数字图像处理与分析详细课件ch4

1、第第4 4章章 图像增强图像增强 图像噪声 图像增强方法分类 基于灰度变换的图像增强方法 基于直方图的图像增强方法 空间域滤波增强技术 频域滤波增强 彩色增强 第四章图像增强 第第4 4章章 图像增强图像增强 图像噪声图像噪声 目的：根据应用需要突出突出图像中的某些 “有用”信息，削弱或去除削弱或去除不需要的信息， 以达到扩大图像中不同物体特征之间的差 别。 图像增强算法并不能增加原始图像的信息并不能增加原始图像的信息， 而是通过某种技术手段有选择地突出有选择地突出对某 一具体应用有价值的信息。 第第4 4章章 图像增强图像增强 对于数字图像处理而言，噪声是指图像中 的非本源信息。因此，噪声会影响人的感 官对所接收的信源信息的准确理解。 第第4 4章章 图像增强图像增强 1. 图像噪声的产生图像噪声的产生 在图像形成过程中，图像数字化设备、电 气系统和外界影响将使得图像噪声的产生 不可避免 。 第第4 4章章 图像增强图像增强 2. 图像噪声分类图像噪声分类 图像噪声按其产生的原因可分为外部噪声和内部 噪声。一般情况下，数字图像中常见的外部干扰 主要包括如下几种： 设备元器件及材料本身

2、引起的噪声。如磁带、磁 盘表面缺陷所产生的噪声; 系统内部设备电路所引起的噪声，包括电源系统 引入的交流噪声，偏转系统和箝位电路引起的噪 声等; 电器部件机械运动产生的噪声。如数字化设备的 各种接头因抖动引起的电流变化所产生的噪声， 磁头、磁带抖动引起的抖动噪声等; 第第4 4章章 图像增强图像增强 3. 图像噪声特点图像噪声特点 叠加性；叠加性； 分布和大小的不规则性；分布和大小的不规则性； 噪声与图像之间具有相关性；噪声与图像之间具有相关性； 第第4 4章章 图像增强图像增强 图像增强方法分类 图像增强的定义 图像增强的目的 图像增强的技术方法 第第4 4章章 图像增强图像增强 图像增强的定义 按我们的需要突出一幅图像中的某些 “有用”信息，同时削弱另外一些“无 用”信息的图像处理方法。 返回 第第4 4章章 图像增强图像增强 图像增强（突出边界） 第第4 4章章 图像增强图像增强 图像增强（消除噪声） 返回 第第4 4章章 图像增强图像增强 图像增强的目的 通过对图像的处理，使图像比处理前 更适合一个特定的应用。也就是为了某种应 用目的去改善图像的质量。 返回 1. 改善图像的视

3、觉效果。 2. 突出图像的特征，便于计算机处理。 第第4 4章章 图像增强图像增强 图像增强的技术方法 主要有空域处理法和频域处理法 （1）空域处理法：直接在图像所在的二 维空间进行处理，即直接对每一像元的灰 度值进行处理。 （2）频域处理法：将图像从空间域变换 到频率域对图像进行处理。 第第4 4章章 图像增强图像增强 空间域空间域 图像增强图像增强 频率域频率域 灰度变换灰度变换 空域滤波空域滤波 直接灰度变换直接灰度变换 直方图修正法直方图修正法 图像的代数运算图像的代数运算 直方图均衡化直方图均衡化 直方图规定化直方图规定化 图像平滑图像平滑 图像锐化图像锐化 高通滤波高通滤波 低通滤波低通滤波 带通、带阻滤波带通、带阻滤波 图图4.1 图像增强的主要内容图像增强的主要内容 返回 第第4 4章章 图像增强图像增强 基于灰度变换的图像增强方法 基于空间域灰度变换的图像增强方法是一种 点处理方法。 点处理实际上是灰度到灰度的映射过程，设 输入图像每个像元的灰度值为A (x ,y)，输出图 像的灰度值为B (x ,y)，表示为： B (x ,y)=f A(x,y)， 显然点运算不会改

