CV03-圖像預處理2

1、第三章第三章 圖像預處理圖像預處理Chapter 3 Image Preprocessing目的目的 突出感興趣特征，服務于機器視覺突出感興趣特征，服務于機器視覺方法方法 （1 1）直接灰度變換（）直接灰度變換（比例變換比例變換）（）（2 2）直方圖修正）直方圖修正 空域：空域：直接對圖像各像素進行處理直接對圖像各像素進行處理 （3 3）濾波）濾波 頻域：先轉換處理，再逆變換為圖像頻域：先轉換處理，再逆變換為圖像圖像增強是采用一系列技術去改善圖像的視覺效果圖像增強是采用一系列技術去改善圖像的視覺效果, ,或將圖像轉或將圖像轉換成一種更適合于人或機器進行分析和處理的形式。換成一種更適合于人或機器

2、進行分析和處理的形式。), (), (ajifababajig 通過灰度變換函數將圖像各灰度映射為新的值通過灰度變換函數將圖像各灰度映射為新的值 令圖像令圖像f(i，j)的灰度范圍為的灰度范圍為a,b，線性變換線性變換后圖像后圖像g(i，j) 的范圍為的范圍為a ,b g(i，j)與與f(i，j)之間的關系式為：之間的關系式為：在曝光不足或過度的情況下，圖像灰度可能會局限在一個很小在曝光不足或過度的情況下，圖像灰度可能會局限在一個很小的范圍內。這時在顯示器上看到的將是一個模糊不清、似乎沒的范圍內。這時在顯示器上看到的將是一個模糊不清、似乎沒有灰度層次的圖像。采用線性變換對圖像每一個像素灰度作線

3、有灰度層次的圖像。采用線性變換對圖像每一個像素灰度作線性拉伸，可有效地改善圖像視覺效果。性拉伸，可有效地改善圖像視覺效果。 ffgMyxfbdbyxfbMdMbyxfacayxfabcdayxfyxfacyxg),(),()/()(),(),()/()(),(0),()/(),(設原圖像設原圖像f(x,y)在在0，Mf,感興趣目標的灰度范圍在感興趣目標的灰度范圍在a,b,欲使欲使其灰度范圍拉伸到其灰度范圍拉伸到c,d,則對應的則對應的分段線性變換分段線性變換表達式為表達式為注：注：通過細心調整折線拐點的通過細心調整折線拐點的位置及控制分段直線的斜率，位置及控制分段直線的斜率，可對任一灰度區(qū)間進

4、行拉伸或可對任一灰度區(qū)間進行拉伸或壓縮。壓縮。對比度擴展對比度擴展 MgMfg(x,y)f(x,y)baO MgMfg(x,y)f(x,y)aO對數變換對數變換 對數變換的一般表達式為對數變換的一般表達式為 cbjifajigln1), (ln), (當希望對圖像的低灰度區(qū)較當希望對圖像的低灰度區(qū)較大的拉伸而對高灰度區(qū)壓縮大的拉伸而對高灰度區(qū)壓縮時，可采用這種變換，它能時，可采用這種變換，它能使圖像灰度分布與人的視覺使圖像灰度分布與人的視覺特性相匹配。特性相匹配。f (i,j)g(i,j)指數變換指數變換 指數變換的一般表達式為指數變換的一般表達式為 1), (), (ajifcbjigg (

5、i,j)f (i,j)這種變換能對圖像的高灰這種變換能對圖像的高灰度區(qū)給予較大的拉伸。度區(qū)給予較大的拉伸。直方圖：直方圖：反映一幅圖象灰度級與出現這種灰度的概率之間關系反映一幅圖象灰度級與出現這種灰度的概率之間關系的圖形的圖形( (某灰度級的象素個數）某灰度級的象素個數）直方圖均衡化：直方圖均衡化：將原圖將原圖像通過某種變換，得到像通過某種變換，得到一幅灰度直方圖為均勻一幅灰度直方圖為均勻分布的新圖像的方法分布的新圖像的方法直方圖規(guī)定化：直方圖規(guī)定化：將原圖將原圖像灰度直方圖變成規(guī)定像灰度直方圖變成規(guī)定形狀的直方圖而對圖像形狀的直方圖而對圖像作修正的增強方法作修正的增強方法(a)原始圖像；原始

