柏春嵐

(河南城建學(xué)院測(cè)繪與城市空間信息系,河南平頂山467036)

在圖像形成、傳輸或變換的過(guò)程中,由于受到其它客觀因素諸如系統(tǒng)噪聲、曝光不足或過(guò)量、相對(duì)運(yùn)動(dòng)等影響,獲取圖像往往會(huì)與原始圖像之間產(chǎn)生某種差異。因此,圖像質(zhì)量不可避免地會(huì)降低,輕者表現(xiàn)為圖像不干凈、難以看清細(xì)節(jié),重者表現(xiàn)為圖像模糊不清,連概貌也看不出來(lái)。所以,在對(duì)圖像進(jìn)行分析之前必須先對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行改善。一般對(duì)圖像質(zhì)量改善的方法有兩種,一是圖像增強(qiáng),二是圖像復(fù)原。圖像復(fù)原技術(shù)需要了解圖像質(zhì)量下降的原因,首先要建立“降質(zhì)模型”,再利用該模型恢復(fù)原始圖像,分析起來(lái)比較麻煩。而圖像增強(qiáng)與此不同,圖像增強(qiáng)是指按特定的需要突出一幅圖像中的某些信息,同時(shí),消弱或去除某些不需要的信息,目的是將處理后的圖像對(duì)某些特定的應(yīng)用比原來(lái)的圖像更加有效。圖像增強(qiáng)的方法有空域法和頻域法兩類：頻域法的基礎(chǔ)是卷積定理,利用修改圖像博里葉變換的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的增強(qiáng)處理;空域法是直接對(duì)圖像中的像素進(jìn)行處理,基本上是以灰度映射變換為基礎(chǔ)的,所用的映射變換取決于增強(qiáng)的目的[1-7]。

本文主要采用空域法中的平滑濾波、銳化濾波對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理,并與頻域法的低通濾波和高通濾波作比較。

1 空域增強(qiáng)的基本理論

空域?yàn)V波種類較多,空域?yàn)V波一般可分為線性濾波和非線性濾波兩類。按功能又可分為平滑濾波器和銳化濾波器。平滑可用低溫來(lái)實(shí)現(xiàn)。平滑的目的可分為兩類：一類是模糊,目的是在提取較大的目標(biāo)前去除太小的細(xì)節(jié)或?qū)⒛繕?biāo)內(nèi)的小間斷連接起來(lái);另一類是消除噪聲。銳化可用高通濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)。銳化的目的是為了增強(qiáng)被模糊的細(xì)節(jié)[1-5]。

1.1 平滑濾波

平滑濾波器本質(zhì)上是一個(gè)低通濾波器,它主要用來(lái)使圖像模糊或降低噪聲。對(duì)圖像識(shí)別的目的而言,圖像模糊可去除妨礙重要特征抽取的小細(xì)節(jié)并使斷線相連。對(duì)于脈沖型的高頻噪聲,平滑濾波將可減輕此噪聲的效應(yīng)。

⑴平均濾波

以像素為中心,灰度值為F(j,k),窗口像素組成的點(diǎn)集用A表示,集內(nèi)像素?cái)?shù)以L表示。經(jīng)過(guò)鄰域平均法濾波后,像素F(j,k)對(duì)應(yīng)的輸出為：

即用窗口像素的平均值取代F(j,k)原來(lái)的灰度值。一般常用的有3×3、5×5或7×7的模板。愈大的模板模糊效果愈強(qiáng),相當(dāng)于此濾波器的截止頻率愈來(lái)愈低,高頻部分被濾去愈多。

⑵中值濾波

中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代換。設(shè)f(x,y)表示數(shù)字圖像像素點(diǎn)的灰度值,濾波窗口為A的中值濾波器可以定義為：

平均濾波不僅把干擾去除,還把圖像的邊緣變模糊,因而造成視覺(jué)上的失真。如果目的只是把干擾去除,而不是刻意讓圖像模糊,則中值濾波是很好的選擇。

1.2 銳化濾波

銳化濾波本質(zhì)上是一個(gè)高通濾波器,它主要用來(lái)使圖像的細(xì)節(jié)或邊緣更突顯,從而達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的[2]。