4、变图像内像素点之间的空 间关系。 第第4 4章章 图像增强图像增强 基于空域灰度变换的图像增强方法 直接灰度变换 基于图像的直方图进行灰度变换 对两个以上的图像进行代数运算实现灰度变换 返回 第第4 4章章 图像增强图像增强 直接灰度变换 直接灰度变换直接灰度变换 非线性拉伸非线性拉伸 线性拉伸线性拉伸 按比例线性拉伸按比例线性拉伸 分段线性拉伸分段线性拉伸 对数扩展对数扩展 指数扩展指数扩展 第第4 4章章 图像增强图像增强 线性拉伸：是将输入图像的灰度值的动态范围 按线性关系公式拉伸扩展到指定范围。包括按 比例线性拉伸和分段线性拉伸。 （1）按比例线性拉伸:将原始图像的灰度范围不加 区别的扩展。 f g ab a b 25521848 255 0 第第4 4章章 图像增强图像增强 第第4 4章章 图像增强图像增强 提高对比度举例 第第4 4章章 图像增强图像增强 灰度动态范围较窄 观察直方图分布 第第4 4章章 图像增强图像增强 对比度拉伸 灰度动态范围变宽 第第4 4章章 图像增强图像增强 灰度动态范围变宽 观察直方图分布 第第4 4章章 图像增强图像增强 第第4 4章章 图像增

5、强图像增强 25548 255 0 196 216 23 第第4 4章章 图像增强图像增强 非线性拉伸：是在整个灰度值范围内按照统一的 变换函数来实现对不同灰度值区间的扩展与压缩。 常用的有按对数函数扩展和按指数函数扩展。 按对数函数变换：低灰度区扩展，高灰度区压缩。 第第4 4章章 图像增强图像增强 按指数函数变换：高灰度区扩展，低灰度区压缩。 第第4 4章章 图像增强图像增强 原始图象 第第4 4章章 图像增强图像增强 非线性灰度变换 对数效应 第第4 4章章 图像增强图像增强 返回 非线性灰度变换 指数效应 第第4 4章章 图像增强图像增强 基于直方图的图像增强方法 灰度直方图：数字图像中每一灰度级与它出现的频率 之间的统计，可以理解为描述各个灰度级的像素出现 多少的统计图示。若用横坐标表示灰度级，纵坐标表 示频率，就可以看出图像中灰度的分布情况，例： 水泥微观结构图 与左图对应的直方图 第第4 4章章 图像增强图像增强 第第4 4章章 图像增强图像增强 较暗图象的直方图 P (r k) r k 第第4 4章章 图像增强图像增强 较亮图象的直方图 P (r k) r k 第第4

6、4章章 图像增强图像增强 对比度较低图象的直方图 P (r k) r k 第第4 4章章 图像增强图像增强 基于灰度直方基于灰度直方 图的图像增强图的图像增强 直方图均衡化直方图均衡化 直方图规定化直方图规定化 目的目的 原理及基本算法原理及基本算法 应用举例应用举例 目的目的 原理及处理步骤原理及处理步骤 应用举例应用举例 第第4 4章章 图像增强图像增强 直方图均衡化 1) 目的 将原始图像的直方图变为均衡分布的形式， 即将一已知灰度概率密度分布的图像，经过某种 变换，变成一幅具有均匀灰度概率密度分布的新 图像。 图像均衡化处理后，图像的直方图是平直的， 即各灰度级具有相同的出现频数，那么由于灰度 级具有均匀的概率分布，图像看起来就更清晰了。 第第4 4章章 图像增强图像增强 对比度较高图象的直方图 P (r k) r k 第第4 4章章 图像增强图像增强 第第4 4章章 图像增强图像增强 第第4 4章章 图像增强图像增强 第第4 4章章 图像增强图像增强 第第4 4章章 图像增强图像增强 第第4 4章章 图像增强图像增强 第第4 4章章 图像增强图像增强 直方图均衡化 2. 原理

