空間域和頻率域結(jié)合的圖像增強(qiáng)技術(shù)及實(shí)現(xiàn)1

1、 南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：楊程學(xué) 號(hào)：090402159專 業(yè)：光電信息工程設(shè)計(jì)(論文)題目：空間域和頻率域結(jié)合的圖像增強(qiáng)技術(shù)及實(shí)現(xiàn)指 導(dǎo) 教 師:曹 芳 2012年 12月20日開題報(bào)告填寫要求1開題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效；2開題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師

2、簽署意見；3“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報(bào)告第一欄目?jī)?nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）；4有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國(guó)標(biāo)GB/T 74082005數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述空域法與時(shí)域法相結(jié)合的圖像增強(qiáng)一、研究的目的和意義圖像增強(qiáng)是指根據(jù)特定的需要突出圖像中的重要信息，同時(shí)減弱或去除不

3、需要的信息。從不同的途徑獲取的圖像，通過進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑鰪?qiáng)處理，可以將原本模糊不清甚至根本無法分辨的原始圖像處理成清晰的富含大量有用信息的可使用圖像，有效地去除圖像中的噪聲、增強(qiáng)圖像中的邊緣或其他感興趣的區(qū)域，從而更加容易對(duì)圖像中感興趣的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和測(cè)量。它一般要借助人眼的視覺特性，以取得看起來較好地視覺效果，其手段主要可分為空域法和時(shí)域法1。二、圖像增強(qiáng)的發(fā)展現(xiàn)狀 圖像增強(qiáng)的早期應(yīng)用是對(duì)宇宙飛船發(fā)回的圖像所進(jìn)行的各種處理。到了70 年代，圖像處理技術(shù)的應(yīng)用迅速?gòu)挠詈筋I(lǐng)域擴(kuò)展到生物醫(yī)學(xué)、信息科學(xué)、資源環(huán)境科學(xué)、天文學(xué)、物理學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、教育、藝術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域與行業(yè)，對(duì)經(jīng)濟(jì)、軍事、文化及人們

4、的日常生活產(chǎn)生重大的影響2。三、空間域和頻率域圖像增強(qiáng)處理基本原理及優(yōu)缺點(diǎn)比較：圖像增強(qiáng)可分成兩大類：頻率域法和空間域法。前者把圖像看成一種二維信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行基于二維傅里葉變換的信號(hào)增強(qiáng)。采用低通濾波（即只讓低頻信號(hào)通過）法，可去掉圖中的噪聲；采用高通濾波法，則可增強(qiáng)邊緣等高頻信號(hào)，使得模糊的圖片變得清晰3。后者是直接對(duì)原圖象的灰度級(jí)別進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，它分為兩類，一類是與象素點(diǎn)鄰域有關(guān)的局部運(yùn)算，如平滑，中值濾波，銳化等；另一類是對(duì)圖象做逐點(diǎn)運(yùn)算，稱為點(diǎn)運(yùn)算如灰度對(duì)比度擴(kuò)展，削波，灰度窗口變換，直方圖均衡化等4。下面將討論兩種作用域增強(qiáng)算法的技術(shù)要點(diǎn)，并對(duì)其圖像增強(qiáng)方法進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。3.1 空間

5、域圖像增強(qiáng)的方法空間域處理是直接對(duì)原圖像的灰度級(jí)別進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，具體可分為以下幾類:1.灰度變換5當(dāng)圖像成像時(shí)曝光不足或過度，圖像記錄設(shè)備的范圍太窄等因素，都會(huì)產(chǎn)生對(duì)比不足的問題，使圖像的細(xì)節(jié)分辨不清。為此需對(duì)每一像素的灰度級(jí)進(jìn)行變換，擴(kuò)大圖像灰度的范圍，達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。設(shè)原圖像中像素點(diǎn)(x,y)處的灰度級(jí)為f(x,y)，通過映射函數(shù)T，生成的圖像的灰度級(jí)為g(x,y)，即： g(x,y)=Tf(x,y) (1)優(yōu)勢(shì)：可以充分利用圖像中的亮度信息，明顯改善圖像質(zhì)量，是一種常用的圖像增強(qiáng)算法。不足：對(duì)于受噪聲影響明顯的圖像，該算法增強(qiáng)效果不明顯。即不能有效地抑制噪聲。而且，僅僅利用了圖像中的