6、圖像；(b) 各個彩色通道的直方圖和亮度直方圖；各個彩色通道的直方圖和亮度直方圖；(c) 累積分布函數；累積分布函數；(d) 均衡均衡化（轉換）函數；化（轉換）函數；(e) 全局的直方圖均衡化；全局的直方圖均衡化；(f) 局部的直方圖均衡化。局部的直方圖均衡化。累積分布函數：累積分布函數： 兩個連續(xù)函數兩個連續(xù)函數f(x)和和g(x)的的卷積卷積定義為：定義為：若為離散函數，上式變?yōu)槿魹殡x散函數，上式變?yōu)?.),(),(),(),(),(ydxdyyxxgyxfyxgyxfyxh1010,nkmlljkiglkfjigjifjih作用：作用：在空間濾波、平滑、銳化等處理中，在空間濾波、平滑、銳

7、化等處理中，抑制噪聲，增強圖像抑制噪聲，增強圖像 的某些特征的某些特征實現方式：實現方式：模板模板模板模板111111111, g0000000000000000000000090909090900000090909090900000090909090900000090090909000000909090909000000000000000900000000000000000000000000000000000000000090909090900000090909090900000090909090900000090090909000000909090909000000000000000900

8、0000000000000000,lnkmflkgnmhlk.,.h.,.f111111111, g0000000000000000000000090909090900000090909090900000090909090900000090090909000000909090909000000000000000900000000000000000001000000000000000000000000909090909000000909090909000000909090909000000900909090000009090909090000000000000009000000000000000

9、000.,.h.,.f111111111, g,lnkmflkgnmhlk000000000000000000000009090909090000009090909090000009090909090000009009090900000090909090900000000000000090000000000000000000102000000000000000000000000909090909000000909090909000000909090909000000900909090000009090909090000000000000009000000000000000000.,.h.,.f

10、111111111, g,lnkmflkgnmhlk00000000000000000000000909090909000000909090909000000909090909000000900909090000009090909090000000000000009000000000000000000010203000000000000000000000000909090909000000909090909000000909090909000000900909090000009090909090000000000000009000000000000000000.,.h.,.f111111111

11、, g,lnkmflkgnmhlk01020303000000000000000000000000909090909000000909090909000000909090909000000900909090000009090909090000000000000009000000000000000000.,.h.,.f111111111, g,lnkmflkgnmhlk0102030300000000000000000000000090909090900000090909090900000090909090900000090090909000000909090909000000000000000

12、9000000000000000000.,.h.,.f111111111, g?,lnkmflkgnmhlk0102030305000000000000000000000000909090909000000909090909000000909090909000000900909090000009090909090000000000000009000000000000000000.,.h.,.f111111111, g?,lnkmflkgnmhlk000000000000000000000009090909090000009090909090000009090909090000009009090

13、90000009090909090000000000000009000000000000000000010203030302010020406060604020030609090906030030508080906030030508080906030020305050604020102030303030201010101000000.,.h.,.f111111111, g,lnkmflkgnmhlkh i jApBpCpDpEpFpGpHpIp , 123456789卷積是線性運算卷積是線性運算 ,22112211jifjigajifjigajifajifajig圖像平滑的目的圖像平滑的目的是

14、消除或盡量減少噪聲的影響，改善圖像的質量。是消除或盡量減少噪聲的影響，改善圖像的質量。假設假設噪聲是隨機獨立分布的噪聲是隨機獨立分布的，利用鄰域的平均或加權平均可以，利用鄰域的平均或加權平均可以有效的抑制噪聲干擾。有效的抑制噪聲干擾。從信號分析的觀點從信號分析的觀點圖像平滑本質上圖像平滑本質上低通濾波低通濾波。將信號的低頻部分通過，而阻。將信號的低頻部分通過，而阻截高頻的噪聲信號。截高頻的噪聲信號。實現方法：實現方法：每一個像素值用其局部鄰域內所有像素值的加權均每一個像素值用其局部鄰域內所有像素值的加權均值置換值置換NlklkfMjih),(,1,11111111191H作用：作用：相當于用相

