機(jī)器學(xué)習(xí)第三章課件

1、數(shù)字圖像處理數(shù)字圖像處理主講：梁毅雄中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院計(jì)算機(jī)樓407(圖形與圖像實(shí)驗(yàn)室)空間域圖像增強(qiáng)空間域圖像增強(qiáng)本章要點(diǎn)o背景知識(shí) o點(diǎn)運(yùn)算 o直方圖處理o算術(shù)/邏輯操作增強(qiáng)o空間濾波基礎(chǔ)o平滑空間濾波o銳化空間濾波o混合空間增強(qiáng)背景知識(shí)o圖象質(zhì)量退化:l對(duì)比度問題：對(duì)比度局部或全部偏低,影響圖象視覺 l噪聲干擾問題：使圖象蒙受干擾和破壞l清晰度下降問題,使圖象模糊不清,甚至嚴(yán)重失真o圖象增強(qiáng)的目的：針對(duì)圖象的退化和不足，改善圖象的質(zhì)量以較好地滿足實(shí)際的需要背景知識(shí)o圖象增強(qiáng)并不去估計(jì)圖象實(shí)際退化的過程和實(shí)際退化的因素而加以矯正,而只是考慮圖象退化的一般性質(zhì),加以修正,以求得一般的

2、或平均地圖象質(zhì)量的改進(jìn)。例如,邊緣銳化去模糊、平滑去噪聲、直方圖修正對(duì)比度增強(qiáng)等；o圖象增強(qiáng)還可能為了人類視覺的需要, 使圖象的內(nèi)容更突出，更容易被獲取，并不關(guān)心和原始圖象是否一致，甚至人為地畸變?cè)紙D象,以達(dá)到視覺增強(qiáng)的效果。例如,偽彩色圖象增強(qiáng):將不同灰度的圖象賦以不同的彩色,以增強(qiáng)人類的視覺感知,在醫(yī)學(xué)圖象處理中經(jīng)常采用。背景知識(shí)背景知識(shí)o圖像增強(qiáng)分為兩類：l空間域增強(qiáng)：空間域增強(qiáng)是以對(duì)圖像的像素直接處理l頻域增強(qiáng)：是以修改圖像的傅立葉變換為基礎(chǔ)的o空間域增強(qiáng)：g(x, y)=Tf(x, y)lf(x, y)是原圖像lg(x, y)是處理后的圖像lT是作用于f的操作，定義在(x, y)的

3、鄰域背景知識(shí)o空間域增強(qiáng)的簡化形式：s =T(r) （即點(diǎn)運(yùn)算）lr是f(x, y)在任意點(diǎn) (x, y)的灰度級(jí)ls是g(x, y)在任意點(diǎn)(x, y)的灰度級(jí)空間域圖像增強(qiáng)空間域圖像增強(qiáng)本章要點(diǎn)o背景知識(shí) o點(diǎn)運(yùn)算o直方圖處理o算術(shù)/邏輯操作增強(qiáng)o空間濾波基礎(chǔ)o平滑空間濾波o銳化空間濾波o混合空間增強(qiáng)點(diǎn)運(yùn)算o點(diǎn)運(yùn)算將輸入圖象映射為輸出圖象，輸出圖象每個(gè)象素點(diǎn)的灰度值僅由對(duì)應(yīng)的輸入象素點(diǎn)的值決定。它常用于改變圖象的灰度范圍及分布，是圖象數(shù)字化及圖象顯示的重要工具。點(diǎn)運(yùn)算因其作用性質(zhì)有時(shí)也被稱為對(duì)比度增強(qiáng)、對(duì)比度拉伸或灰度變換；o點(diǎn)運(yùn)算可以是線性的，也可以是平方的,對(duì)數(shù)的,或其它任意單調(diào)函數(shù)的

