第3章空域图像增强-1.ppt

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1、Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室空间域图像增强空间域图像增强第三章第三章Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室图像在系统中成像、复制、传输时，总要产生某些降图像在系统中成像、复制、传输时，总要产生某些降质。这些降质会使计算机从图像中提取信息时发生错质。这些降质会使计算机从图像中提取信息时发生错误，因此有必要对降质的图像进行处理改善。误，因此有必要对降质的图像进

2、行处理改善。改善的方法有两种：改善的方法有两种：其一是根据降质的原因，设法进行补偿，称之为其一是根据降质的原因，设法进行补偿，称之为图像图像的复原的复原。其二是不考虑降质的原因，凭借人的感觉和经验，将其二是不考虑降质的原因，凭借人的感觉和经验，将图像中感兴趣的特征尽量突出出来，而衰减抑制不需图像中感兴趣的特征尽量突出出来，而衰减抑制不需要的特征，称之为要的特征，称之为图像的增强图像的增强。引言引言Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室图像增强是采用一系列技术去改善图像的视觉图像增

3、强是采用一系列技术去改善图像的视觉效果效果,或将图像转换成一种更适合于人或机器进行或将图像转换成一种更适合于人或机器进行分析和处理的形式。例如采用一系列技术有选择地分析和处理的形式。例如采用一系列技术有选择地突出某些感兴趣的信息，同时抑制一些不需要的信突出某些感兴趣的信息，同时抑制一些不需要的信息，提高图像的使用价值。息，提高图像的使用价值。图像增强的首要目标是处理图像，使其比原图像图像增强的首要目标是处理图像，使其比原图像更适合于更适合于特定特定应用。应用。图像增强的概念图像增强的概念Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大

4、学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室图像增强的方法图像增强的方法图像增强方法从增强的作用域出发，可分为空间域增图像增强方法从增强的作用域出发，可分为空间域增强和频率域增强两种。强和频率域增强两种。空间域空间域增强增强方法方法对图像像素进行直接处理对图像像素进行直接处理频域频域增强增强方法方法将图像经傅立叶变换后的频谱成分进行处理，然将图像经傅立叶变换后的频谱成分进行处理，然后逆傅立叶变换获得所需的图像。后逆傅立叶变换获得所需的图像。*图像增强的通用理论是不存在的图像增强的通用理论是不存在的Digital Image ProcessingDigital Image Processing

5、哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室空间域图像增强主要内容空间域图像增强主要内容基本灰度变换基本灰度变换直方图处理直方图处理算术算术/逻辑操作增强逻辑操作增强平滑空间滤波平滑空间滤波锐化空间滤波锐化空间滤波Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.1背景知识背景知识空间域增强空间域增强是指增强构成图像的是指增强构成图像的像像素素。空域处理可由定义式：空域处理可由定义式：g(x,y)=Tf(x,y)。其中。其中f(x,y)是输入是输入图像，图像，g(x,y)是

6、处理后的图像，是处理后的图像，T是是对对f的一种操作，其定义在的一种操作，其定义在(x,y)的的邻域邻域。T操作最简单的形式是邻域为操作最简单的形式是邻域为1*1的的尺度（即单个像素）。在这种情况尺度（即单个像素）。在这种情况下，下，g仅依赖于仅依赖于f在在(x,y)点的值，点的值，T操作成为灰度级变换函数，形式为：操作成为灰度级变换函数，形式为：s=T(r)，s和和r表示表示g和和f在任一点的在任一点的灰度级。灰度级。图像在任一点的增强仅依赖图像在任一点的增强仅依赖于该点的灰度，称为于该点的灰度，称为点操作点操作。Digital Image ProcessingDigital Image P

7、rocessing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.1背景知识背景知识这种操作会产生比原始图这种操作会产生比原始图像更高的对比度，灰度级像更高的对比度，灰度级低于低于m时变暗，高于时变暗，高于m时变时变亮。（对比度扩展）亮。（对比度扩展）极限情况下产生二值图像，极限情况下产生二值图像，这种情况下的映射称之为这种情况下的映射称之为阈值函数阈值函数Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室用于图像增强的某些灰度变换函数用于图像增强的某些灰度变换函数3.2基本灰