15、當于用這樣的模板同圖這樣的模板同圖像卷積像卷積(a)(a)原圖像原圖像 (b) (b) 對對(a)(a)加椒鹽噪聲的圖像加椒鹽噪聲的圖像(c)3(c)33 3鄰域平滑鄰域平滑 (d) 5(d) 55 5鄰域平滑鄰域平滑 缺點：缺點：在降低噪聲的同時使圖像產生模糊，特別在邊緣和細節(jié)處。在降低噪聲的同時使圖像產生模糊，特別在邊緣和細節(jié)處。而且鄰域越大，在去噪能力增強的同時模糊程度越嚴重。而且鄰域越大，在去噪能力增強的同時模糊程度越嚴重。將將f(x,y)和鄰域平均和鄰域平均g(x,y)差的絕對值與選定的閾值進行比差的絕對值與選定的閾值進行比較較，根據比較結果決定點（，根據比較結果決定點（x,y）的最

16、后灰度）的最后灰度g (x,y)。其表。其表達式為達式為 (a)原圖像原圖像 (b)對對(a)加椒鹽噪聲的圖像加椒鹽噪聲的圖像(c)33鄰域平滑鄰域平滑 (d) 55鄰域平滑鄰域平滑(e)33超限像素平滑超限像素平滑(T=64)(f)55超限像素平滑超限像素平滑(T=48) 根據高斯函數選擇鄰域內各像素的權值根據高斯函數選擇鄰域內各像素的權值2222)(,jiejig隨著距離的增隨著距離的增大，對中心像大，對中心像素的影響減小素的影響減小l 旋轉對稱性：旋轉對稱性：在各個方向上的平滑是一致的，在后續(xù)邊緣檢在各個方向上的平滑是一致的，在后續(xù)邊緣檢 測中不會偏向任一方向。測中不會偏向任一方向。 單

17、調遞減：單調遞減：鄰域的影響隨著距離的增加而減弱，避免平滑運鄰域的影響隨著距離的增加而減弱，避免平滑運 算使圖像失真。算使圖像失真。 付氏頻譜是單瓣的：付氏頻譜是單瓣的：高斯函數付氏變換等于高斯函數本身，高斯函數付氏變換等于高斯函數本身， 能夠能夠保留所需信號。保留所需信號。 參數參數調節(jié)平滑程度：調節(jié)平滑程度：越大，高斯濾波器的頻帶就越寬，越大，高斯濾波器的頻帶就越寬， 平滑程度就越好，在過平滑與欠平滑之間取得平衡。平滑程度就越好，在過平滑與欠平滑之間取得平衡。 可分離性：可分離性：二維高斯函數卷積，可先按行進行一維高斯卷積，二維高斯函數卷積，可先按行進行一維高斯卷積， 再把結果按列進行一維

18、高斯卷積，降低計算復雜度。再把結果按列進行一維高斯卷積，降低計算復雜度。1 1）楊輝三角形逼近法）楊輝三角形逼近法 高斯函數的最佳逼近由二項式展開的系數決定高斯函數的最佳逼近由二項式展開的系數決定.210)1 (2nnxnnxnxnnx 01 11 2 11 3 3 11 4 6 4 11 5 10 10 5 11 6 15 20 15 6 15 5點逼近對應于楊點逼近對應于楊輝三角形的第輝三角形的第5 5行行2）直接法：）直接法： 直接根據高斯函數的離散值計算模板權值直接根據高斯函數的離散值計算模板權值 （1 1）計算離散值）計算離散值.,2222)(jicejig.,2222)(jiecj

19、ig i j , -3 -2 -1 0 1 2 3 -3 .011 .039 .082 .105 .082 .039 .011 -2 .039 .135 .287 .368 .287 .135 .039 -1 .082 .287 .606 .779 .606 .287 .082 0 .105 .368 .779 1.000 .779 .368 .105 1 .082 .287 .606 .779 .606 .287 .082 2 .039 .135 .287 .368 .287 .135 .039 3 .011 .039 .082 .105 .082 .039 .0112=2，n=7（2 2）

20、放大，取整）放大，取整 i j , -3 -2 -1 0 1 2 3 -3 1 4 7 10 7 4 1 -2 4 12 26 33 26 12 4 -1 7 26 55 71 55 26 7 0 10 33 71 91 71 33 10 1 7 26 55 71 55 26 7 2 4 12 26 33 26 12 4 3 1 4 7 10 7 4 1（3 3）規(guī)范化，使權值之和為）規(guī)范化，使權值之和為1 1.91011. 01011. 0 3 , 3011. 0 3 , 3)2(2)33(222gkekgg i jji , .11513333),*,(11511,jigjifjih( (左

