4 图像增强(1)数字图像处理PPT.ppt
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1、第第4章章 图像增强图像增强概述概述空域变换增强技术空域变换增强技术频域变换增强技术频域变换增强技术讲解内容讲解内容目的目的1.熟悉并掌握本章基本概念、空间域图像增强的原理、方法及其特点;2.了解频率域图像增强的方法及其实现过程;3.重点掌握直方图修正方法、特点及其应用;空间域平滑、锐化和彩色增强技术。4.1 概述与分类概述与分类结果:结果:改善后的图像不一定逼近原图像改善后的图像不一定逼近原图像定义:定义:图像增强是指按特定的需要突出一幅图像图像增强是指按特定的需要突出一幅图像中的某些信息,同时,消弱或去除某些不需要的中的某些信息,同时,消弱或去除某些不需要的信息的处理方法信息的处理方法目的
2、:目的:对图像进行加工,以得到对具体应用来说对图像进行加工,以得到对具体应用来说视觉效果更视觉效果更“好好”,更,更“有用有用”的图像,也就是的图像,也就是说,提高图像的可懂度说,提高图像的可懂度前提:前提:不考虑图像降质的原因不考虑图像降质的原因3、图像增强处理最大的、图像增强处理最大的困难困难增强后图像质量增强后图像质量的好坏主要依靠人的的好坏主要依靠人的主观视觉主观视觉来评定,也就是说,来评定,也就是说,难以难以定量定量描述描述注意:注意:1、图像增强处理、图像增强处理并不能增加并不能增加原始图像的信息,其原始图像的信息,其结果只能结果只能增强对某种信息的辨别能力增强对某种信息的辨别能力
3、,而这种处理,而这种处理肯定会肯定会损失损失一些其它信息一些其它信息2、强调根据、强调根据具体应用具体应用而言,更而言,更“好好”,更,更“有有用用”的视觉效果图像的视觉效果图像图像的动态范围得到压缩、图像边缘信息得到锐化图像的动态范围得到压缩、图像边缘信息得到锐化处理以及解决颜色恒常性处理以及解决颜色恒常性(即改变光照变化的影响即改变光照变化的影响)压缩动压缩动态范围态范围主要增强方法主要增强方法直接对象素直接对象素灰度值运算灰度值运算对图像进对图像进行变换行变换增强增强操作操作变换变换空域法的基本原理空域法的基本原理直接对图像中的象素进行处理直接对图像中的象素进行处理基本上是以灰度映射变换
4、为基础基本上是以灰度映射变换为基础所用的映射变换取决于增强的目的所用的映射变换取决于增强的目的频域法的基本原理频域法的基本原理基础是卷积定理它采用修改图像傅立叶变换的方法基础是卷积定理它采用修改图像傅立叶变换的方法实现对图像的增强处理实现对图像的增强处理由卷积定理可知,如果原始图像是由卷积定理可知,如果原始图像是f(x,y),处理后的图处理后的图像是像是g(x,y),而,而h(x,y)是处理系统中的冲激响应,那么,是处理系统中的冲激响应,那么,处理过程可由下式表示处理过程可由下式表示 g(x,y)=h(x,y)*f(x,y)如果如果G(u,v),H(u,v),F(u,v)分别是分别是g(x,y
5、),h(x,y)和和f(x,y)的的傅立叶变换,上面的卷积关系可表示为变换域的乘积傅立叶变换,上面的卷积关系可表示为变换域的乘积关系,即关系,即 G(u,v)=H(u,v)F(u,v)H(u,v)为传递函数。为传递函数。在增强问题中,在增强问题中,f(x,y)是给定的原始数据,经傅立叶是给定的原始数据,经傅立叶变换可得到变换可得到F(u,v).选择合适的选择合适的H(u,v),使得使得 g(x,y)=F-1H(u,v)F(u,v)这样得到的这样得到的g(x,y)比比f(x,y)在某些特性方面更鲜明,突在某些特性方面更鲜明,突出,因而更容易识别,解释。出,因而更容易识别,解释。两个关键:两个关键
6、:1、将图像从图像空间转换到频域空间所需的、将图像从图像空间转换到频域空间所需的变换变换T以及再将图像从频域空间转换到图像空间所需的以及再将图像从频域空间转换到图像空间所需的变变换换T-12、在频域空间对图像进行增强加工的在频域空间对图像进行增强加工的操作操作EH空域变换增强处理方法空域变换增强处理方法基于基于点操作点操作的增强也叫灰度变换,常见的几类方法的增强也叫灰度变换,常见的几类方法为:为:1、将、将f(.)中的每个象素按中的每个象素按EH操作直接变换以得到操作直接变换以得到g(.)2、借助借助f(.)的直方图进行变换的直方图进行变换3、借助对一系列图像间的操作进行变换、借助对一系列图像
