数字图像处理-第四章课件

Digital Image Processing 数字图像处理数字图像处理1第四章第四章 图像增强图像增强24.1 4.1 概概 述述3基于像素的点处理基于像素的点处理 基于模板的空域滤波基于模板的空域滤波 空域方法空域方法频域方法频域方法图像增强方法图像增强方法图图图图像像像像增增增增强强强强的的的的目目目目的的的的是是是是对对对对图图图图像像像像进进进进行行行行加加加加工工工工，以以以以得得得得到到到到对对对对具具具具体体体体应应应应用用用用来来来来说说说说视视视视觉觉觉觉效效效效果果果果更更更更“好好好好”，更更更更“有有有有用用用用”的的的的图图图图像像像像 4 4.2 空域点处理增强空域点处理增强5定定定定义义 设设f(x,y)是增强前的图像，是增强前的图像，g(x,y)是增强处理后是增强处理后的图像，的图像，T是定义在是定义在(x,y)邻域一种操作邻域一种操作,则空间则空间域处理可表示为域处理可表示为 ：如果如果如果如果T T是定义在每个点是定义在每个点是定义在每个点是定义在每个点(x,yx,y)上，则上，则上，则上，则T T称为点操作；称为点操作；称为点操作；称为点操作；如果如果如果如果T T是定义在是定义在是定义在是定义在(x,yx,y)的某个邻域上，则的某个邻域上，则的某个邻域上，则的某个邻域上，则T T称为模称为模称为模称为模板操作。板操作。板操作。板操作。6 如果用如果用如果用如果用s s s s 和和和和t t t t 分别代表分别代表分别代表分别代表 f f 和和和和 g g 在在在在(x,yx,y)处的灰处的灰处的灰处的灰度值，则空间域处理就表示为：度值，则空间域处理就表示为：度值，则空间域处理就表示为：度值，则空间域处理就表示为：71 1、图像求反、图像求反、图像求反、图像求反 假假假假设设设设对对对对灰灰灰灰度度度度级级级级范范范范围围围围是是是是00，L-1L-1的的的的图图图图像像像像求求求求反反反反，就就就就是是是是通通通通过过过过变变变变换换换换将将将将00，L-1L-1变变变变换换换换到到到到 L-1L-1，00，变变变变换公式如下：换公式如下：换公式如下：换公式如下：82.2.2.2.线性灰度变换线性灰度变换线性灰度变换线性灰度变换 典型的分段线性变换数学表达式如下：典型的分段线性变换数学表达式如下：典型的分段线性变换数学表达式如下：典型的分段线性变换数学表达式如下：93.3.对数变换对数变换对数变换对数变换 要消除这种因动态范围太大而引起的失真，一种要消除这种因动态范围太大而引起的失真，一种要消除这种因动态范围太大而引起的失真，一种要消除这种因动态范围太大而引起的失真，一种有效的方法是对原图像的动态范围进行压缩，最常用有效的方法是对原图像的动态范围进行压缩，最常用有效的方法是对原图像的动态范围进行压缩，最常用有效的方法是对原图像的动态范围进行压缩，最常用的是借助对数形式对动态范围进行调整，其数学表达的是借助对数形式对动态范围进行调整，其数学表达的是借助对数形式对动态范围进行调整，其数学表达的是借助对数形式对动态范围进行调整，其数学表达式如下：式如下：式如下：式如下：10n n例如，傅里叶谱的范围在例如，傅里叶谱的范围在例如，傅里叶谱的范围在例如，傅里叶谱的范围在0 0 R=0R=0，1.61.610106 6 ，为为为为了在一个了在一个了在一个了在一个8 8位的显示设备上进行显示，并充分利用显示位的显示设备上进行显示，并充分利用显示位的显示设备上进行显示，并充分利用显示位的显示设备上进行显示，并充分利用显示设备的动态范围，则变换表达式中的设备的动态范围，则变换表达式中的设备的动态范围，则变换表达式中的设备的动态范围，则变换表达式中的C C C C为：为：为：为：C=256/log(1+1.6*10C=256/log(1+1.6*106 6)n n图为增强前后的傅里叶谱图为增强前后的傅里叶谱图为增强前后的傅里叶谱图为增强前后的傅里叶谱114 4 4 4、灰度分层、灰度分层、灰度分层、灰度分层 一种方法：是对感兴趣的灰度级以较大的灰一种方法：是对感兴趣的灰度级以较大的灰一种方法：是对感兴趣的灰度级以较大的灰一种方法：是对感兴趣的灰度级以较大的灰度值度值度值度值t t2 2以显示而对另外的灰度级则以较小的灰度以显示而对另外的灰度级则以较小的灰度以显示而对另外的灰度级则以较小的灰度以显示而对另外的灰度级则以较小的灰度值值值值t t1 1来显示。