21、左) ) 原始圖像，原始圖像，( (右右) )高斯噪聲高斯噪聲 ( (左左) )=1=1的的7 7* *7 7模板模板 ( (右右) )=2=2的的1313* *1313模板模板 ( (左左) )=3=3的的1919* *1919模板模板 ( (右右) )=4=4的的2525* *2525模板模板 基本過程：基本過程：（1 1）取鄰域）取鄰域（2 2）按亮度值大?。┌戳炼戎荡笮∨帕邢袼攸c排列像素點（3 3）選排序像素的）選排序像素的中間值作為中心點的中間值作為中心點的新值新值中值濾波中值濾波是對一個滑動窗口內的諸像素灰度值排序，用中值代替是對一個滑動窗口內的諸像素灰度值排序，用中值代替窗口中心

22、像素的原來灰度值，它是一種非線性的圖像平滑法。窗口中心像素的原來灰度值，它是一種非線性的圖像平滑法。圖圖(a)為原圖像；圖為原圖像；圖(b)為加椒鹽噪聲的為加椒鹽噪聲的圖像；圖圖像；圖(c)和圖和圖 (d)分別為分別為33、55模板進行中值濾波的結果。模板進行中值濾波的結果。優(yōu)點：優(yōu)點：對脈沖干擾及椒鹽對脈沖干擾及椒鹽噪聲的抑制效果好，在抑噪聲的抑制效果好，在抑制隨機噪聲的同時能有效制隨機噪聲的同時能有效保護邊緣少受模糊。保護邊緣少受模糊。缺點：缺點：對點、線等細節(jié)較對點、線等細節(jié)較多的圖像卻不太合適。多的圖像卻不太合適。正確選擇窗口尺寸正確選擇窗口尺寸的大小是的大小是很重要的環(huán)節(jié)。一般很難事

23、很重要的環(huán)節(jié)。一般很難事先確定最佳的窗口尺寸，需先確定最佳的窗口尺寸，需通過從小窗口到大窗口的中通過從小窗口到大窗口的中值濾波試驗，再從中選取最值濾波試驗，再從中選取最佳的。佳的。均值濾波均值濾波的平滑功能會使圖像邊緣模糊，而的平滑功能會使圖像邊緣模糊，而中值濾波中值濾波在去除脈在去除脈沖噪聲的同時也將圖像中的線條細節(jié)濾除掉沖噪聲的同時也將圖像中的線條細節(jié)濾除掉 。邊緣保持濾波邊緣保持濾波器器在濾除噪聲脈沖的同時，又不致于使圖像邊緣十分模糊。在濾除噪聲脈沖的同時，又不致于使圖像邊緣十分模糊。 (a) (a) 原始信號原始信號 （b b）均值濾波，（）均值濾波，（c c）中值濾波）中值濾波尖頂邊

24、緣濾波示意圖尖頂邊緣濾波示意圖 對每一個像素點對每一個像素點i,j取適當大小鄰域，分別計算該鄰域的四個取適當大小鄰域，分別計算該鄰域的四個子區(qū)域灰度分布均勻度，然后將均勻度最小的子區(qū)域的均值賦子區(qū)域灰度分布均勻度，然后將均勻度最小的子區(qū)域的均值賦予該像素點。予該像素點。NjifjifV/) ),(),(22 1 V=3/4 V=3/4V=0 V=1 i,j 模板模板33 模板模板77i,j坐標變換可以級聯，但次序對結果是有影響的，更全面體系坐標變換可以級聯，但次序對結果是有影響的，更全面體系參見參見 章毓晉。章毓晉。2006b。圖像工程（上冊）。圖像工程（上冊）-圖像處理。第圖像處理。第2版。北京：清華大學出版社版。北京：清華大學出版社雙線性插值可推廣到雙線性插值可推廣到3D圖像可參見圖像可參見 章毓晉。章毓晉。2006b。圖像工程（上冊）。圖像工程（上冊）-圖像處理。第圖像處理。第2版。北京：清華大學出版社版。北京：清華大學出版社 Zhang Y J, Gerbrands J J, Back E. 1990b. Thresholding three-dimensional image. SPIE, 1360: 1258-1269.直接利用灰度圖像映射進行圖像增強的方法可參見直接利用灰度圖像映射進行圖像