8、度变换基本灰度变换反比正比对数指数反对数N次方根s=T(r)T把像素值把像素值r映射成映射成s变换变换T的值通的值通常存储在常存储在一个一维一个一维阵列中阵列中Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.2基本灰度变换基本灰度变换s=Alog(r+1)A为调整参数为调整参数T把像素值把像素值r映射成映射成s变换变换T的值通常存储在一个一维阵列中的值通常存储在一个一维阵列中S165166167.236236237r353637.168169170Digital Image Proce

9、ssingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.2.1图像反转图像反转灰度级范围为灰度级范围为0,L-1的图像反转可表示为：的图像反转可表示为：s=L-1-r适用于增强嵌入于图像的暗色区域的白色或灰色细节适用于增强嵌入于图像的暗色区域的白色或灰色细节Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.2.2对数变换对数变换对数变换表达式为：对数变换表达式为：s=c*log(1+r)这种变换使窄带低灰度输入图像值映射为宽

10、带输出值这种变换使窄带低灰度输入图像值映射为宽带输出值。压缩了图像像素值的动态范围。压缩了图像像素值的动态范围。Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室幂次变换的基本形式为：幂次变换的基本形式为：3.2.3幂次变换幂次变换Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室阴极射线管装置的伽马校正阴极射线管装置的伽马校正用于修正用于修正幂幂次响应现象次响应现象的过程称为的过程称为伽

11、马校正伽马校正3.2.3幂次变换幂次变换Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室c=1，人的脊椎骨折的核磁人的脊椎骨折的核磁人的脊椎骨折的核磁人的脊椎骨折的核磁人的脊椎骨折的核磁人的脊椎骨折的核磁共振图像，共振图像，共振图像，共振图像，共振图像，共振图像，bdbdbd图图图图图图c=1,r=0.6,0.4,0.3c=1,r=0.6,0.4,0.3c=1,r=0.6,0.4,0.33.2.3幂次变换幂次变换Digital Image ProcessingDigital Image P

12、rocessing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室航空图像，航空图像，航空图像，航空图像，航空图像，航空图像，bdbdbd图图图图图图c=1,r=3,4,5c=1,r=3,4,5c=1,r=3,4,53.2.3幂次变换幂次变换Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.2.4分段线性变换函数分段线性变换函数对比拉伸对比拉伸最简单的分段线性函数最简单的分段线性函数之一是对比拉伸变换。之一是对比拉伸变换。低对比度图像可由照明低对比度图像可由照明不足、成像传感器

13、动态不足、成像传感器动态范围太小，甚至在图像范围太小，甚至在图像获取过程中透镜光圈设获取过程中透镜光圈设置错误引起。对比拉伸置错误引起。对比拉伸的思想是提高图像处理的思想是提高图像处理时灰度级的动态范围。时灰度级的动态范围。Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室灰度切割灰度切割在图像中提高特在图像中提高特定灰度范围的亮定灰度范围的亮度通常是必要的，度通常是必要的，其应用包括增强其应用包括增强特征和增强特征和增强X射射线图中的缺陷。线图中的缺陷。3.2.4分段线性变换函数分段线性变

14、换函数Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室位图切割位图切割对任意对任意m比特灰度级的比特灰度级的图像可用多项式图像可用多项式表示，图像可分解成表示，图像可分解成m个二值图。即个二值图。即m个位平个位平面。面。3.2.4分段线性变换函数分段线性变换函数Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.2.4分段线性变换函数分段线性变换函数Digital Image Proc

15、essingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.3直方图处理直方图处理灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图像中该灰度级的灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图像中该灰度级的像素的个数：从图形上说，其横坐标是灰度级，纵坐标是像素的个数：从图形上说，其横坐标是灰度级，纵坐标是该灰度出现的频率；从数学上说，灰度直方图是图像各灰该灰度出现的频率；从数学上说，灰度直方图是图像各灰度值统计特性与图像灰度值的函数，它统计一幅图像中各度值统计特性与图像灰度值的函数，它统计一幅图像中各灰度级出现的次数或概率。灰度级出现的次数或概率。灰度级为

