值滤波）；像平均法）非线性空间滤波法（中值滤波）；频率域方法频率域方法对图像频谱进行修正（低通滤波）。对图像频谱进行修正（低通滤波）。3.6 3.6 平滑空间滤波器平滑空间滤波器西安邮电学院西安邮电学院电子信息工程系电子信息工程系一、平滑线性滤波器一、平滑线性滤波器均值滤波器均值滤波器1、效果：、效果：用于模糊化和减少噪声；用于模糊化和减少噪声；以滤波器所定义的邻域内像素平均灰度值取代原灰度值；以