数字图像增强.ppt
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1、第三讲 数字图像增强本讲内容:o3.1 图像增强的原因与目的o3.2 图像对比度增强o3.3 平滑与去噪(柔化)o3.4 锐化o3.5 Photoshop增强处理实例演示3.1图像增强原因与目的目标:提高图像质量质量图像更加清晰 图像增强是为了改善视觉效果或者便于人和改善视觉效果或者便于人和机器对图像的理解和分析机器对图像的理解和分析,根据图像的特点或存在的问题采取的简单改善方法或者加强特征的措施称为图像增强。问题问题1:灰度分布不合理灰度分布不合理没有充分利用灰度动态范围典型场合典型场合:曝光不足、曝光过度、对比过于强烈问题问题2:噪声干扰:噪声干扰原因:强噪声成像通道问题问题3:图像模糊:
2、图像模糊影响图像细节分辨原因:成像通道分辨率不足、景物移动等解决方法:解决方法:3-2对比度增强灰度分布不合理3-3图像平滑噪声干扰3-4图像锐化图像模糊o灰度映射o直方图修正3-2 对比度增强3-2 对比度增强灰度映射灰度映射灰度映射(变换)可调整图像的灰度动态范围或图像对比度,是图像增强的重要手段之一。1线性变换线性变换 令图像f(i,j)的灰度范围为a,b,线性变换后图像g(i,j)的范围为a,b,如图。g(i,j)与f(i,j)之间的关系式为:在曝光不足或过度的情况下,图像灰度可能会局限在一个很小的范围内。这时在显示器上看到的将是一个模糊不清、似乎没有灰度层次的图像。采用线性变换对图像
3、每一个像素灰度作线性拉伸,可有效地改善图像视觉效果。原始图像直方图线性变换后图像直方图反色变换原始图像原始图像反色变换后图像反色变换后图像2分段线性变换分段线性变换为了突出感兴趣目标所在的灰度区间,相对抑制那些不感兴趣的灰度区间,可采用分段线性变换。通过细心调整通过细心调整折线拐点的位置折线拐点的位置及控制及控制分段直分段直线的斜率线的斜率,可对任一灰度区间进行拉伸或压缩。,可对任一灰度区间进行拉伸或压缩。对比度扩展对比度扩展原始图像原始图像对比度扩展后图像对比度扩展后图像削波削波原始图像原始图像削波后图像削波后图像阈值化阈值化原始图像原始图像阈值化后图像阈值化后图像灰度窗口3非线性灰度变换非
4、线性灰度变换对数变换对数变换 这里这里a,b,c是为了调整是为了调整曲线的位置和形状而引入曲线的位置和形状而引入的参数。当希望的参数。当希望对图像的对图像的低灰度区较大的拉伸而对低灰度区较大的拉伸而对高灰度区压缩时高灰度区压缩时,可采用,可采用这种变换,它能使图像灰这种变换,它能使图像灰度分布与人的视觉特性相度分布与人的视觉特性相匹配。匹配。f(i,j)g(i,j)原始图像 f(x,y)对数变换后图像 g(x,y)变换曲线f(x,y)g(x,y)指数变换指数变换 这里参数a,b,c用来调整曲线的位置和形状。这种变换能对图像的高灰度区给高灰度区给予较大的拉伸予较大的拉伸。g(i,j)f(i,j)
5、原始图像 f(x,y)指数变换后图像 g(x,y)变换曲线f(x,y)g(x,y)o灰度直方图反映了数字图像中每一灰度级与其出现频率间的关系,它能描述该图像的概貌。修改直方图是一种实用而有效的增强图像处理技术。直方图修整法包括直方图均衡化直方图均衡化及直方图规定化直方图规定化两类。1.1.直方图均衡化直方图均衡化n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。3-2对比度增强直方图修整直方图修整直方图均衡化直方图均衡化直方图均衡化 设r和s分别表示归一化了的原图像灰度和经直方图修正后的图像灰度。即在0,1区间内的任一个r值,都可产生一个s值,且 T(r)作为变换函数,满足下