6、局部信息。2.直方圖變換6直方圖表示數(shù)字圖像中每一灰度級(jí)與其出現(xiàn)的頻數(shù)（具有該灰度級(jí)的像素的數(shù)目）間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，橫坐標(biāo)表示灰度級(jí)，縱坐標(biāo)表示頻數(shù)（或相對(duì)頻數(shù)=頻數(shù)/總像素?cái)?shù)）。直方圖能給出圖像的概貌性描述，如圖像的灰度范圍、灰度級(jí)的大致分布情況等。主要方法有：（1）直方圖均衡化把原圖像的直方圖變換為各灰度值頻率固定的直方圖稱為直方圖均衡化。（2）直方圖正態(tài)化如果灰度的頻率分布接近正態(tài)分布的形狀，通常認(rèn)為適合于人眼觀察。但如果把與正態(tài)分布形狀相差較大的圖像勉強(qiáng)進(jìn)行直方圖正態(tài)化時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生問題。如當(dāng)原圖像的某一灰度的頻率很高，而正態(tài)分布所對(duì)應(yīng)的該灰度值的頻率變得較低，就會(huì)造成這部分信息被壓縮和丟

7、失的情況。因此，直方圖正態(tài)化對(duì)于衛(wèi)星圖像那種原圖像的動(dòng)態(tài)范圍窄，且不夠鮮明的圖像是非常有效。 （3）算法先計(jì)算原圖像的灰度直方圖；再計(jì)算原圖像的灰度累積分布函數(shù)，然后進(jìn)一步求出灰度變換表；根據(jù)灰度變換表，將原圖像各灰度級(jí)映射為新的灰度級(jí)。在MATLAB中，histeq函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)直方圖均衡化。該命令對(duì)灰度圖像I進(jìn)行變換，返回有N級(jí)灰度的圖像J，J中的每個(gè)灰度級(jí)具有大致相同的像素點(diǎn)，所以圖像J的直方圖較為平坦，當(dāng)N小于I中灰度級(jí)數(shù)時(shí)，J的直方圖更為平坦，缺省的N值為64。（4）優(yōu)勢(shì)：能夠使得處理后圖像的概率密度函數(shù)近似服從均勻分布，其結(jié)果擴(kuò)張了像素值的動(dòng)態(tài)范圍，是一種常用的圖像增強(qiáng)算法。不足：不

8、能抑制噪聲。3.平滑7圖像在生成和傳輸過程中會(huì)受到各種噪聲源的干擾和影響，使圖像質(zhì)量變差。反映在圖像上，噪聲使原本均勻和連續(xù)變化的灰度突然變大或變小，形成一些虛假的物體邊緣或輪廓。抑制或消除這些噪聲而改善圖像質(zhì)量的過程稱為圖像的平滑。輸出圖像的值等于輸入圖像濾波后值的局部平均，各個(gè)項(xiàng)具有相同的權(quán)。下面是平滑窗口分別為矩形和圓形的情況。 其方法主要有：（1）鄰域平均法在鄰域平均法中，假定圖像是由許多灰度恒定的小塊組成，相鄰像素間有很強(qiáng)的空間相關(guān)性，而噪聲是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立地加到圖像上的。因此，可用像素鄰域內(nèi)個(gè)像素灰度值的平均來代表原來的灰度值。（2）低通濾波法從頻譜上看，噪聲特別是隨機(jī)噪聲是一種具有較高

