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1、信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.第3章 空域(kngy)图像增强技术图像增强的目的是使处理后的图像更适合于具体的应用，是面向问题的，例如：适合于处理X射线的技术并不一定适合于处理空间探测器传送的图像。图像增强是最有趣的和最生动的图像处理技术之一。判断标准：人的主观视觉图像增强技术从总体上说，可以分为两大类：空域增强和频域增强。空域增强是直接对图像平面中的像素进行处理，像前面已经介绍过的直方
2、图均衡、匹配等方法，都属于空域增强技术。频域增强则是将原定义在图像空间中的图像以某种形式转换（Fourier 变换）到其它空间（频率域）中，利用该空间的特有性质方便地进行图像处理，最后再转回原图像空间中。另外，两大类中的某些(mu xi)方法通常也被结合在一起来进行增强操作。第一页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.1 基础(jch)空域增强的一般(ybn)数学表达式：算子T操
3、作在(x,y)的某个邻域(neighborhood)上，例如(lr)33领域，或一输入图像集上第二页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.当领域为11，即只包含当前象素自己时，T成为灰度级变换(binhun)函数，此时的处理成为点处理。当更大的邻域被考虑时，往往成为掩码处理(mask processing)或者滤波。两个(lin)常用的灰度级变换函数：对照度拉伸和阈值函数第三页，共8
4、4页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.2 一些(yxi)基本的灰度变换第四页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.2.1 负变换(binhun)S=L-1-r,这里(zh
5、l)图像的灰度范围为0,L-1第五页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.2.2 对数变换其将使比较狭窄的低灰度级范围变得更宽，而较宽的高灰度级范围变得更窄，同时(tngsh)能够压缩象素值变化范围很大的图像，使之象素值分布范围更小。Fourier谱(01.5*106)第六页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference wheth
6、er one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.2.3 幂律变换(binhun)c1，而变化(binhu)时的各种变换规律第七页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.幂律变换的一个最好应用是伽马校正(Gamma correction)被广泛使用(shyng)在图像捕捉、打印和显示设备
7、上。第八页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.Gamma变换(binhun)用于通常的对照度操作第九页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.第十页，共84页。信息与物理工
8、程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.2.4 分段(fn dun)线性变换分段线性函数的主要有点是其形式可以任意(rny)复杂，主要缺点是其说明需要更多的用户输入。对照度拉伸(l shn)变换：a)分段线性函数b)低对照度放大约700倍的花粉SEM图像c)对照度拉伸结果d)灰度阈值化处理第十一页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether
9、 one sees darkness through the light or brightness through the shadows.灰度切割(qig)(slicing):主要用于突出某个特定的灰度范围，从而增强(zngqing)某个专门的特征，如卫星图像中的水团。第十二页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.位平面(pngmin)切割(bit-plane slicing):
10、该操作主要是为突出图像中的某个具体的位对整个图像外表的贡献(gngxin)。可以把一副数字图像分解成位平面的组合，分析图像每个位的相对重要性，从而在图像量化时可以帮助决定所使用的位数是否足够，这种分解在图像压缩中也有很大的作用。第十三页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.第十四页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whet
11、her one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.3 直方图处理(chl)直方图是大量的空域处理技术(jsh)的基础，直方图处理可以有效地用于图像增强。除了能提供有关图像的统计特征外，其所包含的信息还能用于其他很多的图像处理技术(jsh)，如图像分割、图像压缩等。其软件实现简单，可以做成固件，使其在实时图像处理中成为最受欢迎的工具。定义(dngy)：性质：第十五页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees d
12、arkness through the light or brightness through the shadows.直方图描述了每个灰度级具有的像素的个数，反映的是图像灰度的统计信息，但丢失了所有这些(zhxi)像素点的空间信息，即像素点的相对位置。因此，任一特定的图像有唯一的直方图，但反之并不成立。第十六页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.直方图反映的总体性质(xngzh)
13、：明暗程度、细节是否清晰、动态范围大小等第十七页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.四种典型(dinxng)灰度图像的直方图特征：(a)暗图像；(b)亮图像；(c)低对照度图像；(e)高对照度图像第十八页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the ligh
14、t or brightness through the shadows.直方图的计算(j sun)：通过面积求直方图（做实验）：第十九页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.直方图的用途(yngt)：1）数字化参数的选择：2）边界阈值(y zh)的选取：例：第二十页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one
15、sees darkness through the light or brightness through the shadows.第二十一页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.3.1 直方图均衡(jnhng)处理(equalization)用于直方图均衡化的函数s=T(r)必须满足两个条件:T(r)是一个单调递增的单值函数0 T(r)1，对0 r 1;以上s和r；分别表示输入
16、和输出图像的规一化灰度，即在0,1范围可以证明，概率累计分布函数就是(jish)所要的直方图均衡函数：第二十二页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.在离散(lsn)情况下：以上，k表示某个灰度级，L是整个灰度级的数目，在通常的8位图像下，为256。以上的方程就是通常所说的直方图均衡化或者线性化。很显然，该方程满足前面所说的两个条件。特点：虽然不象连续情况下时输出灰度完全满足均匀分布
17、，但从该方程明显可以看出，均衡化后的图像比原图像所跨越的灰度级范围(fnwi)更宽。另外，直方图处理是完全“自主”性质的，即该过程所需的参数完全来自图像本身，不需要任何额外的参数，是一种有力的自适应增强工具。还有，该技术实现起来也很简单。第二十三页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.rjrj+rsjsj+s第二十四页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all
18、the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.例例例：设图象有例：设图象有64*64=409664*64=4096个象素，有个象素，有8 8个灰度级，灰度分个灰度级，灰度分布布(fnb)(fnb)如表所示。进行直方图均衡化。如表所示。进行直方图均衡化。rkr0=0r1=1/7r2=2/7r3=3/7r4=4/7r5=5/7r6=6/7r7=1 nk 790102385065632924512281p(rk)第二十五页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学
19、It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.步骤步骤(bzhu)(bzhu)：rkr0=0r1=1/7r2=2/7r3=3/7r4=4/7r5=5/7r6=6/7r7=1 nk 790102385065632924512281p(rk)例例第二十六页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light
20、 or brightness through the shadows.1.1.由（由（2-22-2）式计算）式计算(j(j sun)sksun)sk。rkr0=0r1=1/7r2=2/7r3=3/7r4=4/7r5=5/7r6=6/7r7=1 nk 790102385065632924512281p(rk)sk计算计算(j sun)例例第二十七页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.