6、列条件:在0r1内为单调递增函数,保证灰度级从低灰度级从低(黑)到高(白)的次序不变(黑)到高(白)的次序不变;在0r1内,有0T(r)1,确保映射后的像素灰度在允许的范围内。直方图均衡化 从人眼视觉特性来考虑,一幅图像的直方图如果是均匀分布的,即Ps(s)=k(归一化时k=1)时,该图像色调给人的感觉比较协调。因此将原图像直方图通过T(r)调整为均匀分布的直方图,这样修正后的图像能满足人眼视觉要求。对于离散的数字图像,变换的最后推导结果为:上式表明,均衡后各像素的灰度值sk可直接由原图像的直方图算出。一幅图像的sk与rk之间的关系称为该图像的累积灰度直方图。1.01.01.0下面举例说明直方
7、图均衡过程。rkr0=0r1=1/7r2=2/7r3=3/7r4=4/7r5=5/7r6=6/7r7=1nk790102385065632924512281pr(rk)=nk/n0.190.250.210.160.080.060.030.02sk计计0.190.440.650.810.890.950.981.00sk并并1/73/75/76/76/7111sks0=1/7s1=3/7s2=5/7s3=6/7s4=1nsk7901023850985448pk(s)0.190.250.210.240.11例例 假定有一幅总像素为n=6464的图像,灰度级数为8,各灰度级分布列于表中。对其均衡化计算
8、过程如下:1.00.250.200.150.100.050 1/73/75/71.00.250.200.150.100.051/73/75/70原图像的直方图均衡后图像的直方图直方图均衡化示例(a)原始图像(b)原始图像的直方图(c)直方图均衡化后结果(d)结果图像的直方图(a)原始图像(b)原始图像的直方图(c)直方图均衡化后结果(d)结果图像的直方图对比度拉伸的公式:对比度拉伸的公式:C=(Level-Min)*Scale=(Level-Min)*255/(255-Min)Photoshop的算法的算法经过经典算法均衡化的图片,最亮的像素值总是经过经典算法均衡化的图片,最亮的像素值总是25
9、5,因为最后一级色阶因为最后一级色阶(255)的百分位一定是的百分位一定是100%。而最暗。而最暗的是由色阶的是由色阶0的数量决定的,像素值不一定是的数量决定的,像素值不一定是0。Photoshop通过对比度拉伸的方法使最暗的像素值变为通过对比度拉伸的方法使最暗的像素值变为0,其它像素也相应变暗,最亮的像素保持,其它像素也相应变暗,最亮的像素保持255不变。不变。对比度拉伸后的效果可能会比经典算法稍显偏暗。对比度拉伸后的效果可能会比经典算法稍显偏暗。Min=127.50均衡化之后的最小值Scale=255/(255-Min)=2(127.50-Min)*Scale=0*2=0(212.42-M
10、in)*Scale=84.92*2=170(255.00-Min)*Scale=127.5*2=255新的映射表:50-0100-170200-255Photoshop的算法的算法对比度拉伸的公式:对比度拉伸的公式:C=(Level-Min)*Scale=(Level-Min)*255/(255-Min)2.2.直方图规定化直方图规定化 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,以便像,以便能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就是是针
11、对针对上述思想提出来的。上述思想提出来的。直方图规定化是使原图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像灰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。正的增强方法。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。直方图均衡化直方图规定化规定的直方图 原图像的直方图 规定的直方图 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要构成有意义的直方图困难在于要构成有意义的直方图。图像经直方图规定化,其增强效果要有利有利