16、灰度级为0，L-1范围的数字图像的直方图是离散函数范围的数字图像的直方图是离散函数，rk是第是第k级灰度，级灰度，nk是图像中灰度级为是图像中灰度级为rk的像素的像素的个数。的个数。归一化直方图：归一化直方图：n为图像中总像素数为图像中总像素数Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.3直方图处理直方图处理Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室直方图均衡化直方图均衡

17、化是将原图像通过某种变换，得到一幅灰度是将原图像通过某种变换，得到一幅灰度直方图为均匀分布的新图像的方法。直方图为均匀分布的新图像的方法。连续变化图像连续变化图像的均衡化问题的均衡化问题3.3.1直方图均衡化直方图均衡化01rksk=T(rk)srT(r)设设r和和s分别表示归一化了分别表示归一化了的原图像灰度和经直方图的原图像灰度和经直方图修正后的图像灰度。即修正后的图像灰度。即在在0,1区间内的任一个区间内的任一个r值，值，都可产生一个都可产生一个s值，且值，且 利利用用密密度度函函数数是是分分布布函函数数的的导导数数的的关关系系，等等式式两两边边对对s s求导，有：求导，有：可可见见，输

18、输出出图图像像的的概概率率密密度度函函数数可可以以通通过过变变换换函函数数T(r)T(r)控控制制原原图图像像灰灰度度级级的的概概率率密密度度函函数数得得到到,因因而而改改善善原原图图像的灰度像的灰度层层次次,这这就是直方就是直方图图修改技修改技术术的基的基础础。从从人人眼眼视视觉觉特特性性来来考考虑虑，一一幅幅图图像像的的直直方方图图如如果果是是均均匀匀分分布布的的，即即Ps(s)=k(归归一一化化时时k=1)时时，该该图图像像色色调调给给人人的的感感觉觉比比较较协协调调。因因此此将将原原图图像像直直方方图图通通过过T(r)调调整整为为均均匀匀分布的直方图，这样修正后的图像能满足人眼视觉要求

19、。分布的直方图，这样修正后的图像能满足人眼视觉要求。因为归一化假定因为归一化假定则有则有两边积分得两边积分得 上式表明，当变换函数为上式表明，当变换函数为r r的累积直方图函数时，能达的累积直方图函数时，能达到直方图均衡化的目的。到直方图均衡化的目的。对对于于离离散散的的数数字字图图像像，则则变变换换函函数数T T(r(rk k)的的离离散散形形式式可可表示为表示为:上上式式表表明明，均均衡衡后后各各像像素素的的灰灰度度值值s sk k可可直直接接由由原原图图像像的的直方图算出。直方图算出。Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工

20、业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.3.1直方图均衡化直方图均衡化 一幅图像一幅图像s sk k同同r rk k之间的关系称为该图像的累积灰度之间的关系称为该图像的累积灰度直方图。直方图。rkPr(rk)rkS(rk)1.01.01.0下面举例说明直方图均衡过程。下面举例说明直方图均衡过程。rknkpr(rk)=nk/nsk计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=3/76560.160.

21、816/7r4=4/73290.080.896/7s3=6/79850.24r5=5/72450.060.951r6=6/71220.030.981r7=1810.021.001s4=14480.11例例 假定有一幅总像素为假定有一幅总像素为n=64n=646464的图像，灰度级数为的图像，灰度级数为8 8，各灰，各灰度级分布列于表中。对其均衡化计算过程如下：度级分布列于表中。对其均衡化计算过程如下：？若在原图像一行上连续若在原图像一行上连续8 8个像素的灰度值分别为：个像素的灰度值分别为：0 0、1 1、2 2、3 3、4 4、5 5、6 6、7 7，则均衡后，他们的灰度值为多少？，则均衡后