4、灰度變換；o點(diǎn)運(yùn)算可以利用一個(gè)LUT（Look-up table）容易實(shí)現(xiàn)（或在彩色至少R、G、B三個(gè)LUT）。點(diǎn)運(yùn)算：一些基本灰度變換函數(shù)點(diǎn)運(yùn)算：圖像反轉(zhuǎn)o圖像反轉(zhuǎn)： s = L 1 r點(diǎn)運(yùn)算：對(duì)數(shù)運(yùn)算o對(duì)數(shù)運(yùn)算： s = clog(1 + r)，c為常數(shù)，r 0o有時(shí)原圖的動(dòng)態(tài)范圍太大，超出某些顯示設(shè)備的允許動(dòng)態(tài)范圍，如直接使用原圖，則一部分細(xì)節(jié)可能丟失o解決辦法是對(duì)原圖進(jìn)行灰度壓縮，如對(duì)數(shù)變換點(diǎn)運(yùn)算：冪次變換o冪次變換：0, 0,ccrs點(diǎn)運(yùn)算：冪次變換o冪次變換：伽馬校正點(diǎn)運(yùn)算：冪次變換o冪次變換點(diǎn)運(yùn)算：冪次變換o冪次變換點(diǎn)運(yùn)算：冪次變換o冪次變換點(diǎn)運(yùn)算：對(duì)比拉伸o對(duì)比拉伸l低對(duì)比度圖

5、像：照明不足、成像傳感器動(dòng)態(tài)范圍太小或圖像獲取過程中透鏡光圈設(shè)置錯(cuò)誤等l思想：提高圖像處理時(shí)灰度級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍o在實(shí)際應(yīng)用中,為了突出圖像中感興趣的研究對(duì)象，常常要求局部擴(kuò)展拉伸某一范圍的灰度值，或?qū)Σ煌秶幕叶戎颠M(jìn)行不同的拉伸處理，即分段線性拉伸。 o分段線性拉伸是僅將某一范圍的灰度值進(jìn)行拉伸，而其余范圍的灰度值實(shí)際上被壓縮了。點(diǎn)運(yùn)算：對(duì)比拉伸o對(duì)比拉伸：為了保持灰度級(jí)的次序，避免在處理過程中圖像產(chǎn)生的人為強(qiáng)度，一般假定函數(shù)單值單調(diào)增加常用的幾種分段線性拉伸的示意圖 :其對(duì)應(yīng)的變換公式如下:點(diǎn)運(yùn)算：對(duì)比拉伸o對(duì)比拉伸點(diǎn)運(yùn)算：灰度切割o灰度切割：提高圖像中特定灰度范圍的亮度點(diǎn)運(yùn)算：位圖切割o位

6、圖切割l位平面切片：假設(shè)圖像中每個(gè)像素的灰度級(jí)是256，這可以用8位來表示，假設(shè)圖像是由8個(gè)1位平面組成，范圍從位平面0到位平面7。其中，位平面0包含圖像中像素的最低位，位平面7包含像素的最高位點(diǎn)運(yùn)算：位圖切割o位圖切割l通過對(duì)特定位提高亮度，改善圖像質(zhì)量較高位（如前4位）包含大多數(shù)視覺重要數(shù)據(jù)l較低位（如后4位）對(duì)圖像中的微小細(xì)節(jié)有作用l分解為位平面，可以分析每一位在圖像中的相對(duì)重要性點(diǎn)運(yùn)算：位圖切割o位圖切割點(diǎn)運(yùn)算：位圖切割o位圖切割空間域圖像增強(qiáng)空間域圖像增強(qiáng)本章要點(diǎn)o背景知識(shí) o點(diǎn)運(yùn)算o直方圖處理o算術(shù)/邏輯操作增強(qiáng)o空間濾波基礎(chǔ)o平滑空間濾波o銳化空間濾波o混合空間增強(qiáng)直方圖o定義：

