空域增强技术

章毓晋清华大学电子工程系100084北京图象工程第2页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)第4章空域增强技术4.1空域技术分类4.2象素间运算4.3直接灰度映射4.4直方图变换4.5线性滤波4.6非线性滤波4.7局部增强第3页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)图象增强目标：改善图象质量/改善视觉效果标准：相当主观，因人而异没有完全通用的标准可以有一些相对一致的准则技术：“好”，“有用”的含义不相同具体增强技术也可以大不相同第4章空域增强技术第4页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.1空域技术分类空域：指由象素组成的空间空域增强：点操作：灰度点操作几何操作)],([),(HyxfEyxg)],([),(yxfPyxgxy),(),(yxMy'x'第5页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.1空域技术分类点操作：(1)借助对一系列图象间的操作进行变换(2)将f(·)中的每个象素按EH操作直接变换以得到g(·)；(3)借助f(·)的直方图进行变换模板操作：)(HsEt)(,HsnsEt第6页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.2图象间运算图象间的运算指以图象为单位进行的操作，运算的结果是一幅新图象4.2.1算术和逻辑运算4.2.2图象间运算的应用第7页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.2.1算术和逻辑运算1.算术运算(1)加法：记为p+q(2)减法：记为p–q(3)乘法：记为pq(4)除法：记为p÷q对整幅图象的算术和逻辑运算是逐象素进行的，即在两幅图象的对应（位置）象素间进行第8页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.2.1算术和逻辑运算2.逻辑运算(1)补（COMPLEMENT）：记为NOTq(2)与（AND）：记为pANDq(3)或（OR）：记为pORq(4)异或（XOR）：记为pXORq{图4.2.1，图4.2.2}第9页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)),(),(),(yxeyxfyxgMiiyxgMyxg1),(1),(),(),(yxfyxgE),(),(/1yxeyxgM4.2.2图象间运算的应用1.图象间加法的应用模型运算均值方差第10页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.3直接灰度映射将f(x,y)中的每个象素灰度按EH操作直接变换以得到g(x,y)4.3.1灰度映射原理4.3.2典型灰度映射第11页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.3.1灰度映射原理直接灰度映射是一种点操作第12页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)1、图象求反2、增强对比度3、动态范围压缩4、灰度切分4.3.2典型灰度映射第13页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.4直方图变换直方图是图象的一种统计表达直方图反映了图中灰度的分布情况4.4.1直方图均衡化4.4.2直方图规定化第14页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)灰度统计直方图1-D的离散函数提供了图象象素的灰度值分布情况计算：设置一个有L个元素的数组，对原图的灰度值进行统计4.4.1直方图均衡化nnkHk)(第15页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)直方图均衡化借助直方图变换实现（归一的）灰度映射均衡化（线性化）基本思想变换原始图象的直方图为均匀分布==大动态范围使象素灰度值的动态范围最大==增强图象整体对比度（反差）4.4.1直方图均衡化第16页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)归一化直方图增强函数(1)EH(s)：单值单增函数，各灰度级在变换后仍保持排列次序(2)变换前后灰度值动态范围一致10Ls≤≤1)(0HLsE≤≤1,,1,010)(Lksnnspkkks≤≤4.4.1直方图均衡化第17页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)（归一化）累积直方图(1)tk是k的单值单增函数(2)灰度取值范围一致，0≤tk≤1(3)将s的分布转换为t的均匀分布kiiskiikkspnnsEHt00)()(4.4.1直方图均衡化{表4.4.1}第18页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.4.1直方图均衡化第19页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)借助直方图变换实现规定/特定的灰度映射(1)对原始直方图进行灰度均衡化(2)规定需要的直方图，计算能使规定直方图均衡化的变换(3)将原始直方图对应映射到规定直方图kiisiskspsEHt0)()(ljjujulupuEHv0)()(4.4.2直方图规定化三个步骤第20页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)两种映射/对应规则(1)单映射规则(2)组映射规则（I(l)：整数函数）1,,1,01,,1,0)()(00NlMkupspljjukiis1,,1,0)()()(00NlupsplIiljjuis4.4.2直方图规定化{表4.4.2}第21页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.4.2直方图规定化第22页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)映射误差对应映射间数值的差值（取绝对值）的和单映射规则：最大误差pu(uj)/2组映射规则：最大误差ps(si)/2∵N≤M，∴ps(si)/2≤pu(uj)/2单映射规则：有偏的映射规则组映射规则：统计无偏的映射规则4.4.2直方图规定化第23页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)直方图规定化vs.