【正文】 第四章 圖象增強(qiáng) 一、教學(xué)目的 通過本次課程講述要求學(xué)生了解圖像的偽彩色增強(qiáng)和圖像增強(qiáng)在實(shí)際中的應(yīng)用，能夠重點(diǎn)掌握空域變換增強(qiáng)（包括灰度拉伸、亮度和對(duì)比度增強(qiáng)、直方圖均衡和規(guī)定）的方法和特點(diǎn)、空域?yàn)V波增強(qiáng)（包括空間域的線性、非線性平滑和銳化）的方法、理解頻域增強(qiáng)（包括頻域低通濾波和高通濾波）的方法和特點(diǎn)，為后續(xù)的章節(jié)學(xué)習(xí)打好良好的基礎(chǔ)。 二、教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn) 重點(diǎn)： 空域變換增強(qiáng)（包括灰度拉伸、亮度和對(duì)比度增強(qiáng)、直方圖均衡和規(guī)定）的方法和特點(diǎn)。 空域?yàn)V波增強(qiáng)（包括空間域的線性、非線性平滑和銳化）的方法和特點(diǎn)。 頻域增強(qiáng)（包括頻域低通濾波和高通濾波）的方法和特點(diǎn)。 難點(diǎn) 直方圖均衡化和規(guī)定化的處理方法 非線性銳化的方法和特點(diǎn) 頻域增強(qiáng)的原理和特點(diǎn) 第四章 圖象增強(qiáng) 概述和分類 空域變換增強(qiáng) 空域?yàn)V波增強(qiáng) 頻域增強(qiáng) 局部增強(qiáng) 彩色增強(qiáng) 第四章 圖象增強(qiáng) 第一節(jié) 概述和分類 ?圖象增強(qiáng)的定義 – 圖象增強(qiáng)技術(shù)的主要目標(biāo)是，通過對(duì)圖象的 處理 ，使圖象比處理前 更適合一個(gè) 特定的應(yīng)用 – 可能的應(yīng)用：顯示、打印、印刷、識(shí)別、分析、創(chuàng)藝等 第四章 圖象增強(qiáng) 應(yīng)用 第一節(jié) 概述和分類 ?圖象增強(qiáng)的定義 – 可能的處理：去除噪音、邊緣增強(qiáng)、提高對(duì)比度、增加亮度、改善顏色效果、改善細(xì)微層次等 ——通常與改善視覺效果相一致 – 可能的處理策略：空域策略 ,頻域策略 第四章 圖象增強(qiáng) 第一節(jié) 概述和分類 ?圖象增強(qiáng)的空域法 – 點(diǎn)運(yùn)算法 ——灰度級(jí)變換 ?尋找一個(gè)合適的變換 T – 模板運(yùn)算法 ——空域過濾器 ?尋找一個(gè)合適的模板 – 幾何變換法 ——變形矯正 – 基于色彩的處理 第四章 圖象增強(qiáng) 第一節(jié) 概述和分類 ?圖象增強(qiáng)的頻域法 – 頻域增強(qiáng)的理論基礎(chǔ) – 頻域增強(qiáng)的處理方法 – 頻域增強(qiáng)與空域增強(qiáng)的關(guān)系 第四章 圖象增強(qiáng) 第一節(jié) 概述和分類 在圖象處理中，空域是指由象素組成的空間?？沼蛟鰪?qiáng)方法指直接作用于象素的增強(qiáng)方法． 第四章 圖象增強(qiáng) ? 空域增強(qiáng)方法可表示為 ? g（ x,y） = EH[ f（ x,y） ] ? g（ x,y）表示增強(qiáng)后的圖像、 f（ x,y）表示增強(qiáng)前的圖像； EH表示增強(qiáng)操作： ? １）若 EH是定義在每個(gè)（ x,y）上的， EH是點(diǎn)操作； ? ? ? ?? ?yxfTyxg , ?T? ? ryxf ?, ? ? syxg ?,? 