7、將所收集的測(cè)定值或數(shù)據(jù)之全距分為幾個(gè)相等的區(qū)間作為橫軸,并將各區(qū)間內(nèi)之測(cè)定值所出現(xiàn)次數(shù)累積而成的面積,用柱子排起來的圖形； o表示圖像中具有某種屬性（如灰度、顏色等）的像素的個(gè)數(shù),反映了圖像中每種屬性級(jí)出現(xiàn)的頻率,是圖像的基本統(tǒng)計(jì)特征之一。直方圖o一個(gè)灰度級(jí)在范圍0，L-1的數(shù)字圖像的直方圖是一個(gè)離散函數(shù)h(rk)= nknk是圖像中灰度級(jí)為rk的像素個(gè)數(shù)rk 是第k個(gè)灰度級(jí)，k = 0,1,2,L-1o歸一化的直方圖： p(rk)= nk/n，n是圖像的像素總數(shù)直方圖直方圖均衡化o直方圖均衡化是通過灰度變換將一幅圖象轉(zhuǎn)換為另一幅具有均衡直方圖，即在每個(gè)灰度級(jí)上都具有相同的象素點(diǎn)數(shù)的過程。這樣

8、就增加了像素灰度值的動(dòng)態(tài)范圍，從而達(dá)到增強(qiáng)圖像整體對(duì)比度的效果o使用的方法是灰度級(jí)變換：s = T(r)直方圖均衡化o設(shè)函數(shù)s = f(r) (0r 1)滿足：o f(r) (0r 1) 單值且單調(diào)遞增；o當(dāng)0r 1 時(shí)， 0f(r) 1 （條件1保證原圖各灰度級(jí)在變換后仍保持從黑到白（或從白到黑）的排列次序；條件2保證變換前后灰度值動(dòng)態(tài)范圍的一致性）它將輸入圖象A(x, y)轉(zhuǎn)換為輸出圖象B(x, y)，輸入圖象的直方圖為HA (r)，輸出圖象的直方圖為HB (s)，則它們的關(guān)系可由如下過程導(dǎo)出：直方圖均衡化o目標(biāo)： HB (s)1由右圖可知：故只需即drrHdssHAB)()(drdsrH

9、sHAB/)()()(/rHdrdsArAdrrHs0)(直方圖均衡化o對(duì)于離散值： pr (rk )= nk/n，已知變換函數(shù)的離散形式為：均衡化后各像素的灰度值可直接由原圖像的直方圖算出。kjjkjjrkknnrprTs00)()(1,.,1 , 0, 10Lkrk直方圖均衡化o 8個(gè)灰度等級(jí)原始直方圖kjjkjjrkknnrprTs00)()(原始直方圖累積直方圖重新量化確定對(duì)應(yīng)關(guān)系新的直方圖直方圖均衡化直方圖均衡化直方圖均衡化直方圖匹配o直方圖匹配是指將一幅圖象通過灰度變換后，使其具有特定的直方圖形式，如使圖象A(x,y)與某一標(biāo)準(zhǔn)圖象C(x,y)具有相同的直方圖，或使圖象具有某一特定

10、函數(shù)形式。o目標(biāo)： A(x,y) C(x,y)o方法：分別將A和C直方圖均衡化：即有)(),(zgsrfs)(1rfgz直方圖匹配直方圖匹配直方圖匹配直方圖匹配局部直方圖增強(qiáng)空間域圖像增強(qiáng)空間域圖像增強(qiáng)本章要點(diǎn)o背景知識(shí) o點(diǎn)運(yùn)算o直方圖處理o算術(shù)/邏輯操作增強(qiáng)o空間濾波基礎(chǔ)o平滑空間濾波o銳化空間濾波o混合空間增強(qiáng)算術(shù)/邏輯操作增強(qiáng)o算術(shù)運(yùn)算l加l減l乘l除:一幅圖像取反和另一幅圖像相乘o邏輯運(yùn)算l與l或l非算術(shù)運(yùn)算：加法o加法運(yùn)算的定義C(x, y) = A(x, y) + B(x, y)o主要應(yīng)用舉例l去除疊加性噪聲l生成圖像疊加效果算術(shù)運(yùn)算：加法o去除疊加性噪聲對(duì)于原圖像f(x, y)

11、,有一個(gè)噪聲圖像集 gi(x, y) i =1,2,.,N其中： gi(x, y) = f(x, y)+ hi(x, y)假設(shè)噪聲hi(x, y)均值為0，且互不相關(guān)N個(gè)圖像的均值定義為：gi(x, y) = 1/N(g0(x, y) + g1(x, y) + gN(x, y) )期望值E(g(x, y) ) = f(x, y) 上述圖像均值將降低噪聲的影響圖像加法去噪圖像加法去噪算術(shù)運(yùn)算：加法o生成圖像疊加效果對(duì)于兩個(gè)圖像f(x, y)和h(x, y)的均值有：g(x, y) = 1/2 f(x, y) + 1/2 h(x, y)推廣這個(gè)公式為：g(x, y) = f(x, y) + h(x