9、頻率分量的信號(hào)。平滑的目的就是通過一定的手段濾去這類信號(hào)。一個(gè)很自然的想法就是使圖像經(jīng)過一個(gè)二維的低通數(shù)字濾波器，讓高頻信號(hào)得到較大的衰減。在空間域上進(jìn)行的這種濾波實(shí)際上就是對(duì)圖像和濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行卷積。(3)中值濾波法中值濾波的思想是對(duì)一個(gè)窗口內(nèi)的所有像素的灰度值進(jìn)行排序，取排序結(jié)果的中間值作為原窗口中心點(diǎn)處像素的灰度值。這種平滑方法對(duì)脈沖干擾和椒鹽類干擾噪聲的效果較好。中值濾波的關(guān)鍵在于選擇合適的窗口大小和形狀。但一般很難事先確定窗口的尺寸，通常是從小到大進(jìn)行多次嘗試。窗口的形狀可選為正方形，也可選為十字形。（4）優(yōu)勢(shì)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，去噪效果明顯。不足：去噪的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致結(jié)果圖像邊緣位置

10、的改變和細(xì)節(jié)模糊甚至丟失。4.圖像銳化8在圖像判斷和識(shí)別中，需要有邊緣鮮明的圖像。圖像尖銳化技術(shù)常用來對(duì)圖像的邊緣進(jìn)行增強(qiáng)。拉普拉斯銳化的基本方法可以由下式表示： (2)其主要方法有：（1）微分法在圖像的判斷和識(shí)別中，邊緣是由不同灰度級(jí)的相鄰像素點(diǎn)構(gòu)成的。因此，若想增強(qiáng)邊緣，就應(yīng)該突出相鄰點(diǎn)間的灰度級(jí)變化。微分運(yùn)算可用來求信號(hào)的變化率，具有加強(qiáng)高頻分量的作用。如果將其應(yīng)用在圖像上，可使圖像的輪廓清晰。由于常常無法事先確定輪廓的取向，因而在挑選用于輪廓增強(qiáng)的微分算子時(shí)，必須選擇那些不具備空間方向性和具有旋轉(zhuǎn)不變性的線性微分算子。（2）高通濾波法由于邊緣是由灰度級(jí)跳變點(diǎn)構(gòu)成的，因此，具有較高的空間

11、頻率。所以可用高通濾波法讓高頻分量順利通過，使低頻分量得到抑制。通過增強(qiáng)高頻分量，使圖像的邊緣變得清晰，實(shí)現(xiàn)圖像的尖銳化。這一思想反應(yīng)在空間域的處理中就是讓圖像和高通濾波器的沖擊響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行卷積。所用的表達(dá)式與低通濾波法中所用的相同，只是沖擊響應(yīng)函數(shù)不同。（3）優(yōu)勢(shì)：圖像模糊的部分得到了銳化，特別是模糊的邊緣部分得到了增強(qiáng)，邊界更加明顯。不足：圖像顯示清楚的地方，經(jīng)過濾波發(fā)生了失真，這也是拉氏算子增強(qiáng)的一大缺點(diǎn)。3.2 頻域圖像增強(qiáng)的方法頻域增強(qiáng)是利用圖像變換方法將原來的圖像空間中的圖像以某種形式轉(zhuǎn)換到其它空間中，然后利用該空間的特有性質(zhì)方便地進(jìn)行圖像處理，最后再轉(zhuǎn)換回原來的圖像空間中，從而得

12、到處理后的圖像。其的主要步驟是：(1) 選擇變換方法，將輸入圖像變換到頻域空間；(2) 在頻域空間中，根據(jù)處理目的設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)移函數(shù)并進(jìn)行處理；(3) 將所得結(jié)果用反變換得到圖像增強(qiáng)。具體可分為912：3.2.1低通濾波9圖像在傳遞過程中，由于噪聲主要集中在高頻部分，為去除噪聲改善圖像質(zhì)量，濾波器采用低通濾波器H(u，v)來抑制高頻成分，通過低頻成分，然后再進(jìn)行逆傅立葉變換獲得濾波圖像，就可達(dá)到平滑圖像的目的。在傅里葉變換域中，變換系數(shù)能反映某些圖像的特征，如頻譜的直流分量對(duì)應(yīng)于圖像的平均亮度，噪聲對(duì)應(yīng)于頻率較高的區(qū)域，圖像實(shí)體位于頻率較低的區(qū)域等，因此頻域常被用于圖像增強(qiáng)。在圖像增強(qiáng)中構(gòu)造低通