圖像的點(diǎn)處理操作關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合適的映射函數(shù)（直線或曲線），映射函數(shù)的設(shè)計(jì)有兩類方法， 一類 是根據(jù)圖像特點(diǎn)和處理工作需求，人為設(shè)計(jì)映射函數(shù)，試探其處理效果，如直接灰度變換方法； 另一類 設(shè)計(jì)方法是從改變圖像整體的灰度分布出發(fā)，設(shè)計(jì)一種映射函數(shù)，使變換后圖像灰度直方圖達(dá)到或接近預(yù)定的形狀，如直方圖修正方法。 ? （２）若 EH是定義在（ x,y）的某個(gè)鄰域上（常用正方形鄰域）， EH稱為模板操作、鄰域 操作 ； ? （３） EH既可以作用于一幅圖像，還可以作用于一系列圖像； 第一節(jié) 概述和分類 從增強(qiáng)操作容易實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā) ， 最常用的鄰域是正方形的 。 這個(gè)正方形最小可為一個(gè)象素 (此時(shí)實(shí)際為點(diǎn)操作 ， 所以點(diǎn)操作時(shí)看作是模板操作的一個(gè)特例 )。 在這種情況下 ， g(.)的值取決于在 (x， y)處的 f(.)值 ， 而 EH就是一個(gè)灰度變換 。 第四章 圖象增強(qiáng) 第一節(jié) 概述和分類 如以 s和 t分別代表 f(.)和 g(.)在 （ x， y)位置處的灰度值 ， 則此時(shí)的增強(qiáng)操作式可寫成： t = EH(s) 一般情況下象素的鄰域比這個(gè)象素大 ， 或者說這個(gè)象素的鄰域中除本身外還有其他象素 。 在這種情況下 ，g(.)在 (x， y)位置處的值不僅僅取決于 f(.)在 （ x， y)位置處的值 ， 而且取決于 f(.)在以 （ x， y)為中心的鄰域內(nèi)所有象素的值 。 第四章 圖象增強(qiáng) 第一節(jié) 概述和分類 如仍以 s和 t分別代表 f(.)和 g(.)在 （ x， y)位置處的灰度值 ， 并以 n(s)代表 f(.)在 （ x， y)的鄰城內(nèi)象素的灰度值 ， 則此時(shí)的增強(qiáng)操作式可寫成： t = EH[s, n (s) ] t和 s是 n(s)的函數(shù) ， 也可以說是 s泛函 。 為在鄰域內(nèi)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)操作常可利用模板 (mask)與圖象卷積來進(jìn)行 。 每一個(gè)模板實(shí)際上是一個(gè) 2D數(shù)組 ， 其中各個(gè)元素的取值確定了模板的功能 ， 這種模板操作也常稱為空間濾波 。 第四章 圖象增強(qiáng) 第一節(jié) 概述和分類 最常用的變換空間是頻域空間 ， 頻域空間的增強(qiáng)方法有兩個(gè)關(guān)鍵： ?將圖象從圖象空間轉(zhuǎn)換到頻域空間所需的變換(設(shè)用 T表示 ) 以及再將圖象從頻域空間轉(zhuǎn)換回圖象空間所需的變換 (設(shè)用 T1表示 )； ?在頻域空間對(duì)圖象進(jìn)行增強(qiáng)加工的操作 (設(shè)仍用EH表示 )。 