22、，他们的灰度值为多少？3.3.1 直方图均衡化直方图均衡化3.3.1 直方图均衡化直方图均衡化3.3.1 直方图均衡化直方图均衡化Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室在某些情况下，并不一定需要具有均匀直方在某些情况下，并不一定需要具有均匀直方图图的的图图像，有像，有时时需要具有特定的直方需要具有特定的直方图图的的图图像，以便能像，以便能够够增增强强图图像中某些灰度像中某些灰度级级。直方直方图规图规定化方法定化方法就是就是针针对对上述思想提出来的。上述思想提出来的。直方图规定化是

23、使原图像灰直方图规定化是使原图像灰度直方图变成规定形状的直方图而对图像作修正的度直方图变成规定形状的直方图而对图像作修正的增强方法。增强方法。可见，可见，它是它是对对直方直方图图均衡化均衡化处处理的一种有效的理的一种有效的扩扩展。直方展。直方图图均衡化均衡化处处理是直方理是直方图规图规定化的一个特定化的一个特例。例。3.2.3直方图规定化直方图规定化 首先对原始图像进行直方图均衡化，即求变换函数：首先对原始图像进行直方图均衡化，即求变换函数：假定已得到了所希望的图像，对它也进行均衡化处理，即假定已得到了所希望的图像，对它也进行均衡化处理，即它的逆它的逆变换变换是是这表明可这表明可由均衡化后的灰

24、度得到希望由均衡化后的灰度得到希望图图像的灰度像的灰度。若若对对原始原始图图像和希望像和希望图图像都作了均衡化像都作了均衡化处处理理，则二者，则二者均衡化的均衡化的p ps s(s(s)和和pv(v)相同相同，即都为，即都为均匀均匀分布的分布的密度密度函数函数。由由s s代替代替v 得得 z=Gz=G-1-1(s)(s)3.2.3 直方图规定化直方图规定化 Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.2.3直方图规定化直方图规定化直方直方图规图规定化增定化增强强处处理的步理的步骤骤

25、如下：如下：对原始图像作直方图均衡化处理；对原始图像作直方图均衡化处理；按照希望得到的图像的灰度概率密度函数按照希望得到的图像的灰度概率密度函数p pz z(z(z)，求得变换函数求得变换函数G(z)G(z)；用步骤用步骤得到的灰度级得到的灰度级s s作逆变换作逆变换z=Gz=G-1-1(s)(s)。经经过过以以上上处处理理得得到到的的图图像像的的灰灰度度级级将将具具有有规规定定的的概概率率密密度度函函数数p pz z(z(z)。原图像的直方图原图像的直方图 规定化直方图规定化直方图3.2.3 直方图规定化直方图规定化 rjsknkps(sk)zkpz(zk)vkzk并并nkpz(zk)r0s

26、0=1/77900.19z0=00.000.00z000.00r1s1=3/710230.25z1=1/70.000.00z100.00r2s2=5/78500.21z2=2/70.000.00z200.00r3s3=6/7z3=3/70.150.15z3s0=1/77900.19r4s3=6/79850.24z4=4/70.200.35z4s1=3/71023 0.25r5s4=1z5=5/70.300.65z5s2=5/78500.21r6s4=1z6=6/70.200.85z6s3=6/79850.24r7s4=14480.1110.151.00z7s4=14480.11 原图像的直方图

27、原图像的直方图 规定的直方图规定的直方图 规定化后图像的直方图规定化后图像的直方图 利用直方图规定化方法进行图像增强的主要困难在于利用直方图规定化方法进行图像增强的主要困难在于要构成有意义的直方图。图像经直方图规定化，其增强效要构成有意义的直方图。图像经直方图规定化，其增强效果要有利于人的视觉判读或便于机器识别。果要有利于人的视觉判读或便于机器识别。3.2.3 直方图规定化直方图规定化 两种映射/对应规则(1)单映射规则(2)组映射规则（I(l)：整数函数）3.2.3 直方图规定化直方图规定化 单映射的规则是取原始累积直方图的各项依次向规定累积直方图进行，每次选择最接近的数值。组映射的规则是取