来显示。来显示。来显示。另一种方法：对感兴趣的灰度级以较大的灰另一种方法：对感兴趣的灰度级以较大的灰另一种方法：对感兴趣的灰度级以较大的灰另一种方法：对感兴趣的灰度级以较大的灰度值进行显示而其他的灰度级则保持不变。度值进行显示而其他的灰度级则保持不变。度值进行显示而其他的灰度级则保持不变。度值进行显示而其他的灰度级则保持不变。125 5 5 5、位图切割、位图切割、位图切割、位图切割 设设设设图图图图像像像像中中中中每每每每一一一一个个个个像像像像素素素素由由由由8 8bitbit表表表表示示示示，也也也也就就就就是是是是说说说说图图图图像像像像有有有有8 8个个个个位位位位面面面面，一一一一般般般般用用用用位位位位面面面面0 0表表表表示示示示最最最最低低低低位位位位面面面面，位位位位面面面面7 7表表表表示示示示最最最最高高高高位位位位面面面面，如如如如图图图图所所所所示示示示。借借借借助助助助图图图图像像像像的的的的位位位位面面面面表表表表示示示示形形形形式式式式可可可可通通通通过过过过对对对对图图图图像像像像特定位面的操作来达到对图像的增强效果。特定位面的操作来达到对图像的增强效果。特定位面的操作来达到对图像的增强效果。特定位面的操作来达到对图像的增强效果。13 直方图均衡化直方图均衡化直方图均衡化直方图均衡化 直方图规定化直方图规定化直方图规定化直方图规定化 14T T满足满足满足满足2 2个条件：个条件：个条件：个条件：（1）T单值单增函数。单值单增函数。（2）对）对 有有则有：则有：则有：则有：直方图均衡化中直方图均衡化中T：则：则：则：则：15原始图像各灰度级对应的概率分布原始图像各灰度级对应的概率分布原始图像各灰度级对应的概率分布原始图像各灰度级对应的概率分布灰度级灰度级灰度级灰度级0 01 12 23 34 45 56 67 7像素像素像素像素790790102310238508506566563293292452451221228181概率概率概率概率0.190.190.250.250.210.210.160.160.080.080.060.060.030.030.020.02例例例例16图像直方图均衡化过程如下图像直方图均衡化过程如下图像直方图均衡化过程如下图像直方图均衡化过程如下：（1）得到变换后的值：）得到变换后的值：依此类推，即可得到依此类推，即可得到 例例例例17（2）用用式式 将将 扩扩展展到到 范范围围内内并取整，得并取整，得：(3)将相同值的归并起来将相同值的归并起来,得得:例例例例18（4）变换后变换后5个灰度级的像素数个灰度级的像素数(5)新灰度级分布新灰度级分布 例例例例19 结果结果结果结果原始直方图原始直方图原始直方图原始直方图变换函数变换函数变换函数变换函数直方图均衡化结果直方图均衡化结果直方图均衡化结果直方图均衡化结果20 效果效果效果效果 原原原原图图图图均均均均衡衡衡衡化化化化后后后后效效效效果果果果图图图图212 2 直方图规定化直方图规定化 （2 2）同样对规定图像计算能使规定的直方图均衡化：）同样对规定图像计算能使规定的直方图均衡化：（3 3）将原始直方图对应映射到规定的直方图）将原始直方图对应映射到规定的直方图（1 1）对原始图像的直方图进行均衡化：）对原始图像的直方图进行均衡化：22灰度级01234567像素790102385065632924512281概率0.190.250.210.160.080.060.030.02例例例例原始图像各灰度级对应的概率分布原始图像各灰度级对应的概率分布原始图像各灰度级对应的概率分布原始图像各灰度级对应的概率分布23例例例例直方图规定化步骤：直方图规定化步骤：（1 