在變換域?qū)?yīng)的增強(qiáng)可表示為： g(x, y)= T1{EH [T[f(x, y)] ] } 第四章 圖象增強(qiáng) 第一節(jié) 概述和分類 圖象增強(qiáng) : 處理方法 空域方法 點(diǎn)處理 (變換 ) 模扳處理 (濾波 ) 頻域方法 處理策略 全局處理 局部處理 處理對(duì)象 灰度圖像 彩色圖像 第四章 圖象增強(qiáng) 第二節(jié) 空域變換增強(qiáng) 基于點(diǎn)操作的增強(qiáng)方法也叫灰度變換 ， 常見的幾類方法為： (1)將 f(.)中的每個(gè)象素按 EH操作直接變換以得到 g(.)； (2)借助 f(.)的直方圖進(jìn)行變換； (3)借助對(duì)一系列圖象間的操作進(jìn)行變換 。 第四章 圖象增強(qiáng) 第二節(jié) 空域變換增強(qiáng) 所謂的點(diǎn)運(yùn)算是指像素值（即像素點(diǎn)上的灰度值）通過運(yùn)算改變之后，可以改善圖象的顯示效果。這是一種像素的逐點(diǎn)運(yùn)算。 點(diǎn)運(yùn)算與相鄰的像素之間沒有運(yùn)算關(guān)系，是舊圖象與新圖象之間的影射關(guān)系。是一種簡單但卻十分有效的一種圖象處理手段。 第四章 圖象增強(qiáng) 將一個(gè)灰度區(qū)間映射到另一個(gè)灰度區(qū)間的變換稱為灰度變換。 灰度變換可使圖像動(dòng)態(tài)范圍加大，圖像對(duì)比度擴(kuò)展，圖像清晰，特征明顯，是圖像增強(qiáng)的重要手段。 灰度變換的分類： 線性變換 非線性變換 用 EH表示灰度變換增強(qiáng)的一般形式： （ 1） t = EH（ s）； t , s 分別 表示 f（ ?） ,g（ ?）在（ x,y）處的灰度值；點(diǎn)處理 （ 2） t = EH[s,n（ s） ]； n（ s）表示 f（ ?）在（ x,y） 的鄰域內(nèi)像素的灰度值； 采用模板（ mask）與圖像卷積來實(shí)現(xiàn)鄰域內(nèi)的增強(qiáng)操作，屬鄰域處理。 灰度變換 對(duì)輸入圖象灰度作線性擴(kuò)張或收縮 ， 映射函數(shù)為一個(gè)直線方程 ， 其表達(dá)式如下： 其中： 相當(dāng)于變換直線的斜率 , 相當(dāng)于截距； ? ? ? ? byxafyxg ?? ,ba灰度偏置相當(dāng)于復(fù)制對(duì)比度收縮對(duì)比度擴(kuò)張。0111。0????????????????baaab 以下是一些灰度變換的例子。 g=G(f) g f 255 ① 255 0 ② ③ ① 表示 g=f ，灰度不變。（ a=1） ② 表示灰度均勻變亮。（ a1） ③ 表示灰度均勻變暗。 （ a1） g f 255 ④ 255 0 ⑤ ④ 暗區(qū)灰度擴(kuò)張，亮區(qū)壓縮。 ⑤ 亮區(qū)擴(kuò)張，暗區(qū)壓縮。 g f 255 ⑥ 255 0 ⑥ 中間灰度拉伸，其余壓縮。 f g 255 ⑦ 255 0 ⑦ 灰度求反，生成負(fù)片。 ? 我們知道，數(shù)字圖像信息的獲取通常都是通過光電傳感器 (如： CCD)來完成的。但是，由于傳感器的輸入輸出特性不是線性的。所以，如果不進(jìn)行 校正處理 的話，將無法得到好的圖像效果 。 （同理，加洗照片不對(duì)顏色進(jìn)行校正配準(zhǔn)，所以效果都會(huì)略差一些） 圖像的 γ校正 設(shè) CCD的輸入（入射光強(qiáng)度）為 L， 輸出（電流強(qiáng)度）為 I，則有： ?LCI ??當(dāng)我們得到信號(hào) I之后，必須對(duì)其進(jìn)行校正，使得后面處理的信息為 L或估計(jì)的近似 L。 