第一讲图像增强精选文档.ppt

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1、第一讲图像增强1本讲稿第一页，共三十五页图像的锐化 图像锐化处理的目的是使模糊图像变得清晰。图像锐化处理的目的是使模糊图像变得清晰。图图像像的的模模糊糊实实质质上上就就是是受受到到平平均均或或积积分分运运算算，因因此此对对其其进进行逆运算如微分运算、梯度运算，就可以使图像清晰。行逆运算如微分运算、梯度运算，就可以使图像清晰。从从频频谱谱角角度度分分析析，图图像像模模糊糊的的实实质质是是其其高高频频分分量量被被衰减，因而可以用高频加重滤波来使图像清晰。衰减，因而可以用高频加重滤波来使图像清晰。但但能能够够进进行行锐锐化化处处理理要要求求图图像像有有较较高高的的信信噪噪比比，否否则则图图像像锐锐化

2、化后后信信噪噪比比更更低低。因因为为锐锐化化将将使使噪噪声声受受到到比比信信号号还还强强的的增增强强。一一般般是是先先去去除除或或减减轻轻干干扰扰噪噪声声后后，才能进行锐化处理才能进行锐化处理。2本讲稿第二页，共三十五页图像的锐化 微分法微分法 高通滤波高通滤波 拉普拉斯运算拉普拉斯运算3本讲稿第三页，共三十五页5.4.1 微分法4本讲稿第四页，共三十五页微分法 图图像像模模糊糊的的实实质质就就是是图图像像受受到到平平均均或或积积分分运运算算，为为实实现现图图像像的的锐锐化化，必必须须用用它它的的反反运运算算“微微分分”，微微分分运运算算是是求求信信号号的的变变化化率率，有有加加强强高高频频分

3、分量量的的作作用用，从从而使图像轮廓清晰。而使图像轮廓清晰。为为了了把把图图像像中中向向任任何何方方向向伸伸展展的的边边缘缘和和轮轮廓廓的的模模糊糊变变得得清清晰晰，希希望望对对图图像像的的某某种种导导数数运运算算是是各各向向同同性性的的，可可以以证证明明偏偏导导数数的的平平方方和和运运算算是是各各向向同同性性的的，梯梯度度和和拉拉普普拉斯运算也是符合上述条件的。拉斯运算也是符合上述条件的。5本讲稿第五页，共三十五页微分法微分法：微分法：梯度法梯度法SobelSobel算子算子6本讲稿第六页，共三十五页梯度法 对对于于图图像像f(x,y)，它它在在点点(x,y)处处的的梯梯度度是是一一个个矢矢

4、量量，定义为：定义为：梯度法梯度法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)最大变换率的方向上；最大变换率的方向上；(2)梯度的幅度用梯度的幅度用Gf(x,y)表示，并由下式算出：表示，并由下式算出：梯梯度度的的数数值值就就是是f(x,y)在在其其最最大大变变化化率率方方向向上上的的单单位位距离所增加的量。距离所增加的量。7本讲稿第七页，共三十五页梯度法 对数字图像而言，可以近似为：对数字图像而言，可以近似为：也可以简化为：也可以简化为：各各像像素素的的位位置置如如右右图图所所示示，这这种种梯梯度度法法又又称称为为水水平平垂垂直差分法直差分法

5、。8本讲稿第八页，共三十五页梯度法 以以上上两两种种梯梯度度近近似似算算法法在在图图像像的的最最后后一一行行和和最最后后一一列列的的各各像像素素的的梯梯度度无无法法求求得得，一一般般就就用用前前一一行行和和前一列的梯度值近似代替。前一列的梯度值近似代替。由由梯梯度度的的计计算算可可知知，在在图图像像中中灰灰度度变变化化较较大大的的边边沿沿区区域域其其梯梯度度值值大大，在在灰灰度度变变化化平平缓缓的的区区域域其其梯梯度度值值较较小小，而在灰度均匀区域其梯度值为零。而在灰度均匀区域其梯度值为零。9本讲稿第九页，共三十五页梯度法下图为一幅二值图像经水平垂直差分计算的结果：下图为一幅二值图像经水平垂直