28、规定累积直方图的各项依次向原始累积直方图进行，每次选择最接近的数值。3.2.3 直方图规定化直方图规定化 3.2.3 直方图规定化直方图规定化 下面是一个直方图规定化应用实例。下面是一个直方图规定化应用实例。图图(C)(C)、(c)(c)是将图像是将图像(A)(A)按图按图(b)(b)的直方图进行规定化得到的结果及其直方图。的直方图进行规定化得到的结果及其直方图。通过对比可以看出图通过对比可以看出图(C)(C)的对比度同图（的对比度同图（B)B)接近一致，对应的直方图形状差异也接近一致，对应的直方图形状差异也不大。这样有利于影像融合处理，保证融合影像光谱特性变化小。不大。这样有利于影像融合处理

29、，保证融合影像光谱特性变化小。Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室直方图均衡化和直方图规定化比较直方图均衡化和直方图规定化比较火星卫星图像直方图Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室直方图均衡化结果直方图均衡化结果Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验

30、室直方图规定化结果直方图规定化结果Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.3.3局部增强局部增强 原图像原图像7*77*7局部均衡化后图像局部均衡化后图像 全局均衡化的结果全局均衡化的结果 定义一个方形或者矩形的邻域，在这个邻域内进行均衡，然后再移动这个邻域到下一个像素定义一个方形或者矩形的邻域，在这个邻域内进行均衡，然后再移动这个邻域到下一个像素Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学

31、（威海）图像处理实验室 均值均值 n=2,n=2,方差方差 n n阶差阶差 对于局部图像对于局部图像 表示图像的对比度表示图像的对比度 表示图像的平均亮度表示图像的平均亮度3.3.4在图像增强中使用直方图统计学在图像增强中使用直方图统计学Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.3.4在图像增强中使用直方图统计学在图像增强中使用直方图统计学 支架上的钨丝Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业

32、大学（威海）图像处理实验室 局部平均得到的图像局部平均得到的图像 局部方差得到的图像局部方差得到的图像 符合处理条件的图像符合处理条件的图像3.3.4在图像增强中使用直方图统计学在图像增强中使用直方图统计学Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室3.3.4在图像增强中使用直方图统计学在图像增强中使用直方图统计学 增强后的图像增强后的图像Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理

33、实验室已知一幅图灰度级的概率分布密度：已知一幅图灰度级的概率分布密度：如何对其进行直方图均衡化。如何对其进行直方图均衡化。作业题Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室解：实质是求T(r).答案Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室作业题在位图切割中，就在位图切割中，就8比特图像的位平面抽取而言比特图像的位平面抽取而言（1）通常，如果将低阶比特面设为零值，对一幅）通常

34、，如果将低阶比特面设为零值，对一幅图像的直方图有何影响？图像的直方图有何影响？（2）如果将高阶比特面设为零值将对直方图有何）如果将高阶比特面设为零值将对直方图有何影响？影响？Digital Image ProcessingDigital Image Processing哈尔滨工业大学（威海）哈尔滨工业大学（威海）图像处理实验室答案答答：（：（1）如果将低阶比特面设为零，图像的不同灰）如果将低阶比特面设为零，图像的不同灰度级的个数会减少，即某些灰度级的像素数会丢失，度级的个数会减少，即某些灰度级的像素数会丢失，而像素总数是不变的，丢失的像素转移到其它未丢而像素总数是不变的，丢失的像素转移到其它未丢失的灰度级上，从而图像的直方图密度变低；失的灰度级上，从而图像的直方图密度变低；（2）当图像高阶比特面设为零，高灰度级的像）当图像高阶比特面设为零，高灰度级的像素会丢失，丢失的像素都转移到低灰度级上，从而素会丢失，丢失的像素都转移到低灰度级上，从而导致图象直方图只有低灰度区，高灰度区直方图均导致图象直方图只有低灰度区，高灰度区直方图均为零。为零。