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1、第5章图像处理图像复原第1页，本讲稿共48页5.1 图像复原的基本概念T 什么是图像退化什么是图像退化?图像的质量下降叫做退化。退化的形式有模糊、失真、有噪声等T 图像退化的原因图像退化的原因无论是由光学、光电或电子方法获得的图像都会有不同程度的退化；退化的形式多种多样。如传感器噪声、摄像机未聚焦、物体与摄像设备之间的相对移动、随机大气湍流、光学系统的相差、成像光源或射线的散射等；如果我们对退化的类型、机制和过程都十分清楚，那么就可以利用其反过程来复原图像。第2页，本讲稿共48页 a)被正弦噪声干扰的图像 b)滤波效果图用巴特沃思带阻滤波器复原受正弦噪声干扰的图像5.1 图像复原的基本概念第3
2、页，本讲稿共48页 a)受大气湍流的严重影响的图像 b)用维纳滤波器恢复出来的图像维纳滤波器应用5.1图像复原的基本概念第4页，本讲稿共48页5.1图像复原的基本概念T图像复原图像复原将降质了的图像恢复成原来的图像，针对引起图像退化的原因，以及降质过程某先验知识，建立退化模型，再针对降质过程采取相反的方法，恢复图像T一般地讲，复原的好坏应有一个规定的客观标准，以能对复原的结果作出某种最佳的估计最佳的估计。第5页，本讲稿共48页5.1图像复原的基本概念T图像还原与增强的区别1图像退化原因决定还原方法2评价标准不同：a）突出感兴趣的那部分主观评估b）利用退化的逆过程恢复原始图像，客观评估：接近原图
3、像第6页，本讲稿共48页 无约束恢复 技术 有约束恢复 自动方法图像恢复 策略 交互方法 根据是否需要外来干预 空域 处理域 频域图像一般模型：线性移不变系统标准：非线性恢复、线性恢复5.1图像复原的基本概念第7页，本讲稿共48页5.2图像退化模型降质过程可看作对原图像f(x,y)作线性算。g(x,y)H f(x,y)+n(x,y)降质后 降质模型 噪声Hf(x,y)n(x,y)第8页，本讲稿共48页T以后讨论中对降质模型H作以下假设：H是线性的H是空间（或移位）不变的对任一个f(x,y)和任一个常数和都有：H f(x-,y-)=g(x-,y-)就是说图像上任一点的运算结果只取决于该点的输入值
4、，而与坐标位置无关。5.2图像退化模型第9页，本讲稿共48页f(i,j)：原始图像g(i,j)：降质图像H()：成像系统的作用，则：由于 函数的筛选性质（一幅图像可以看作是由一系列冲激函数组成的）5.2图像退化模型第10页，本讲稿共48页5.2图像退化模型第11页，本讲稿共48页其中*表示卷积运算。如果H()是一个可分离系统，即则二维运算可以分解为列和行两次一维运算来代替5.2图像退化模型第12页，本讲稿共48页5.2图像退化模型T在加性噪声情况下，图像退化模型可以表示为其中n(x,y)为噪声图像第13页，本讲稿共48页5.2图像退化模型T线性位移不变的图像退化模型则表示为：第14页，本讲稿共
5、48页5.2图像退化模型T重要结论一个线性系统完全可以由它的点扩散函数h(x,y,)来表征。若系统的PSF已知，则系统在（x，y）点的输出响应可看成是不同坐标处输入函数所产生的脉冲响应在（x，y）处的叠加而在实际降质过程中，降质的另一个复杂因素是随机噪声，考虑有噪声的图像恢复，必需知道噪声统计特性以及噪声和图像信号的相关情况，这是非常复杂的第15页，本讲稿共48页Hf(x,y)n(x,y)实际中假设是白噪声频谱密度为常数，且与图像不相关，（一般只要噪声带宽比图像带宽大得多时，此假设成立的），由此得出图像退化模型。5.2图像退化模型第16页，本讲稿共48页 讨论的前提是假设H是线性的，下面一些恢