6、差分计算的结果：由由此此可可见见，图图像像经经过过梯梯度度运运算算后后，留留下下灰灰度度值值急急剧剧变变换的边沿处的点。换的边沿处的点。10本讲稿第十页，共三十五页梯度法 梯度法图像锐化示例：梯度法图像锐化示例：11本讲稿第十一页，共三十五页梯度法 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。第一种是使各点的灰度第一种是使各点的灰度g(x,y)等于该点的梯度幅度：等于该点的梯度幅度：此此法法的的缺缺点点是是增增强强的的图图像像仅仅显显示示灰灰度度变变化化比比较较陡陡的边缘轮廓，而灰度变化平缓的区域则呈黑色。的边缘轮廓，而灰度变化平缓的区

7、域则呈黑色。12本讲稿第十二页，共三十五页梯度法13本讲稿第十三页，共三十五页梯度法 第二种增强图像是使：第二种增强图像是使：式式中中T是是一一个个非非负负的的阈阈值值，适适当当选选取取T，既既可可使使明明显显的的边边缘缘轮轮廓廓得得到到突突出出，又又不不会会破破坏坏原原灰灰度度变变化化比比较平缓的背景。较平缓的背景。14本讲稿第十四页，共三十五页梯度法 第三种增强图像是使：第三种增强图像是使：式式中中LG是是根根据据需需要要指指定定的的一一个个灰灰度度级级，它它将将明明显显边缘用一个固定的灰度级来实现。边缘用一个固定的灰度级来实现。15本讲稿第十五页，共三十五页梯度法 第四种增强图像是使：第

8、四种增强图像是使：此此法法将将背背景景用用一一个个固固定定灰灰度度级级LG来来实实现现，便便于于研研究边缘灰度的变化。究边缘灰度的变化。16本讲稿第十六页，共三十五页梯度法 第五种增强图像是使：第五种增强图像是使：此此法法将将背背景景和和边边缘缘用用二二值值图图像像表表示示，便便于于研研究究边边缘所在位置。缘所在位置。17本讲稿第十七页，共三十五页梯度法 梯度法不同锐化效果演示：梯度法不同锐化效果演示：18本讲稿第十八页，共三十五页Sobel算子 为为了了简简化化计计算算，可可以以用用g=|Sx|+|Sy|来来代代替替前前面面的的计计算算，从从而得到锐化后的图像。而得到锐化后的图像。从从上上面

9、面的的讨讨论论可可知知，Sobel算算子子不不像像普普通通梯梯度度算算子子那那样样用用两两个个像像素素之之差差值值，而而用用两两列列或或两两行行加加权权和和之之差差值值，这这就就导导致致了了以下两个优点：以下两个优点：(1)(1)由由于于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)(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之之元元素素得到了增强，故边缘显得粗而亮。得到了增强，故边缘显得粗而亮。19本讲稿第十九页，共三十五页 Sobel Sobel算子图像锐化示例：算子图像锐化示例：

10、Sobel算子20本讲稿第二十页，共三十五页5.4.2 拉普拉斯运算21本讲稿第二十一页，共三十五页拉普拉斯运算 拉拉普普拉拉斯斯算算子子处处理理是是常常用用的的边边缘缘增增强强处处理理算算子子，它它是是各各向向同性的二阶导数：同性的二阶导数：f、g分分别别表表示示锐锐化化前前后后的的图图像像，k为为与与扩扩散散效效应应有有关关的的系系数数。上上式式表表示示模模糊糊图图像像f经经拉拉普普拉拉斯斯算算子子锐锐化化以以后后得得到到的的不不模模糊糊图图像像g。这这里里对对k的的选选择择要要合合理理，k太太大大会会使使图图像像中中的的轮轮廓边缘产生过冲；廓边缘产生过冲；k太小，锐化不明显。太小，锐化不

11、明显。如如果果图图像像的的模模糊糊是是由由扩扩散散现现象象引引起起的的(如如胶胶片片颗颗粒粒化学扩散，光点散射化学扩散，光点散射)，则锐化后的图像，则锐化后的图像g g为：为：22本讲稿第二十二页，共三十五页拉普拉斯运算对对数数字字信信号号来来讲讲，一一维维情情况况时时，f(x)的的二二阶阶偏偏导导数数可可表示为：表示为：23本讲稿第二十三页，共三十五页拉普拉斯运算例例：设设有有一一数数字字图图像像f(i,j)=1n，其其各各点点的的灰灰度度级级值值如如下下所所列列“,0,0,0,1,2,3,4,5,5,5,5,5,5,6,6,6,6,6,“,0,0,0,1,2,3,4,5,5,5,5,5,5