1 1 1）对原始直方图操作：）对原始直方图操作：）对原始直方图操作：）对原始直方图操作：24例例例例（2 2 2 2）对规定直方图像操作：）对规定直方图像操作：）对规定直方图像操作：）对规定直方图像操作：25例例例例（3 3 3 3）映射结果：）映射结果：）映射结果：）映射结果：逆变换得逆变换得26例例例例（4 4）规定化后各灰度级像素数：）规定化后各灰度级像素数：规定化后的直方图规定化后的直方图规定化后的直方图规定化后的直方图27结果结果结果结果原始直方图原始直方图原始直方图原始直方图规定直方图规定直方图规定直方图规定直方图结果直方图结果直方图结果直方图结果直方图28效果效果效果效果原始图像原始图像原始图像原始图像规定直方图规定直方图规定直方图规定直方图规定化后直方图规定化后直方图规定化后直方图规定化后直方图规定化后的图像规定化后的图像规定化后的图像规定化后的图像 29(1)(1)图像减法图像减法 图像相减的结果就可把两图的差异显示出来，图像相减的结果就可把两图的差异显示出来，图像相减的结果就可把两图的差异显示出来，图像相减的结果就可把两图的差异显示出来，可以用来增强两幅图像的差异。可以用来增强两幅图像的差异。可以用来增强两幅图像的差异。可以用来增强两幅图像的差异。30 效果效果效果效果-=直方图均衡后直方图均衡后直方图均衡后直方图均衡后31(2)(2)图像平均图像平均 设噪声互不相关，且具有零均值设噪声互不相关，且具有零均值设噪声互不相关，且具有零均值设噪声互不相关，且具有零均值 ，可用图像平均去除噪声，可用图像平均去除噪声，可用图像平均去除噪声，可用图像平均去除噪声令令令令则则则则随随随随N N N N的增加，图像噪声影响减少的增加，图像噪声影响减少的增加，图像噪声影响减少的增加，图像噪声影响减少32 效果效果效果效果原原原原图图图图+高高高高斯斯斯斯噪噪噪噪声声声声幅幅幅幅度度度度图图图图平平平平均均均均幅幅幅幅度度度度图图图图平平平平均均均均幅幅幅幅度度度度图图图图平平平平均均均均33 两幅图与操作两幅图与操作两幅图与操作两幅图与操作 两幅图或操作两幅图或操作两幅图或操作两幅图或操作 与与与与 或或或或 34 4.3 空域滤波增强空域滤波增强 35n 空空域域滤滤波波就就是是在在待待处处理理的的图图像像中中逐逐点点地地移移动动模模板板，对对每每个点，滤波器在该点的响应通过事先定义的关系来计算。个点，滤波器在该点的响应通过事先定义的关系来计算。线性滤波线性滤波线性滤波线性滤波,滤波器模板滤波器模板滤波器模板滤波器模板m m m mn n n n ，令，令，令，令a=a=a=a=(m-m-m-m-1)/21)/21)/21)/2，b b b b=(=(=(=(n n n n-1)/2-1)/2-1)/2-1)/2，则则则则 36平滑滤波器模板平滑滤波器模板平滑滤波器模板平滑滤波器模板 37效果效果效果效果38 中值滤波是用一个有奇数点的滑动窗口，将窗口中心中值滤波是用一个有奇数点的滑动窗口，将窗口中心点的值用窗口各点的中值代替。具体操作步骤如下：点的值用窗口各点的中值代替。具体操作步骤如下：（1 1 1 1）将将将将模模模模板板板板在在在在图图图图中中中中漫漫漫漫游游游游，并并并并将将将将模模模模板板板板中中中中心心心心与与与与图图图图中中中中某某某某个个个个象象象象素素素素位置重合。位置重合。位置重合。位置重合。（2 2 2 2）读取模板下各对应象素的灰度值。）读取模板下各对应象素的灰度值。）读取模板下各对应象素的灰度值。）读取模板下各对应象素的灰度值。（3 3 3 3）将这些灰度值从小到大排成）将这些灰度值从小到大排成）将这些灰度值从小到大排成）将这些灰度值从小到大排成1 1 1 1列。列。列。列。（4 4 4 4）找出这些值里排在中间的）找出这些值里排在中间的）找出这些值里排在中间的）找出这些值里排在中间的1 1 1 1个。个。个。个。（5 5 5 5）将这个中间值赋给对应模板中心位置的象素。）将这个中间值赋给对应模板中心位置的象素。）