例 題 4 6 9 9 9 5 4 6 8 6 6 8 0 8 7 8 9 5 0 7 5 9 5 8 0 原始信息 L γ = 1 3 9 9 8 2 1 3 7 3 3 6 0 6 4 6 8 2 0 5 2 9 2 6 0 LI ??CCD的輸出信息 I ? 如果不進(jìn)行校正的話，會(huì)有 11/25=44% 的數(shù)據(jù)畸變嚴(yán)重。 ? 從上面的數(shù)據(jù)規(guī)律可以看出，會(huì)導(dǎo)致對(duì)比度的減小。 例 題 4 6 9 9 9 5 4 6 8 6 6 8 0 8 7 8 9 5 0 7 5 9 5 8 0 1 3 9 9 9 2 1 3 6 3 3 6 0 6 5 6 9 2 0 5 2 9 2 6 0 CCD的輸出信息 I 1 3 9 9 8 2 1 3 7 3 3 6 0 6 4 6 8 2 0 5 2 9 2 6 0 γ 校正后的信息 原始信息 )(39。 IL ?γ = ? 校正后的誤差為計(jì)算誤差，是不得已的，可忽略的誤差 第二節(jié) 空域變換增強(qiáng) ? 直接灰度變換 以下是幾種常用的直接灰度變換方法 ： (設(shè) s 和 t 的取值范圍都為 0 到 Ll) (1)圖象求反 (2)增強(qiáng)對(duì)比度 (3)動(dòng)態(tài)范圍壓縮 (4)灰度切分 第四章 圖象增強(qiáng) 第二節(jié) 空域變換增強(qiáng) – 圖象求反 對(duì)圖象求反是將原圖灰度值翻轉(zhuǎn) ， 簡單說來就是使黑變白 ， 使白變黑 。 此時(shí)的 EH(． )可用下圖的曲線 (實(shí)際是一條直線 ) 表示 。 普通黑白底片和照片的關(guān)系就是這樣 。 具體變換時(shí) ， 將圖象中每個(gè)象素的灰度值根據(jù)變換曲線進(jìn)行映射 ， 例如將原來灰度值為 s’則映射為 t’。 第四章 圖象增強(qiáng) 圖像求反舉例： 黑白顛倒、陰圖（正片）陽圖（負(fù)片）； 灰度圖像： g（ x,y） = f（ x,y） + 255 ； a = 1。 b=255； 第二節(jié) 空域變換增強(qiáng) 圖象求反（灰度倒置）曲線 原圖 求反后的圖 第四章 圖象增強(qiáng) 第二節(jié) 空域變換增強(qiáng) – 增強(qiáng)對(duì)比度 增強(qiáng)圖象 對(duì)比度 實(shí)際是增強(qiáng)原圖的各部分的反差 。 實(shí)際中往往是通過增加原圖中某兩個(gè)灰度值間小的動(dòng)態(tài)范圍來實(shí)現(xiàn)的 。 典型的增強(qiáng)對(duì)比度的 EH（ .） 如圖 (實(shí)際是一條折線 ) 所示 。 可以看出通過這樣一個(gè)變換 ， 原圖中灰度值在 0 到 s1 和 s2 到 L1間的動(dòng)態(tài)范圍減小了 ， 而原圖中灰度值在 s1到 s2間的動(dòng)態(tài)范圍增加了 ， 從而這個(gè)范圍內(nèi)的對(duì)比度增強(qiáng)了 。 實(shí)際中 s1, s2, t1, t2可取不同的值進(jìn)行組合 ， 從而得到不同的效果 。 如果 s1= t1， s2=t2，則 EH為一條斜率為 l 的直線 ， 增強(qiáng)圖將和原圖相同 。 如果 s1= s2， t1=0， t2=L1， 則增強(qiáng)圖只剩下兩個(gè)灰度級(jí) ， 對(duì)比度最大但細(xì)節(jié)全丟失了 。 第四章 圖象增強(qiáng)