12、,6,6,6,6,6,6,3,3,3,3,3,”6,3,3,3,3,3,”，计算，计算及锐化后的各点灰度级及锐化后的各点灰度级值值g(设设k=1)。(1)(1)首先计算各点的首先计算各点的例如第例如第3 3点：点：第第8 8点：点：各点拉普拉斯算子如下：各点拉普拉斯算子如下：,0,0,1,0,0,0,0,-1,0,0,0,0,1,-1,0,0,0,0,-3,3,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,-1,0,0,0,0,1,-1,0,0,0,0,-3,3,0,0,0,24本讲稿第二十四页，共三十五页拉普拉斯运算(2)(2)计算计算例如第例如第3 3点：点：第第8 8点：点：锐化后各点的灰度值

13、为：锐化后各点的灰度值为：,0,0,0,0,1,1,2,3,4,6,5,5,5,5,4,7,6,6,6,6,9,0,3,3,3,1,1,2,3,4,6,5,5,5,5,4,7,6,6,6,6,9,0,3,3,3,(3)(3)从从以以上上例例子子可可以以看看出出，在在灰灰度度级级斜斜坡坡底底部部(如如第第3 3点点)和和界界线线的的低低灰灰度度级级侧侧(如如第第1313、2020点点）形形成成下下冲冲。在在灰灰度度级级斜斜坡坡顶顶部部(如如第第8 8点点)和和界界线线的的高高灰灰度度级级侧侧(如如第第1414、1919点点)形形成成上上冲冲。在在灰灰度度级级平平坦坦区区域域(如如第第9-129-

14、12点点，第第15-1815-18点点)，运运算算前后没变化。前后没变化。25本讲稿第二十五页，共三十五页拉普拉斯运算为此拉普拉斯算子为此拉普拉斯算子为：为：可可见见数数字字图图像像在在(i,j)点点的的拉拉普普拉拉斯斯算算子子，可可以以由由(i,j)点点灰灰度度级级值值减减去去该该点点邻邻域域平平均均灰灰度度值值来来求求得得。当当k=1时时，拉普拉斯锐化后的图像为：拉普拉斯锐化后的图像为：26本讲稿第二十六页，共三十五页 拉普拉斯运算图像锐化示例：拉普拉斯运算图像锐化示例：拉普拉斯运算27本讲稿第二十七页，共三十五页5.5 图像的伪彩色处理28本讲稿第二十八页，共三十五页伪彩色处理 伪伪彩彩

15、色色处处理理是是图图像像处处理理中中常常用用的的一一种种方方法法，所所谓谓伪伪彩彩色色处处理理是是指指通通过过将将每每个个灰灰度度级级匹匹配配到到彩彩色色空空间间上上的的一一点点，将将单单色色图图像像映映射射为为一一幅幅彩彩色色图图像像的的一一种种变换。变换。可可将将按按某某种种规规则则生生成成的的映映射射存存储储在在查查找找表表中中，从从而而简简单单地地给给每每个个灰灰度度级级赋赋一一彩彩色色。一一般般是是将将灰灰度度轴轴匹匹配配到到颜颜色空间中的一条连续的曲线上。色空间中的一条连续的曲线上。伪伪彩彩色色处处理理可可以以是是连连续续彩彩色色，也也可可以以是是由由几几种种彩彩色色单单独独构成。

16、构成。29本讲稿第二十九页，共三十五页密度分割 密密度度分分割割是是伪伪彩彩色色处处理理技技术术中中最最简简单单的的一一种种。设设一一幅幅黑黑白白图图像像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行平行(x,y)平面的切割平面，如下图所示。平面的切割平面，如下图所示。密度分割密度分割30本讲稿第三十页，共三十五页密度分割 黑黑白白图图像像被被切切割割成成只只有有两两个个灰灰度度级级，对对切切割割平平面面以以下下的的即即灰灰度度级级小小于于L1的的像像素素分分配配给给一一种种颜颜色色(如如蓝蓝色色)，相相应应地地切切割割平平面面以以上上的的即即灰灰度度