13、濾波器，使低頻分量能夠順利通過，高頻分量有效地阻止，即可濾除該領(lǐng)域內(nèi)噪聲。由卷積定理，低通濾波器數(shù)學(xué)表達(dá)式(3)為：G(u,v) = F(u,v)H(u,v) （1）式中，F(xiàn)(u,v)為含有噪聲的原圖像的傅里葉變換域；H(u,v)為傳遞函數(shù)；G(u,v)為經(jīng)低通濾波后輸出圖像的傅里葉變換。假定噪聲和信號(hào)成分在頻率上可分離，且噪聲表現(xiàn)為高頻成分。H 濾波濾去了高頻成分，而低頻信息基本無損失地通過。選擇合適的傳遞函數(shù)H(u,v)對(duì)頻域低通濾波關(guān)系重大。常用頻率域低濾波器H(u，v)有四種：(1) 理想低通濾波器設(shè)傅立葉平面上理想低通濾波器離開原點(diǎn)的截止頻率為D0，則理想低通濾波器的傳遞函數(shù)為： （

14、3）式中，D(u,v)=(u2+v2)1/2 表示點(diǎn)(u,v)到原點(diǎn)的距離，D0 表示截止頻率點(diǎn)到原點(diǎn)的距離。濾波后,如圖（1）圖1 理想低通濾波器應(yīng)用實(shí)例(2) Butterworth 低通濾波器n 階Butterworth 濾波器的傳遞函數(shù)為： （4）它的特性是連續(xù)性衰減，而不像理想濾波器那樣陡峭變化。(3) 指數(shù)低通濾波器 指數(shù)低通濾波器是圖像處理中常用的另一種平滑濾波器。它的傳遞函數(shù)為： （5） 濾波后,如圖（2）圖2 高斯低通濾波器應(yīng)用實(shí)例(4) 梯形低通濾波器梯形低通濾波器是理想低通濾波器和完全平滑濾波器的折中。它的傳遞函數(shù)為： （6） 3.2.2高通濾波10圖像中的細(xì)節(jié)部分與其頻

15、率的高頻分量相對(duì)應(yīng)，所以高通濾波可以對(duì)圖像進(jìn)行銳化處理。高通濾波器與低通濾波器的作用相反，它使高頻分量順利通過，而消弱低頻。圖像的邊緣、細(xì)節(jié)主要位于高頻部分，而圖像的模糊是由于高頻成分比較弱產(chǎn)生的。采用高通濾波器可以對(duì)圖像進(jìn)行銳化處理，是為了消除模糊，突出邊緣。因此采用高通濾波器讓高頻成分通過，使低頻成分削弱，再經(jīng)逆傅立葉變換得到邊緣銳化的圖像。常用的高通濾波器有：(1) 理想高通濾波器 二維理想高通濾波器的傳遞函數(shù)為： （7）濾波后,如圖（3）圖3 理想高通濾波器(2) 巴特沃斯高通濾波器n 階巴特沃斯高通濾波器的傳遞函數(shù)定義如下： （8）濾波后，如圖（4） 圖4巴特沃斯高通濾波器應(yīng)用實(shí)例(

16、3) 指數(shù)濾波器 指數(shù)高通濾波器的傳遞函數(shù)為： （9） 濾波后，如圖（5） 圖5 高斯高通濾波器應(yīng)用實(shí)例 (4) 梯形濾波器 梯形高通濾波器的定義為： （10）3.2.3帶通和帶阻11 帶通濾波器容許一定頻率范圍信號(hào)通過, 但減弱(或減少)頻率低于於下限截止頻率和高于上限截止頻率的信號(hào)的通過。帶阻濾波器減弱(或減少)一定頻率范圍信號(hào), 但容許頻率低于於下限截止頻率和高于上限截止頻率的信號(hào)的通過。3.2.4 各種頻域?yàn)V波器的優(yōu)缺點(diǎn)理想低通濾波器由于高頻成分包含有大量的邊緣信息，因此采用該濾波器在去噪聲的同時(shí)將會(huì)導(dǎo)致邊緣信息損失而使圖像邊模糊；Butterworth 低通濾波器在抑制噪聲的同時(shí)，圖