直方图均衡化直方图均衡化：自动增强效果不易控制总得到全图增强的结果直方图规定化：有选择地增强须给定需要的直方图可特定增强的结果4.4.2直方图规定化第24页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.5线性滤波利用象素本身以及其邻域象素的灰度关系进行增强的方法常称为滤波4.5.1技术分类和实现原理模板卷积，邻域操作4.5.2线性平滑滤波器减弱或消除图象中的噪声第25页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.5.1技术分类和实现原理功能特点线性非线性平滑（低通）G1G2锐化（高通）G3G4在图象空间借助模板进行邻域操作分类1：(1)线性：如邻域平均(2)非线性：如中值滤波分类2：(1)平滑：模糊，消除噪声(2)锐化：增强被模糊的细节第26页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)sXYxyXYxyR4s2385sssssss76104kkkkkk32kkk50167800881100skskskR滤波器实现——邻域运算：4.5.1技术分类和实现原理第27页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4kkkkkk32kkk5016781111111111、邻域平均系数都是正的保持灰度值范围（所有系数之和为1）例：33模板101MiiiskMz4.5.2线性平滑滤波器{图4.5.2}第28页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)2、加权平均中心系数大周围系数小4.5.2线性平滑滤波器)/2(exp)/2(expπ21)(2222iiif第29页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.6非线性滤波•逻辑的、几何的、代数的非线性滤波器•基于集合的、基于形状的、基于排序的4.6.1非线性平滑滤波器4.6.2非线性锐化滤波器第30页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.6.1非线性平滑滤波器•既消除噪声又保持细节（不模糊）中值（median）滤波器(1)将模板中心与象素位置重合(2)读取模板下各对应象素的灰度值(3)将这些灰度值从小到大排成1列(4)找出这些值里排在中间的1个(5)将这个中间值赋给模板中心位置象素{图4.6.1}第31页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)中值（median）滤波器的模板中值滤波器的消噪声效果与两个不同的，但又有联系的因素有关。首先是模板的尺寸，其次是参与运算的象素数图象中尺寸小于模板尺寸一半的过亮或过暗区域将会在滤波后会被消除掉(a)(b)(c)(d)(e)(f)4.6.1非线性平滑滤波器第32页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)百分比（percentile）滤波器中值滤波器是一个特例最大值最小值中点滤波器4.6.1非线性平滑滤波器第33页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)1、非线性锐化滤波器利用微分可以锐化图象（积分平滑图象）梯度：对应一阶导数最常用的微分矢量（需要用2个模板分别沿X和Y方向计算）Tyfxff4.6.2非线性锐化滤波器第34页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)1、非线性锐化滤波器模以2为范数/模计算（对应欧氏距离）以1为范数（城区距离）以为范数（棋盘距离）2122)2()(magyfxfff)1(yfxff,max)(yfxff4.6.2非线性锐化滤波器第35页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)3、最大-最小锐化变换将最大值滤波器和最小值滤波器结合使用可以锐化模糊的边缘并让模糊的目标清晰起来迭代实现：4.6.2非线性锐化滤波器)]},([{)],([1yxfSSyxfSnn第36页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)4.7局部增强•全局增强vs.局部增强•局部增强多了一个选择局部区域的步骤•直接利用局部信息以达到局部增强的目的•利用每个象素的邻域内象素的均值和方差局部增益函数),()],(),()[,(),(yxmyxmyxfyxAyxg10),(),(kyxMkyxA{图4.7.1}第37页第4讲章毓晋(TH-EE-IE)通信地址：北京清华大学电子工程系邮政编码：100084办公地址：清华大学东主楼，9区307室办公电话：[phone]传真号码：[phone]电子邮件：[e-mail]个人主页：~zhangyujin/实验室网：image.ee.tsinghua.edu.cn联系信息