12、于人的视觉判读或便于机器识别于人的视觉判读或便于机器识别。直方图规定化应用实例直方图规定化应用实例 图(C)、(c)是将图像(A)按图(b)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(C)的对比度同图(B)接近一致,对应的直方图形状差异也不大。这样有利有利于影像融合处理,保证融合影像光谱特性变化小。于影像融合处理,保证融合影像光谱特性变化小。o3-2对比度增强o3-3图像平滑(柔化)o3-4图像锐化图像增强3-3 图像平滑:图像中的脉冲噪声模型图像中的脉冲噪声模型o在图像传输过程中,经常会受到各种噪声的干扰,在进行进一步的边缘检测、图像分割、特征提取、模式识别等处理前,需要采用
13、适当的方法尽量减少噪声o最常见的图像噪声:脉冲噪声o特点:n噪声点的取值与图像信号本身无关n椒盐噪声椒盐噪声:受噪声干扰的图像像素以50%的相同概率等于图像灰度的最大或最小可能取值n随机值脉冲(加性)噪声随机值脉冲(加性)噪声:噪声灰度值均匀分布于0-255间3-3 图像平滑:图像中的脉冲噪声模型图像中的脉冲噪声模型o椒盐噪声椒盐噪声:n黑图象上的白点,白图象上的黑点o随机值脉冲(加性)噪声随机值脉冲(加性)噪声:n噪声灰度值灰度值均匀分布于0-255间任何一幅原始图像,在其获取和传输等过程中,会任何一幅原始图像,在其获取和传输等过程中,会受到各种噪声的干扰,使图像恶化,质量下降,图受到各种噪
14、声的干扰,使图像恶化,质量下降,图像模糊,特征淹没,对图像分析不利。像模糊,特征淹没,对图像分析不利。为了抑制噪声改善图像质量所进行的处理称为了抑制噪声改善图像质量所进行的处理称图像图像平滑或去噪平滑或去噪。它可以在。它可以在空间域空间域和和频率域频率域中进行。本中进行。本节介绍节介绍空间域空间域的几种平滑法。的几种平滑法。o空间域:邻域运算、中值滤波空间域:邻域运算、中值滤波o频率域:频率域:3-3 图像平滑:邻域运算o输出图象中每个象素是由对应的输入象素输出图象中每个象素是由对应的输入象素及其一个及其一个邻域邻域内的象素共同决定时的图象内的象素共同决定时的图象运算。运算。3-3图像平滑:邻
15、域平均法邻域平均法 设有一幅设有一幅NNNN的图像的图像f(x,y)f(x,y),若平滑图像为,若平滑图像为g(x,y),g(x,y),则有则有式中式中 x,y=0,1,x,y=0,1,N-1,N-1;s s为为(x,yx,y)邻邻域域内内像素坐像素坐标标的集合;的集合;M M表示集合表示集合s s内像素的内像素的总总数。数。可见可见,邻域平均法就是将当前像素邻域内各像邻域平均法就是将当前像素邻域内各像素的灰度平均值作为其输出值的去噪方法素的灰度平均值作为其输出值的去噪方法。3-3 图像平滑:邻域平均法邻域平均法(m-1,n-1)(m-1,n)(m-1,n+1)(m,n-1)(m,n)(m,n
16、+1)(m+1,n-1)(m+1,n)(m+1,n+1)例如,对图像采用33的邻域平均法,对于像素(m,n),其邻域像素如下:则有:3-2-2 图像平滑:邻域平均法邻域平均法其作用相当于用这样的模板同图像卷积卷积。这种算法简单,但它的主要缺点是在降低噪声的同时使图图像像产产生模糊生模糊,特特别别在在边缘边缘和和细节处细节处。而且邻域越大,在去噪能力增强的同时模糊程度越严重。如下图(a)原图像 (b)对(a)加椒盐噪声的图像(c)33邻域平滑 (d)55邻域平滑3-3 图像平滑:邻域平均法邻域平均法1、超限像素平均法、超限像素平均法2、中值滤波、中值滤波 为克服简单局部平均法的弊病,目前已提出许
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