12、, y)其中+= 1可以得到各種圖像合成的效果，也可以用于兩張圖片的銜接算術(shù)運(yùn)算：減法o減法的定義C (x, y) = A (x, y) - B (x, y)o主要應(yīng)用舉例l顯示兩幅圖像的差異，檢測(cè)同一場(chǎng)景兩幅圖像之間的變化l去除不需要的疊加性圖案l圖像分割：如分割運(yùn)動(dòng)的車輛，減法去掉靜止部分，剩余的是運(yùn)動(dòng)元素和噪聲算術(shù)運(yùn)算：減法減去藍(lán)屏迭加背景算術(shù)運(yùn)算：減法算術(shù)運(yùn)算：減法算術(shù)運(yùn)算：乘法o乘法的定義C(x, y) = A(x, y) B(x, y)o主要應(yīng)用舉例l圖像的局部顯示l用二值蒙板圖像與原圖像做乘法算術(shù)運(yùn)算：乘法=邏輯運(yùn)算空間域圖像增強(qiáng)空間域圖像增強(qiáng)本章要點(diǎn)o背景知識(shí) o點(diǎn)運(yùn)算o直方圖

13、處理o算術(shù)/邏輯操作增強(qiáng)o空間濾波基礎(chǔ)o平滑空間濾波o銳化空間濾波o混合空間增強(qiáng)空間濾波基礎(chǔ)o使用空間模板進(jìn)行的圖像處理，被稱為空間濾波。模板本身被稱為空間濾波器o線性響應(yīng)：) 1, 1() 1 , 1 (), 1()0 , 1 (.),()0 , 0(.), 1()0 , 1() 1, 1() 1, 1(yxfwyxfwyxfwyxfwyxfwR空間濾波基礎(chǔ)o在MN的圖像f上，使用mn 的濾波器：其中，m = 2a + 1, n = 2b + 1,w(s, t)是濾波器系數(shù)，f(x, y)是圖像值o空間濾波的簡化形式：其中，w是濾波器系數(shù)，z是與該系數(shù)對(duì)應(yīng)的圖像灰度值，mn為濾波器中包含的像

14、素點(diǎn)總數(shù)aasbbttysxftswyxg),(),(),(mniiimnmnzwzwzwzwyxg12211),(空間域圖像增強(qiáng)空間域圖像增強(qiáng)本章要點(diǎn)o背景知識(shí) o點(diǎn)運(yùn)算o直方圖處理o算術(shù)/邏輯操作增強(qiáng)o空間濾波基礎(chǔ)o平滑空間濾波o銳化空間濾波o混合空間增強(qiáng)平滑空間濾波器o作用l模糊處理:去除圖像中一些不重要的細(xì)節(jié)l減小噪聲o平滑空間濾波器的分類l平滑線性濾波器：均值濾波器l統(tǒng)計(jì)排序?yàn)V波器（非線性濾波器）：最大值濾波器，中值濾波器，最小值濾波器平滑線性濾波器o包含在濾波器領(lǐng)域內(nèi)像素的平均值，也稱為均值濾波器o作用l減小圖像灰度的“尖銳”變化，減小噪聲l由于圖像邊緣是由圖像灰度尖銳變化引起的，

15、所以也存在邊緣模糊的問題平滑線性濾波器o盒濾波器：o加權(quán)均值濾波器：9191iizRaasbbtaasbbttswtysxftswyxg),(),(),(),(平滑線性濾波器用各種尺寸的掩模平滑圖像平滑線性濾波器提取感興趣物體而模糊圖像統(tǒng)計(jì)排序?yàn)V波器o什么是統(tǒng)計(jì)排序?yàn)V波器？l是一種非線性濾波器l基于濾波器所在圖像區(qū)域中像素的排序，由排序結(jié)果決定的值代替中心像素的值o分類l中值濾波器： 用像素領(lǐng)域內(nèi)的中間值代替該像素l最大值濾波器：用像素領(lǐng)域內(nèi)的最大值代替該像素l最小值濾波器：用像素領(lǐng)域內(nèi)的最小值代替該像素統(tǒng)計(jì)排序?yàn)V波器o中值濾波器l主要用途：去除噪聲l計(jì)算公式：R = mid zk | k =