将这个中间值赋给对应模板中心位置的象素。）将这个中间值赋给对应模板中心位置的象素。39效果效果效果效果40f f(x,yx,y)在在在在(x,yx,y)的的的的梯度梯度梯度梯度 其模值其模值其模值其模值 近似梯度模值近似梯度模值近似梯度模值近似梯度模值 41G Gx x和和和和G Gy y 用近似值：用近似值：用近似值：用近似值：得到直接差分算子得到直接差分算子得到直接差分算子得到直接差分算子42G Gx x和和和和G Gy y 用近似值：用近似值：用近似值：用近似值：得到得到得到得到RobertsRoberts算子算子算子算子43G Gx x和和和和G Gy y 用近似值：用近似值：用近似值：用近似值：得到得到得到得到SobelSobel算子算子算子算子44效果效果效果效果图图图图a:Cameramana:Cameraman原始图像，包含有各种朝向的边缘原始图像，包含有各种朝向的边缘原始图像，包含有各种朝向的边缘原始图像，包含有各种朝向的边缘图图图图b:b:用用用用SobelSobel水平模板，它对垂直边缘有较强的响应水平模板，它对垂直边缘有较强的响应水平模板，它对垂直边缘有较强的响应水平模板，它对垂直边缘有较强的响应图图图图c:c:用用用用SobelSobel垂直模板，它对水平边缘有较强的响应垂直模板，它对水平边缘有较强的响应垂直模板，它对水平边缘有较强的响应垂直模板，它对水平边缘有较强的响应a ab bc c45f f(x,yx,y)在在在在(x,yx,y)的的的的拉普拉斯算子为拉普拉斯算子为拉普拉斯算子为拉普拉斯算子为 对数字图像对数字图像对数字图像对数字图像 因因因因f f(x,yx,y)离散，所以离散，所以离散，所以离散，所以 46如果加上对角线元素，则如果加上对角线元素，则如果加上对角线元素，则如果加上对角线元素，则拉普拉斯算子模板拉普拉斯算子模板拉普拉斯算子模板拉普拉斯算子模板 47 4.4 频域图像增强频域图像增强 48f(x,y)f(x,y)和和和和h(x,y)h(x,y)卷积定义为：卷积定义为：卷积定义为：卷积定义为：有：有：有：有：49设设设设则：则：则：则：频率域增强主要步骤：频率域增强主要步骤：频率域增强主要步骤：频率域增强主要步骤：（1 1）计算需要增强图的傅里叶变换；）计算需要增强图的傅里叶变换；）计算需要增强图的傅里叶变换；）计算需要增强图的傅里叶变换；（2 2）将其与）将其与）将其与）将其与1 1个转移函数相乘；个转移函数相乘；个转移函数相乘；个转移函数相乘；（3 3）再将结果傅里叶反变换以得到增强的图像。）再将结果傅里叶反变换以得到增强的图像。）再将结果傅里叶反变换以得到增强的图像。）再将结果傅里叶反变换以得到增强的图像。常用的频域增强方法有：低通滤波、高通滤波、常用的频域增强方法有：低通滤波、高通滤波、常用的频域增强方法有：低通滤波、高通滤波、常用的频域增强方法有：低通滤波、高通滤波、带通和带阻滤波、同态滤波等带通和带阻滤波、同态滤波等带通和带阻滤波、同态滤波等带通和带阻滤波、同态滤波等501 1、理想低通滤波器、理想低通滤波器、理想低通滤波器、理想低通滤波器理想低通滤波器剖面图和透视图理想低通滤波器剖面图和透视图理想低通滤波器剖面图和透视图理想低通滤波器剖面图和透视图51图像能量百分比图像能量百分比图像能量百分比图像能量百分比 设设设设 52效果效果效果效果vv原始图像原始图像原始图像原始图像vv傅里叶频谱傅里叶频谱傅里叶频谱傅里叶频谱 vv截断频率：截断频率：截断频率：截断频率：5 5 5 5vv截断频率：截断频率：截断频率：截断频率：15151515vv截断频率：截断频率：截断频率：截断频率：45454545vv截断频率：截断频率：截断频率：截断频率：65656565532 2、n n阶阶阶阶巴特沃斯巴特沃斯巴特沃斯巴特沃斯低通滤波器低通滤波器低通滤波器低通滤波器巴特沃斯低通滤波器剖面图和透视图巴特沃斯低通滤波器剖面图和透视图巴特沃斯低通滤波器剖面图和透视图巴特沃斯低通滤波器剖面图和透视图542 2、n