7、间的操作进行变换前面所讲的图前面所讲的图像基本运算像基本运算基于基于模板(滤波)操作模板(滤波)操作的增强,主要有平滑和锐化处理的增强,主要有平滑和锐化处理两种方法两种方法 直接灰度变换直接灰度变换EH(.)变换函数可以取不同形式,从而得到不同的效果变换函数可以取不同形式,从而得到不同的效果 1、线性变换线性变换 4.2 基于点操作的增强基于点操作的增强2、对数变换对数变换3 、指数变换、指数变换1、图像求反、图像求反-灰度值进行反转,黑变白灰度值进行反转,黑变白此时的此时的EH(.)操作,可用曲线表示操作,可用曲线表示L-1L-1stst0EH(s)普通的黑白底片和照片的关系如此普通的黑白底
8、片和照片的关系如此st2、增强对比度增强图像各部分的反差,实际中增加图像、增强对比度增强图像各部分的反差,实际中增加图像中某两个灰度值间的动态范围来实现中某两个灰度值间的动态范围来实现典型的增强对比度的典型的增强对比度的EH(.)如图所示如图所示L-1L-1(s2,t2)(s1,t1)st0EH(s)0s1之间之间的动态范的动态范围减小围减小s2L-1之间之间的动态范围的动态范围减小减小s1s2之间的动之间的动态范围增加,态范围增加,对比度增强对比度增强s1,s2,t1,t2取不同的取不同的值,得到不同效果值,得到不同效果 s1=t1,s2=t2,与原图相同与原图相同3、动态范围压缩与增强对比
9、度相反,有时原图的动态范、动态范围压缩与增强对比度相反,有时原图的动态范围太大,超出某些显示设备的允许动态范围,这时如直接使围太大,超出某些显示设备的允许动态范围,这时如直接使用原图,则一部分细节可能丢失用原图,则一部分细节可能丢失对原图进行灰度压缩对原图进行灰度压缩常用的常用的EH(.)操作,是一种对数形式的函数,曲线如图所示操作,是一种对数形式的函数,曲线如图所示L-1L-1st0EH(s)t=Clog(1+|s|)C为尺度比例常数为尺度比例常数4、灰度切分与增强对比度相仿,将某个灰度值范围变得、灰度切分与增强对比度相仿,将某个灰度值范围变得比较突出比较突出典型的典型的EH(.)操作如图所
10、示操作如图所示L-1L-1st0EH(s)s1s2EH(s)L-1s1 s20L-1t ts s将将s1s2之间的灰度级之间的灰度级突出,而将其余灰度值突出,而将其余灰度值逐渐变为某个低灰度值逐渐变为某个低灰度值将将s1s2之间的灰度级突出,之间的灰度级突出,而将其余灰度值保留而将其余灰度值保留5.位面图位面图直接灰度变换也可以借助图像的位面表示进行。直接灰度变换也可以借助图像的位面表示进行。对对1幅用多个比特表示其灰度值得图像来说,其中的每个幅用多个比特表示其灰度值得图像来说,其中的每个比特可看作表示了比特可看作表示了1个二值的平面,也称位面。个二值的平面,也称位面。1幅其灰度级用幅其灰度级
11、用8bit表示的图像有表示的图像有8个位面,一般用位面个位面,一般用位面0代表最低位面,位面代表最低位面,位面7代表最高位面,如图所示。代表最高位面,如图所示。对图像特定位面对图像特定位面的操作进行图像的操作进行图像增强增强实例实例4.2.2 直方图处理直方图处理1.直方图概念及模型化直方图概念及模型化灰度级的直方图描述了一幅图像的概貌。灰度级的直方图描述了一幅图像的概貌。简单讲,灰度级直方图就是反映一幅图像中的简单讲,灰度级直方图就是反映一幅图像中的灰度级灰度级与出现这种灰度的概率之间的关系与出现这种灰度的概率之间的关系的图形的图形对于一幅给定的图像而言,每一个象素取得对于一幅给定的图像而言
12、,每一个象素取得0,1区间内区间内的灰度级是的灰度级是随机的随机的,也就是说,也就是说,r是一个随机变量。假定对是一个随机变量。假定对每一瞬间它们是连续的随机变量,那么,就可以每一瞬间它们是连续的随机变量,那么,就可以用概率密用概率密度函数度函数pr(r)来表示原始图像的灰度分布来表示原始图像的灰度分布。如果用直角坐标。如果用直角坐标系中的横轴代表灰度级系中的横轴代表灰度级r,用纵轴代表灰度级的概率密度函用纵轴代表灰度级的概率密度函数数pr(r),这样就可针对一幅图像在这个坐标系中作曲线来。这样就可针对一幅图像在这个坐标系中作曲线来。这条曲线在概率论中就是分布密度曲线这条曲线在概率论中就是分布
13、密度曲线设变量设变量r代表图像中象素灰度级,在图像中,象素的灰度代表图像中象素灰度级,在图像中,象素的灰度级可作归一化处理,这样,级可作归一化处理,这样,r的值将限定为的值将限定为0r 110rPr(r)(a)图图(c)图像的象素灰度值集中在某个较小的范围内,也就是图像的象素灰度值集中在某个较小的范围内,也就是说图像说图像(c)的灰度集中在某一个小的亮区的灰度集中在某一个小的亮区 10图(图(a)的大多数象素灰度值取在较暗的区域。所以这幅的大多数象素灰度值取在较暗的区域。所以这幅图像肯定较暗,一般在摄影过程中曝光太弱就会造成这种图像肯定较暗,一般在摄影过程中曝光太弱就会造成这种结果。结果。10