16、 1,2,9o最大值濾波器l主要用途：尋找最亮點(diǎn)l計(jì)算公式：R = max zk | k = 1,2,9o最小值濾波器l主要用途：尋找最暗點(diǎn)l計(jì)算公式：R = min zk | k = 1,2,9中值濾波器o強(qiáng)迫突出的亮點(diǎn)（暗點(diǎn)）更象它周圍的值，以消除孤立的亮點(diǎn)（暗點(diǎn)）o在去除噪音的同時(shí)，可以比較好地保留邊的銳度和圖像的細(xì)節(jié)（優(yōu)于均值濾波器）o夠有效去除脈沖噪聲：以黑白點(diǎn)疊加在圖像上中值濾波器空間域圖像增強(qiáng)空間域圖像增強(qiáng)本章要點(diǎn)o背景知識(shí) o點(diǎn)運(yùn)算o直方圖處理o算術(shù)/邏輯操作增強(qiáng)o空間濾波基礎(chǔ)o平滑空間濾波o銳化空間濾波o混合空間增強(qiáng)銳化濾波器o主要用途l突出圖像中的細(xì)節(jié)，增強(qiáng)被模糊了的細(xì)節(jié)l

17、印刷中的細(xì)微層次強(qiáng)調(diào)。彌補(bǔ)掃描對(duì)圖像的鈍化l超聲探測(cè)成像，分辨率低，邊緣模糊，通過銳化來改善l圖像識(shí)別中，分割前的邊緣提取l銳化處理恢復(fù)過度鈍化、暴光不足的圖像l尖端武器的目標(biāo)識(shí)別、定位銳化濾波器o均值產(chǎn)生鈍化的效果，而均值與積分相似，由此而聯(lián)想到，微分能不能產(chǎn)生相反的效果，即銳化的效果？結(jié)論是肯定的。o一階微分的定義需滿足的條件：l平坦區(qū)域必為零；l在灰度階梯或斜坡的起始點(diǎn)處微分值非零；l沿斜坡面微分值非零；o二階微分的定義需滿足的條件：l平坦區(qū)域必為零；l在灰度階梯或斜坡的起始點(diǎn)處微分值非零；l沿斜坡面微分值非零；銳化濾波器o一階微分定義：o二階微分定義：)() 1(xfxfxf)(2)

18、1() 1(22xfxfxfxf銳化濾波器銳化濾波器o一階微分和二階微分的性質(zhì)l一階微分產(chǎn)生較粗的邊緣l二階微分對(duì)細(xì)節(jié)有更為強(qiáng)烈的響應(yīng)l一階微分對(duì)灰度階梯有較強(qiáng)的響應(yīng)l二階微分對(duì)灰度階梯產(chǎn)生雙響應(yīng)二階微分濾波器：拉普拉斯算子o圖像函數(shù)的拉普拉斯變換定義為o拉普拉斯算子是一個(gè)標(biāo)量而不是向量，具有線性特性和旋轉(zhuǎn)不變，即各向同性的性質(zhì)22222yfxff),(2), 1(), 1(22yxfyxfyxfxf),(2) 1,() 1,(22yxfyxfyxfyf),(4) 1,() 1,(), 1(), 1(2yxfyxfyxfyxfyxff拉普拉斯算子拉普拉斯算子o拉普拉斯變換對(duì)圖像增強(qiáng)的基本方法(1)用于拉普拉斯模板中心系數(shù)為負(fù)(2)用于拉普拉斯模板中心系數(shù)為正)2(),(),() 1 (),(),(),(22yxfyxfyxfyxfyxg拉普拉斯算子拉普拉斯算子)1,() 1,(), 1(), 1(),(5),(4)1,() 1