17、大大于于L1像像素素分分配配给给另另一一种种颜颜色色(如如红红色色)。这这样样切切割割结结果果就就可可以以将将黑黑白白图图像像变变为为只只有有两两个个颜色的伪彩色图像。颜色的伪彩色图像。若若将将黑黑白白图图像像灰灰度度级级用用M个个切切割割平平面面去去切切割割，就就会会得得到到M个个不不同同灰灰度度级级的的区区域域S1,S2,SM。对对这这M个个区区域域中中的的像像素素认认为为分分配配给给M种种不不同同颜颜色色，就就可可以以得得到到具具有有M种种颜颜色色的伪彩色图像，如前图所示。的伪彩色图像，如前图所示。密密度度分分割割伪伪彩彩色色处处理理的的优优点点是是简简单单易易行行，便便于于用用软软件件

18、或或硬硬件件实实现现，还还可可以以扩扩大大它它的的用用途途，如如计计算算图图像像中中某某种种灰灰度度级面积等。级面积等。31本讲稿第三十一页，共三十五页灰度级彩色变换 这这种种伪伪彩彩色色处处理理技技术术(在在遥遥感感技技术术中中常常称称为为假假彩彩色色合合成成方方法法)，可可以以将将黑黑白白图图像像变变为为具具有有多多种种颜颜色色渐渐变变的的连连续续彩彩色图像，实际图像的连续伪彩色变换，如图所示。色图像，实际图像的连续伪彩色变换，如图所示。灰度级彩色变换灰度级彩色变换32本讲稿第三十二页，共三十五页灰度级彩色变换 这这种种伪伪彩彩色色变变换换后后图图像像视视觉觉效效果果较较好好，其其变变换换

19、方方法法是是先先将将黑黑白白灰灰度度图图像像送送入入具具有有不不同同变变换换特特性性的的红红、绿绿、蓝蓝3 3个个变变换换器器，然然后后再再将将3 3个个变变换换器器的的不不同同输输出出分分别别送送到到彩彩色色显显像像管管的的红红、绿绿、蓝蓝电电子子枪枪。同同一一灰灰度度由由于于3 3个个变变换换器器对对其其实实施施不不同同变变换换，而而使使3 3个个变变换换器器输输出出不不同同，从从而而在在彩彩色色显显像像管管里里合合成成某某一一种种彩彩色。色。若若黑黑白白图图像像f(x,y)灰灰度度级级在在0L之之间间变变化化，IR、IB、IG会会有有不同的输出，从而合成不同的彩色图像。不同的输出，从而合

20、成不同的彩色图像。33本讲稿第三十三页，共三十五页滤波法 这这是是一一种种在在频频率率域域进进行行伪伪彩彩色色处处理理的的技技术术，与与前前面面方方法法不不同同的的是是输输出出图图像像的的伪伪彩彩色色与与黑黑白白图图像像的的灰灰度度级级无无关关，而而是取决于黑白图像中不同空间频率成分。是取决于黑白图像中不同空间频率成分。滤波法滤波法 比比如如为为了了突突出出图图像像中中高高频频成成分分(图图像像细细节节)将将其其变变为为红红色色，只只要将红通道滤波器设计成高通特性即可。要将红通道滤波器设计成高通特性即可。可可以以结结合合其其它它处处理理方方法法，如如在在附附加加处处理理中中实实施施(如如直直方方图图修修正等正等)使其彩色对比度更强。使其彩色对比度更强。34本讲稿第三十四页，共三十五页滤波法 图图为为从从3 3个个不不同同频频率率的的滤滤波波器器输输出出的的信信号号再再经经过过傅傅立立叶叶反反变变换换，可可以以对对其其做做进进一一步步的的处处理理，如如直直方方图图均均衡衡化化。最最后后把把它它们们作作为为三三基基色色分分别别加加到到彩彩色色显显象象管管的的红红、绿绿、蓝蓝显显示示通通道道，从从而而实现频率域的伪彩色处理。实现频率域的伪彩色处理。35本讲稿第三十五页，共三十五页