21、rkr0=0r1=1/7r2=2/7r3=3/7r4=4/7r5=5/7r6=6/7r7=1 nk 790102385065632924512281p(rk)sk计算计算(j sun)sk舍入舍入 1/73/75/76/76/71112.2.把计算把计算(j sun)(j sun)的的sksk就近就近安排到安排到8 8个灰度级中。个灰度级中。例例第二十八页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the sha
22、dows.rkr0=0r1=1/7r2=2/7r3=3/7r4=4/7r5=5/7r6=6/7r7=1 nk 790102385065632924512281p(rk)sk计算计算(j sun)sk舍入舍入 1/73/75/76/76/7111sk s s1 1s s3s5 5s6 6s s7nsk 7901023850985448p(sk)3.3.重新命名重新命名sksk，归并，归并(gubng)(gubng)相同灰度级的象相同灰度级的象素数。素数。例例第二十九页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees
23、darkness through the light or brightness through the shadows.直直方图均衡化方图均衡化均衡化前后(qinhu)直方图比较例例第三十页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.例：第三十一页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkne
24、ss through the light or brightness through the shadows.第三十二页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.直方图均衡化实质上是减少图象的灰度级以换取(hunq)对比度的加大。在均衡过程中，原来的直方图上频数较小的灰度级被归入很少几个或一个灰度级内，故得不到增强（？！）。若这些灰度级所构成的图象细节比较重要，则需采用局部区域直方图均衡
25、。第三十三页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.3.2 直方图匹配(ppi)/规定(specification)n 另外，直方图的规定没有什么规则可循。一般，可以(ky)根据特定的增强任务，采用试错的方法来得到想要的直方图规定。第三十四页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkne
26、ss through the light or brightness through the shadows.连续(linx)灰度的直方图原图第三十五页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.连续(linx)灰度的直方图规定第三十六页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness thr
27、ough the light or brightness through the shadows.令P(r)为原始图象的灰度密度(md)函数，P(z)是期望通过匹配的图象灰度密度(md)函数。对P(r)及P(z)作直方图均衡变换，通过直方图均衡为桥梁，实现P(r)与P(z)变换。第三十七页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.rjzk直方图匹配(ppi)变换公式推导图示第三十八页，共
28、84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.步骤(bzhu)：（1）由 将各点灰度由 r映射成s。（2）由 将各点灰度由 z映射成v。第三十九页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.