7、 首先假定连续灰度级的情况，推导直方图均 衡化变换公式，令r 代表灰度级，P ( r )为概 率密度函数。r 值已归一化，最大灰度值为1。 第第4 4章章 图像增强图像增强 连续灰度的直方图非均匀分布 第第4 4章章 图像增强图像增强 连续灰度的直方图均匀分布 第第4 4章章 图像增强图像增强 直方图均衡化 目标 直方图均衡化 第第4 4章章 图像增强图像增强 要找到一种变换S=T ( r) 使直方图变平直， 为使变换后的灰度仍保持从黑到白的单一变 化顺序，且变换范围与原先一致，以避免整 体变亮或变暗。必须规定： （1）在0r1中，T(r)是单调递增函数， 且0T(r)1； （2）反变换r=T-1(s),T-1(s)也为单调递增函 数，0s1。 第第4 4章章 图像增强图像增强 rjrj+r sj sj+s 直方图均衡化变换公式推导图示 第第4 4章章 图像增强图像增强 考虑到灰度变换不影响像素的位置分 布，也不会增减像素数目。所以有 )(1)()( 000 rTsdsdsspdrrp rss r drrprT 0 ) 12()()( 第第4 4章章 图像增强图像增强 应用到离散灰度级

8、，设一幅图像的像素 总数为n，分L个灰度级。 n k : 第k个灰度级出现的个数。 第k个灰度级出现的概率：P(r k)=nk /n 其中0rk1，k=0,1,2,.,L-1 形式为： )22()()( 00 k j k j j jkk n n rprTs 第第4 4章章 图像增强图像增强 3.基本步骤: (1) 求出图像中所包含的灰度级rk,可以定为0L-1, (2) 统计各灰度级的像素数目nk(k=0,1,2,L-1) (3) 计算图像直方图 (4) 计算变换函数： (5) 用变换函数计算映射后输出的灰度级Sk (6) 统计映射后新的灰度级Sk的像素数目nk (7) 计算输出图像的直方图 第第4 4章章 图像增强图像增强 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，个灰度级， 灰度分布如表所示。进行灰度分布如表所示。进行直直方图均衡化方图均衡化。 r k r0=0 r1=1/7 r2=2/7 r3=3/7 r4=4/7 r5=5/7 r6=6/7 r7=1 n k 790 1023 850 656 329 245 122

9、 81 P (r k ) 0.19 0.25 0.21 0.16 0.08 0.06 0.03 0.02 第第4 4章章 图像增强图像增强 步骤：步骤： 例例 r k r0=0 r1=1/7 r2=2/7 r3=3/7 r4=4/7 r5=5/7 r6=6/7 r7=1 n k 790 1023 850 656 329 245 122 81 P (r k ) 0.19 0.25 0.21 0.16 0.08 0.06 0.03 0.02 第第4 4章章 图像增强图像增强 (1) (1) 由由（2 2- -2 2）式计算式计算s s k k S k计算 计算 0.19 0.44 0.65 0.81 0.89 0.95 0.98 1.00 例例 r k r0=0 r1=1/7 r2=2/7 r3=3/7 r4=4/7 r5=5/7 r6=6/7 r7=1 n k 790 1023 850 656 329 245 122 81 P (r k ) 0.19 0.25 0.21 0.16 0.08 0.06 0.03 0.02 第第4 4章章 图像增强图像增强 S k舍入 舍入 1/7 3/7 5/7 6/7 6/7 1 1 1 (2) (2) 把计算的把计算的s sk k就近安排到就近安排到8 8个个 灰度级中。灰度级中。 例例 S k计算 计算 0.19 0.44 0.65 0.81 0.89 0.95 0.98 1.00 r k r0=0 r1=1/7 r2=2/7 r3=3/7 r4=4/7 r5=5/7 r6=6/7 r7=1 n k 790 1023 850 656 329 245 122 81 P (r k ) 0.19 0.25 0.21 0.16 0.08 0.06 0.03 0.02 第第4 4章章 图像增强图像增强 S k s0 s1 s2 s3 s4 nsk 790 1023 850 985 448 P (s k ) 0.19 0.25 0.21 0.24 0.11 (3) (3) 重新命名重新命名s sk k， ，归并相同灰度 归并相同灰度 级的像素数。级的像素数。 例例 S k计算

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