17、像邊緣的模糊程度大大減小，沒有振鈴效應(yīng)產(chǎn)生；采用指數(shù)低通濾波器濾波在抑制噪聲的同時(shí)，圖像邊緣的模糊程度較用Butterworth 濾波產(chǎn)生的大些，無明顯的振鈴效應(yīng)。梯形低通濾波器的性能介于理想低通濾波器和指數(shù)濾波器之間，濾波的圖像有一定的模糊和振鈴效應(yīng)12。四種高通濾波函數(shù)的選用類似于低通。理想高通有明顯振鈴現(xiàn)象，即圖像的邊緣有抖動(dòng)現(xiàn)象；Butterworth 高通濾波效果較好，但計(jì)算復(fù)雜，其優(yōu)點(diǎn)是有少量低頻通過，H(u，v)是漸變的，振鈴現(xiàn)象不明顯；指數(shù)高通效果比Butterworth 差些，振鈴現(xiàn)象不明顯；梯形高通會(huì)產(chǎn)生微振鈴效果，但計(jì)算簡(jiǎn)單，較常用。高通濾波器的濾波效果可以用原始圖像減去

18、低通濾波圖像后得到。也可以將原始圖像乘以一個(gè)放大系數(shù)，然后再減去低通濾波圖像后得到高頻增強(qiáng)圖像。3.3 空間域圖像增強(qiáng)技術(shù)和頻率域圖像增強(qiáng)技術(shù)比較由上可知頻域方法理論簡(jiǎn)單,運(yùn)算復(fù)雜度低,容易實(shí)現(xiàn)并行處理,具有直觀的去變形超分辨率機(jī)制,但是頻域法不能有效地應(yīng)用于多數(shù)場(chǎng)合,只能局限于全局平移運(yùn)動(dòng)和線性空間不變退化模型,所以無法單一成為研究的主流13 。空域方法所采用的觀測(cè)模型涉及全局和局部運(yùn)動(dòng)、空間可變模糊點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)、非理想亞采樣等,而且具有很強(qiáng)的包含空域先驗(yàn)約束的能力。但是算法相對(duì)復(fù)雜,計(jì)算量大,可以獲得更優(yōu)的圖像質(zhì)量14。由于空間域增強(qiáng)是直接在圖像所在的空間進(jìn)行處理，而頻率域增強(qiáng)是將原空間的圖

19、像以某種形式轉(zhuǎn)換到其他空間，然后利用該轉(zhuǎn)換空間的特有性質(zhì)進(jìn)行圖像處理，最后再轉(zhuǎn)換回原空間中，從而得到處理后的圖像。可以發(fā)現(xiàn)，兩種方法的優(yōu)勢(shì)可以互補(bǔ)兩種技術(shù)的結(jié)合可以使圖像的細(xì)部特征更加明顯，其圖像增強(qiáng)效果要好于單獨(dú)采用其中任意一種技術(shù)的處理結(jié)果15。四、小結(jié)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空頻域結(jié)合相結(jié)合的處理技術(shù)在數(shù)字圖像處理的過程中顯得越來越重要。小至個(gè)人的生活、工作，大到宇宙探測(cè)和遙感技術(shù)的應(yīng)用，空頻域結(jié)合的處理方式在數(shù)字圖像處理技術(shù)中起到的效果都是其他任何一種單一方法無法替代的，它將在圖像處理領(lǐng)域獨(dú)立占有一席天地，所以我們?nèi)沃囟肋h(yuǎn)，努力去探究這門技術(shù)，讓它發(fā)揮得更加淋漓盡致。參考文獻(xiàn)1美Rafae lC.Gonzalez,Richard E.Woods,Steven L.Ed2dins（阮秋琦等譯）.數(shù)字圖像處理(MATLAB版,國(guó)外電子與通信教材系列)M.北京:電子工業(yè)出社,2006.2孔大力,崔洋.數(shù)字圖像處理技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向J.山東水利職業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2012,2（1）:11-12.3Kenneth RCastleman（朱志剛譯）.數(shù)字圖像處理M.北京：電子工業(yè)出版社,1998.4鄭建英.數(shù)字圖像處理技術(shù)M.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)出版社,