14、rPr(r)(b)图(图(b)图像的象素灰度值集中在亮区,因此图像的特性图像的象素灰度值集中在亮区,因此图像的特性偏亮,曝光过强,导致这种结果。偏亮,曝光过强,导致这种结果。(c)给出来对给出来对sk出现概率的出现概率的1个估计个估计图像的灰度统计图像的灰度统计 直方图直方图1D的离散函数的离散函数sk为图像为图像f(x,y)的第的第k级灰度,级灰度,nk是图像中具有灰度值是图像中具有灰度值sk的象素的个数,的象素的个数,n是图像象素总数是图像象素总数直方图提供了原图的灰度值分布情况,也可直方图提供了原图的灰度值分布情况,也可以说给出了一幅图所有灰度值的整体描述以说给出了一幅图所有灰度值的整体
15、描述离散化定义离散化定义偏暗偏暗2.直方图修改技术的基础直方图修改技术的基础也就是说,通过上述变换,每个原始图像的象素也就是说,通过上述变换,每个原始图像的象素r都都可以产生一个可以产生一个s值。值。假设对于给定一幅图像的灰度级分布在假设对于给定一幅图像的灰度级分布在0r sknkps(sk)r0-s0=1/77900.19r1-s1=3/710230.25r2-s2=5/78500.21r3,r4-s3=6/79850.24R5,r6,r7-s4=14480.112、计算变换函数、计算变换函数 uk=G(zk)=j=0kpz(zj)ukG(zk)u00.00u10.00u20.00u30.1
16、5u40.35u50.65u60.85u71.03、用直方图均衡化中的、用直方图均衡化中的sk进行进行G的反变换求的反变换求z zk=G-1(sk)这一步实际上是近似过程,也就是找出这一步实际上是近似过程,也就是找出sk与与G(zk)的最接的最接近的值,例如,近的值,例如,s0=1/70.14,与它最接近的是与它最接近的是G(z3)=0.15,所以可以写成所以可以写成G-1(0.15)=z3,用这样的方法用这样的方法可得到下列变换值可得到下列变换值s0=1/7 z3=3/7s1=3/7z44/7s2=5/7z5=5/7s3=6/7z6=6/7 s4=1z7=14、用、用z=G-1(T(r)找出
17、找出r与与z之间的映射关系之间的映射关系zkrknk pz(zk)z0=0000.00z1=1/71/700.00z2=2/72/700.00z3=3/7 s0=1/73/77900.19z4=4/7 s1=3/74/71023 0.25z5=5/7 s2=5/75/78500.21z6=6/7 s3=6/76/79850.24z7=1 s4=114480.11原图像原图像原图像的直方图原图像的直方图规定直方图规定直方图输出图像输出图像输出图像的直方图输出图像的直方图直方图中高灰度值一边更密集由于规定的直方图在高灰度区值较大,所以变换的结果比均衡化更亮原图原图像及像及直方直方图图均衡均衡后的后
18、的图像图像及直及直方图方图图像的反差大了,图像的反差大了,细节清楚了细节清楚了在直方图中在直方图中的表现是直的表现是直方图灰度范方图灰度范围窄且集中围窄且集中在低灰度值在低灰度值区域。区域。现在直方图现在直方图占据了整个占据了整个图像灰度值图像灰度值的允许范围,的允许范围,增加了图像增加了图像的动态范围。的动态范围。原图较暗且动态范原图较暗且动态范围小围小总结直方图均衡化:直方图均衡化:寻找寻找r r和和s s之间的函数关系之间的函数关系直方图规定化:直方图规定化:寻找寻找r r和和z z之间的函数关系之间的函数关系总结rsvz作业:一幅图像共有8个灰度级,每一灰度级的概率分布如下表所示,要求
19、对其进行直方图规定化处理,规定化直方图的数据如表所示。(画出规定化后的直方图)rkPr(r k)Z kP z(zk)r000.29z000r11/70.24z11/70r22/70.17z22/70r33/70.12z33/70r44/70.09z44/70.27r55/70.06z55/70.43r66/70.02z66/70.19r710.01z710.11原始直方图数据原始直方图数据规定直方图数据规定直方图数据1/72/7 3/7 4/7 5/7 6/7010.290.240.170.120.090.060.020.01P r(r k)rk1/72/7 3/7 4/7 5/7 6/701
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