6、复方法都是对上述模型的近似估计。两边进行付氏变换：讨论恢复问题：讨论恢复问题：若略去噪音N，得：反变换,可求 Ff 5.2图像退化模型第17页，本讲稿共48页 若H有零点，G也有零点出现，0/0的不定值，这样模型不保证所有逆过程都有解 由于引起退化的因素众多，而且性质不同，目前又没有统一的恢复方法，许多人根据不同的物理模型，采用不同的退化模型、处理技巧和估计准则，从而导出了多种恢复方法有效方法有效方法：针对特定条件，用特定模型处理5.2图像退化模型第18页，本讲稿共48页5.2.2离散的退化模型T对于图像降质过程进行数学建模f(i,j)：原始图像 y(i,j)：降质图像h(i,j;k,l)：点
7、扩散函数图像为MN维假设为空间移不变h(i,j;k,l)，则：第19页，本讲稿共48页5.3图像复原的方法T寻找滤波传递函数，通过频域图像滤波得到复原图像的傅立叶变换，再求反变换，得到复原图像非约束还原有约束还原非线性约束还原第20页，本讲稿共48页T退化模型：T逆过程：复原图像：当H(u,v)为0或很小时，原点附近：图像完全被噪声淹没，造成噪声放大 5.3.1反向滤波法病态第21页，本讲稿共48页T解决方法去除原点、设置原点值原点、邻域均不计算 f(x,y)H(u,v)n(x,y)g(x,y)M(u,v)恢复转移函数5.3.1反向滤波法第22页，本讲稿共48页5.3.2约束还原法T维纳滤波维
8、纳滤波恢复正是在假定图像信号可近似看作平稳随机过程的前提下，按照使原图像f(x,y)与恢复后的图像之间的均方误差e2达到最小的准则，来实现图像恢复。即：满足这一要求的转移函数为：第23页，本讲稿共48页5.3.2约束还原法T现象1）H(u,v)=0，无病态现象，分母不为02）SNR高时，同反向滤波法3）SNR低时，效果不满意T原因维纳滤波是基于平稳随机过程模型，且假设退化模型为线性空间不变系统的原因，这与实际情况存在一定差距。另外，最小均方误差准则与人的视觉准则不一定匹配第24页，本讲稿共48页T最大平滑复原准则：以函数平滑为基础1）使函数的二阶导数为最小。二阶导数是突出图像边缘、轮廓约束条件
9、：约束最小二乘需反复迭代才能完成5.3.2约束还原法第25页，本讲稿共48页2）用内积来考察函数f 的平滑性5.3.2约束还原法第26页，本讲稿共48页5.4运动模糊图像的复原T退化的原因为已知T对退化过程有先验知识，如希望能确定PSF和噪声特性即确定：h(x,y)与n(x,y)g(x,y)=Hf(x,y)+n(x,y)第27页，本讲稿共48页1根据导致模糊的物理过程（先验知识）1）大气湍流造成的传递函数 PSF5.4.1模糊模型c：与湍流性质有关的常数第28页，本讲稿共48页2）光学系统散焦传递函数 当光学系统散焦时，点光源的像将成圆盘。从公式可看出，散焦系统的传递函数在以原点为中心，d为半
10、径处存在零点，形成一些同心的暗环，由散焦图像的频谱上估计出这些同心圆的半径，可得到H（u,v）5.4.1模糊模型第29页，本讲稿共48页T均匀聚焦不准模糊 相机聚焦不准确引起，（不聚焦由许多参数决定：如相机的焦距、相机孔的大小、形状、物体和相机之间的距离等）在研究中为了简单起见，用下列函数表示聚焦不准引起的模糊：5.4.1模糊模型第30页，本讲稿共48页模糊后图像任意点的值：特点：图像的频谱在垂直于该方向上存在暗直线，可估出 的大小，运动方向 也可由图像的频谱估计出来已知：设相机不动，对象运动，运动分量x,y分别为x0(t)，y0(t)相机快门速度是理想的，快门开启时间（曝光时间）T。3）匀速
11、直线运动模糊下的PSF 相机与景物之间相对运动造成图像降质，H(u,v)运动模糊：5.4.1模糊模型第31页，本讲稿共48页2由图像中的点或线估计（后验知识）1）原始景物中有一清晰的点或点光源。由所成的像得到退化系统的PSF2）原始景物中确定一条线，成像，由直线产生模糊，根据模糊可以测定在于边缘垂直方向上的PSF断面曲线，得出一维PSF，如果PSF对称，旋转一维PSF得到二维PSF5.4.1模糊模型第32页，本讲稿共48页3由功率谱估计PSF4噪声n(x,y)的确定相关、不相关两类。一般假设：白色噪声，与图像无关。其频谱密度为常数。只要噪声带宽远大于图像带宽即可作白噪声处理从退化图像大块平坦区