⑴基本高通空間濾波

基本高通空間濾波若模板中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)具有較大灰度的像素,則經(jīng)此濾波后,此像素與其旁邊像素之間的灰度的差異會(huì)被放大,反之此模板對(duì)灰度變化相當(dāng)輕的平滑區(qū)域.其輸出將非常小。極端狀況是若模板所涵蓋范圍內(nèi)的灰度都一樣時(shí),則不管原來(lái)是多大的灰度值(如圖1),其輸出恒為零,這表示此種模板有降低整體圖像平均值使圖像整體變暗的缺點(diǎn)。另外,實(shí)際的輸出有負(fù)值的可能性,必須做大小的調(diào)整。

圖1 3×3模板

⑵高頻加強(qiáng)濾波

高頻加強(qiáng)濾波器是加強(qiáng)空間高頻分量的方法。它使高頻成分相對(duì)突出,而低頻分量和甚高頻分量則相對(duì)抑制。高頻加強(qiáng)濾波是先將原始圖像乘上一個(gè)大于1的倍率再減去此圖像經(jīng)低通濾波后的結(jié)果。

⑶差分型濾波器

差分型濾波器的主要概念是將圖像物體的邊緣與其鄰近像素間的灰度加以放大,達(dá)到凸顯物體邊緣輪廓的圖像增強(qiáng)效果。此種方法亦可作為圖像分割中檢測(cè)物體邊緣之用。最常見的差分型濾波器是利用梯度的方法,即圖像沿某個(gè)方向上的灰度變化率。對(duì)一個(gè)連續(xù)函數(shù)f(x,y),梯度定義如下：

橡度是一個(gè)矢量,需要用兩個(gè)模板分別沿x和y方向計(jì)算。梯度的模(以2為模,對(duì)應(yīng)歐氏距離)為：

2 圖像空域?yàn)V波分析

采用空域法對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng),主要分析平滑濾波、銳化濾波,以2000年攝影的珠江三角洲圖像為例,如圖2所示。

圖2 原始圖像

2.1 平滑濾波分析

采用編程平滑濾波分析圖像如圖3所示。通過(guò)圖中可以看出在同樣模板下,中值濾波所得圖像比平均濾波圖像清晰。由于平滑濾波是一種低頻濾波,因此與采用頻域法低頻濾波(如圖4)比較,從圖中可以看出頻域法的兩種低頻法的理想低通濾波法(Ideal Low Pass Filter,ILPF)和巴特沃斯低通濾波(Butter worth Low Pass Filter,BLPF)所得圖像比較模糊,后一種方法比前一種清晰一點(diǎn),但是與平滑濾波相比,所得圖像的清晰度明顯較低。因此,空域法的平滑濾波比頻域法的低頻濾波效果好。

2.2 銳化濾波分析

采用編程銳化濾波分析圖像如圖5所示。

從圖5中可以看出銳化濾波的基本高通空間濾波、sobel算子濾波、prewitt算子濾波以及l(fā)og算子濾波效果較差,相對(duì)而言,prewitt算子濾波好一點(diǎn),但是也看不出圖像大概情況。由于空域法的銳化濾波是一種高頻濾波,與頻域法的高頻濾波比較(如圖6)。頻域法的高頻濾波主要從理想高通濾波器(Ideal High Pass Filter縮寫為IHPF)以及巴特沃斯高通濾波器(Butterworth High Pass Filter縮寫為BHPF)分析,后一種方法比前一種方法所得圖像清晰,但是圖像也只能看出輪廓也看得不太清晰,但是頻域法的高頻濾波比銳化濾波清晰。

3 結(jié)論

圖像增強(qiáng)技術(shù)屬于數(shù)字圖像預(yù)處理的范疇,空域法處理圖像是圖像增強(qiáng)技術(shù)的基本方法之一。本文闡述空域的兩種方法的基本理論,在此基礎(chǔ)上,利用MATLAB實(shí)現(xiàn)平滑濾波和銳化濾波對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理,并與頻域法的低頻濾波和高頻濾波的結(jié)果進(jìn)行比較,從中得出以下結(jié)論：

⑴空域法平滑濾波比頻域法低通濾波對(duì)圖像增強(qiáng)處理效果要好;

⑵平滑濾波的中值濾波比平均濾波對(duì)圖像增強(qiáng)處理效果要好;

⑶頻域法低通濾波比空域法銳化濾波對(duì)圖像增強(qiáng)處理效果要好;

⑷空域法的平滑濾波比銳化濾波對(duì)圖像增強(qiáng)處理效果要好。

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