n阶阶阶阶巴特沃斯巴特沃斯巴特沃斯巴特沃斯低通滤波器低通滤波器低通滤波器低通滤波器巴特沃斯低通滤波器剖面图和透视图巴特沃斯低通滤波器剖面图和透视图巴特沃斯低通滤波器剖面图和透视图巴特沃斯低通滤波器剖面图和透视图55图像图像图像图像+盐椒噪声盐椒噪声盐椒噪声盐椒噪声 滤波效果滤波效果滤波效果滤波效果截断频率截断频率截断频率截断频率20202020结果结果结果结果 56量化灰度级图像量化灰度级图像量化灰度级图像量化灰度级图像除虚假轮廓除虚假轮廓除虚假轮廓除虚假轮廓比较比较比较比较截断频率截断频率截断频率截断频率35353535理想低通滤波理想低通滤波理想低通滤波理想低通滤波明显的振铃现象明显的振铃现象明显的振铃现象明显的振铃现象 截断频率截断频率截断频率截断频率35353535巴特沃斯低通滤波巴特沃斯低通滤波巴特沃斯低通滤波巴特沃斯低通滤波 571 1、理想高通滤波器、理想高通滤波器、理想高通滤波器、理想高通滤波器理想高通滤波器剖面图和透视图理想高通滤波器剖面图和透视图理想高通滤波器剖面图和透视图理想高通滤波器剖面图和透视图582 2、n n n n阶巴特沃斯高通滤波器阶巴特沃斯高通滤波器阶巴特沃斯高通滤波器阶巴特沃斯高通滤波器巴特沃斯高通滤波器剖面图和透视图巴特沃斯高通滤波器剖面图和透视图巴特沃斯高通滤波器剖面图和透视图巴特沃斯高通滤波器剖面图和透视图5960比较理想高通滤波与加强滤波比较理想高通滤波与加强滤波比较理想高通滤波与加强滤波比较理想高通滤波与加强滤波模糊图像模糊图像模糊图像模糊图像理想高通滤波理想高通滤波理想高通滤波理想高通滤波平滑区基本消失平滑区基本消失理想加强滤波理想加强滤波理想加强滤波理想加强滤波61比较比较比较比较巴特沃斯巴特沃斯巴特沃斯巴特沃斯高通滤波与加强滤波高通滤波与加强滤波高通滤波与加强滤波高通滤波与加强滤波模糊图像模糊图像模糊图像模糊图像巴特沃斯巴特沃斯巴特沃斯巴特沃斯高通滤波高通滤波高通滤波高通滤波平滑区基本消失平滑区基本消失巴特沃斯巴特沃斯巴特沃斯巴特沃斯加强滤波加强滤波加强滤波加强滤波试比较理想加强滤波和巴特沃斯试比较理想加强滤波和巴特沃斯试比较理想加强滤波和巴特沃斯试比较理想加强滤波和巴特沃斯加强滤波效果加强滤波效果加强滤波效果加强滤波效果623 3、带通带通带通带通滤波器滤波器滤波器滤波器63带通滤波器透视图带通滤波器透视图带通滤波器透视图带通滤波器透视图644 4、带阻带阻带阻带阻滤波器滤波器滤波器滤波器带阻滤波器透视图带阻滤波器透视图带阻滤波器透视图带阻滤波器透视图65图像图像图像图像f(x,y),f(x,y),照明分量照明分量照明分量照明分量 i(x,y),i(x,y),反射分量反射分量反射分量反射分量r(x,y)r(x,y)r(x,y)r(x,y)两边取自然对数两边取自然对数两边取自然对数两边取自然对数 傅里叶变换傅里叶变换傅里叶变换傅里叶变换 66假设用滤波器函数来处理假设用滤波器函数来处理假设用滤波器函数来处理假设用滤波器函数来处理 反变换反变换反变换反变换 故增强后的图像由对应的照明分量与反射分量叠加而成故增强后的图像由对应的照明分量与反射分量叠加而成故增强后的图像由对应的照明分量与反射分量叠加而成故增强后的图像由对应的照明分量与反射分量叠加而成 取指数取指数取指数取指数 67同态图像增强法示意图同态图像增强法示意图同态图像增强法示意图同态图像增强法示意图 68同态滤波器的径向横断面同态滤波器的径向横断面同态滤波器的径向横断面同态滤波器的径向横断面 如果，如果，如果，如果，H H H Hl l l l1,1,1,1 1 1 1 同态滤波压缩了图像的动态范围，同态滤波压缩了图像的动态范围，同态滤波压缩了图像的动态范围，同态滤波压缩了图像的动态范围，增强了图像的对比度增强了图像的对比度增强了图像的对比度增强了图像的对比度 69原始图像的背景等平滑区域亮度减弱原始图像的背景等平滑区域亮度减弱原始图像的背景等平滑区域亮度减弱原始图像的背景等平滑区域亮度减弱钱币边缘及线条处对比度增强钱币边缘及线条处对比度增强钱币边缘及线条处对比度增强钱币边缘及线条处对比度增强 效果效果效果效果70