29、步骤：（3）根据v=G(z),z=G-1(v)由 于 v,s有 相 同 的 分 布(fnb)，逐一取 v=s，求出与r对应的z=G-1(s)。第四十页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.离散灰度级情况：由（1）、（2）计算得两张表，从中选取一对vk,sj，使vksj，并从两张表中查得对应的rj，zk。于是，原始图象中灰度级为rj 的所有象素均映射成灰度级zk。最终得到(d do)所
30、期望的图象。第四十一页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.第四十二页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.第四十三页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It make
31、s all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.3.3 局部(jb)增强前面所说的两种处理技术都是全局处理，用于整体增强。在某些情况下，用于增强某个小区域细节的局部增强技术是需要(xyo)的。局部增强其实就是基于邻域的空间域操作（更详细的讨论在3.5节），前面的方法同样可以使用，但此时处理的是一副图像中的某个子区域。简单实例：第四十四页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whethe
32、r one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.3.4 直方图统计(tngj)量用于增强m是图像平均灰度级的测度；而方差，通常表示为2，则代表(dibio)了图像的平均对照度。这两个量的更有力的应用是在局部增强中，不仅简单、灵活性大，而且局部均值和方差与图像的外观存在紧密的、可预测的对应关系。例：第四十五页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or b
33、rightness through the shadows.绕在支撑物上钨丝的SEM图像(t xin)（放大130倍）使用(shyng)统计量的局部增强结果第四十六页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.4 代数和逻辑运算增强(zngqing)n 逻辑操作(二进制掩膜，binary masking)基于点运算，对两副图像的单个象素进行操作（此时每个象素的值都被看成逻辑值），基本包
34、括与、或、非三者，其他(qt)任何逻辑操作都可通过三者之间的组合来完成。逻辑操作通常用于选择ROI(region of interest)，也常与形态学处理相结合。第四十七页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.第四十八页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through
35、the light or brightness through the shadows.3.4.1 图像(t xin)加第四十九页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.第五十页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness
36、 through the shadows.第五十一页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.4.2 图像(t xin)减图像减的重要作用之一是突出图像间的差异，最成功的商业(shngy)应用是医学图像中的掩码模式X光成像。第五十二页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness th
37、rough the light or brightness through the shadows.第五十三页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.4.3 图像(t xin)乘第五十四页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or bri
38、ghtness through the shadows.3.4.4 图像(t xin)乘第五十五页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.4.5 代数(dish)运算的应用平均去噪第五十六页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or br
39、ightness through the shadows.第五十七页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.5 空间(kngjin)滤波第五十八页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the s
40、hadows.基本(jbn)步骤：不过当模板的边界超出图像的边界时，要注意边界问题的处理，最常用的方法是填充(padding)，但其会影响(yngxing)图像的边界，影响(yngxing)程度随模板尺寸的增大而增加。第五十九页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.也称做滤波器(filter)、核(kernel)、模板(template)、窗口(window)。对mn的掩码（通常(t
41、ngchng)要求m,n必须是奇数）：这里：a=(m-1)/2，b=(n-1)/2，这种线性空间滤波(lb)也通常指“把图像与掩码进行卷积”，掩码也叫“卷积掩码”。从滤波(lb)器响应的角度讲，上式也可以简写称：第六十页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.5.1 空间(kngjin)平滑滤波器a)线性平滑(pnghu)滤波器平滑(pnghu)滤波通常被用作模糊图像和减少噪声。模
42、糊处理通常用在预处理阶段，如在目标抽取前用于移除小的细节，或者把线和曲线间的间隙连接起来。噪声减少可以用可以用线性的或非线性的滤波器来完成。第六十一页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.邻域平均相当于模板的元素全为1的情况(qngkung)，当还包含其他整数时，更适合的叫法是加权平均。平均法在一定程度上抑制(yzh)了噪声，但同时也会引起模糊线性，其程度与邻域半径成正比。第六十二页
43、，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.从左至右，从上到下分别为500500象素的原图像，和用大小分别为3、5、9、15和35的平方平均滤波器模板对原图像平滑(pnghu)的结果。第六十三页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brig
44、htness through the shadows.超限（基于阈值(y zh)的）邻域平均法：第六十四页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.b)排序(pi x)统计滤波器是一种非线性操作(cozu)，其响应是基于模板所包含图像区域内象素的排序结果来定的，用得最多的是中值滤波器，此外还有最大、最小滤波器等。中值滤波对脉冲噪声和椒盐噪声(salt-and pepper noise)特
45、别有效。第六十五页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.中值滤波(lb)的基本步骤：第六十六页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.一般来讲：第六十七页，共84页。信息与物
46、理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.5.2 空间(kngjin)锐化滤波器一阶导数和二阶导数的特征：1)一阶导数产生更厚的边缘；2）二阶导数对细的细节，如细线和孤立点的响应(xingyng)更强；3）一阶导数对灰度的阶跃变化响应(xingyng)更强烈，而二阶导数则会在此产生双响应(xingyng)；4）二阶导数在灰度变化相似时，其对线的响应(xingyng)要强于阶跃变化，对点的响应(xingy
47、ng)又强于线。第六十八页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.第六十九页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.3.5.2.1 二阶导数(do sh)增强Laplacian
48、算子具有(jyu)各向同性特征的线性变换算子:Laplacian算子（相当于线性高通滤波器）离散(lsn)实现：其具有90度旋转不变性，当对角方向的不变性（45度方向）也加上时，即得到如下右图的掩码：第七十页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.通过把原图像与锐化处理结果相减，可以既保留锐化效果(xiogu)，同时能恢复图像的背景特征。第七十一页，共84页。信息与物理工程学院 中南大
49、学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.反锐化掩膜和高提升(tshng)滤波（unsharp masking and high-boost filtering)见教材p132，自学第七十二页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the
50、shadows.3.5.2.2 一阶导数增强(zngqing)梯度算子在不再特殊说明时，通常把梯度(t d)矢量的幅度称为梯度(t d)。其具有旋转不变性。实际实现时通常采用如下近似：尽管其计算简单，也能反映(fnyng)灰度变化，但丧失了各向同性特征一阶导数算子的数字近似：a)Robert 交叉梯度算子b)Sobel梯度算子第七十三页，共84页。信息与物理工程学院 中南大学It makes all the difference whether one sees darkness through the light or brightness through the shadows.33掩模图