12、中估计，一般不具备噪声先验知识。不同方法要不同特征参数方差，频谱5.4.1模糊模型第33页，本讲稿共48页5.4.2水平匀速直线运动引起模糊的复原T如果模糊图像是由景物在x方向上作均匀直线运动造成的，则模糊后图像任意点的值为去除由x方向上均匀运动造成的图像模糊后恢复图像的表达式 第34页，本讲稿共48页a)原始图像 b)模糊图像 c)复原图像运动模糊图像的恢复处理5.4.2水平匀速直线运动引起模糊的复原第35页，本讲稿共48页5.5图像的几何校正5.5.1几何畸变的描述5.5.2几何校正第36页，本讲稿共48页5.5图像的几何校正T例：从太空中宇航器拍摄的地球上的等距平行线，图像会变为歪斜或不
13、等距；用光学和电子扫描仪摄取的图像常会有桶形畸变和枕形畸变；用普通的光学摄影与测试雷达拍摄的同一地区的景物二者在几何形状上有较大的差异。T以一副图像为基准，去校正另一种方式摄入的图像，以校正其几何畸变，就叫做图像的几何畸变复原或者几何畸变校正。第37页，本讲稿共48页T几何校正就是一种几何变换，是图像的几何畸变的反运算，与几何变换类似，几何校正是由输出图像像素坐标反算输入图像坐标，然后通过灰度再采样求出输出像素灰度值。T图像几何校正的两个步骤 (1)空间变换：对图像平面上的像素进行重新排列以 恢复原空间关系 (2)灰度插值：对空间变换后的像素赋予相应的灰度 值以恢复原位置的灰度值5.5图像的几
14、何校正第38页，本讲稿共48页5.5.1几何畸变的描述几何基准图像的坐标系统用(x,y)来表示需要校正的图像的坐标系统用(x,y)表示设两个图像坐标系统之间的关系用解析式表示通常h1(x,y)和h2(x,y)用多项式来表示：第39页，本讲稿共48页T通常用线性畸变来近似较小的几何畸变T更精确一些可以用二次型来近似T若基准图像为f(x,y)，畸变图像为g(x,y)，对于景物上的同一个点，假定其灰度不变，则5.5.2几何校正第40页，本讲稿共48页5.5.2几何校正T几何变换通常用已知的多对对应点来确定系数a,b线性畸变可由基准图找出三个点(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)与畸变图像上
15、三个点(x1,y1),(x2,y2),(x3,y3)一一对应。第41页，本讲稿共48页5.5.2几何校正将对应点代入，有：解联立方程组，得出6个系数。第42页，本讲稿共48页二次畸变有12个未知量，需要6对已知对应点5.5.2 几何校正第43页，本讲稿共48页5.5.2几何校正代入上式记作矩阵形式同样有解方程组，得到ai，bi 12个系数。第44页，本讲稿共48页f(x,y)g(x,y)5.5.2 几何校正T内插法确定像素的灰度值几何变换是由输出图像像素坐标反算出输入图像坐标，但该坐标并非整数，需要进行灰度再采样。例：第45页，本讲稿共48页最近邻插值 双线性插值Nearest Neighbo
16、r BilinearT再采样是通过灰度插值来完成的5.5.2 几何校正第46页，本讲稿共48页作业问题5-1 图像退化的原因是什么？什么是图像恢复？图像恢 复与图像增强的区别？5-2a）图像的退化模型是什么？对降质模型有哪两个假设？b)点扩散函数是如何由冲击函数推导出来的？5-3离散图像退化模型是什么？5-4a）逆滤波复原、维纳滤波、约束最小平方滤波图 像恢复的约束条件及表示式是怎样的？b)非线性约束还原的两种方法？第47页，本讲稿共48页5-5 大气湍流造成的传递函数PSF、光学系统散焦传 递函数匀速直线运动模糊下的PSF5-6 图像恢复的相关指标有哪些？5-7 几何校正的两个步骤是什么？为何要进行灰度重采 样？有哪几种重采样方法？作业第48页，本讲稿共48页