第4章-图像增强.ppt
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1、第第第第 4 4 章章章章图图 像像 增增 强强1.问题的引入问题的引入 看两个图例,分析画面效果不好的原因。看两个图例,分析画面效果不好的原因。亮暗差别不是很大亮暗差别不是很大2.解决问题的思路解决问题的思路 提高对比度,增加清晰度提高对比度,增加清晰度3.4.1 对比度对比度对比度的概念:对比度的概念:对比度:通俗地讲,就是亮暗的对对比度:通俗地讲,就是亮暗的对比程度。比程度。对比度通常表现了图像画质的清晰对比度通常表现了图像画质的清晰程度。程度。4.对比度的计算对比度的计算对比度的计算公式如下:对比度的计算公式如下:其中:其中:即相邻像素间的灰度差即相邻像素间的灰度差 即相邻像素间的灰度
2、差为即相邻像素间的灰度差为的像的像素分布概率素分布概率5.像素的邻域像素的邻域一个坐标为一个坐标为(x,y)的像素的像素p,有,有4个水平和垂个水平和垂直方向的近邻像素。坐标分别为直方向的近邻像素。坐标分别为(x-1,y),(x,y+1),(x+1,y),(x,y-1)。这些像素组。这些像素组成成p的四邻域,用的四邻域,用N4(p)表示。再加上表示。再加上P的的4个对角邻域像素个对角邻域像素(x-1,y-1)、(x-1,y+1)、(x+1,y+1)、(x+1,y-1)合成为合成为P的八邻域的八邻域,用用N8(p)表示表示。23P14N4(p)4325P1678N8(p)6.对比度的计算例题对比
3、度的计算例题设图像信息设图像信息强度为:强度为:(四邻域范围四邻域范围)7.图像在获取、传输等过程中,往往会发生质量损图像在获取、传输等过程中,往往会发生质量损伤,通常利用图像增强方法以改善图像的质量。伤,通常利用图像增强方法以改善图像的质量。图像增强的目的是为了改善画质,使图像的显示图像增强的目的是为了改善画质,使图像的显示更加清晰。更加清晰。图像增强可能为了视觉的或应用的需要图像增强可能为了视觉的或应用的需要,使图像使图像中重要的(或感兴趣的)内容更突出,更容易被中重要的(或感兴趣的)内容更突出,更容易被获取,对不重要的内容加以抑制,以获得更显著获取,对不重要的内容加以抑制,以获得更显著的
4、显示效果。的显示效果。图像增强可以将不同灰度的图像赋以不同的彩色图像增强可以将不同灰度的图像赋以不同的彩色(即伪彩色),以增强人类的视觉感知。在医学(即伪彩色),以增强人类的视觉感知。在医学图像处理和多波段遥感图像中经常采用。图像处理和多波段遥感图像中经常采用。图像增强图像增强8.图像增强可以有多种方法,这一章主要图像增强可以有多种方法,这一章主要介绍图像灰度变换。介绍图像灰度变换。图像的灰度变换也称为直方图修正。图像的灰度变换也称为直方图修正。对灰度直方图进行某些操作,可以改变对灰度直方图进行某些操作,可以改变图像的某些特性,从而使它直接成为图图像的某些特性,从而使它直接成为图像处理的一种手
5、段。像处理的一种手段。所谓灰度变换,就是通过一个灰度映射所谓灰度变换,就是通过一个灰度映射函数:函数:Gnew=F(Gold),将原灰度直方图改,将原灰度直方图改造成你所希望的直方图。所以,灰度变造成你所希望的直方图。所以,灰度变换的关键就是灰度映射函数换的关键就是灰度映射函数F。9.10图像灰度变换主要包括:图像灰度变换主要包括:1.线性对比度展宽线性对比度展宽2.动态范围调整动态范围调整3.直方图均衡化处理直方图均衡化处理4.伪彩色技术伪彩色技术5.图像反色图像反色10.114.2 对比度展宽对比度展宽 设有一幅图,由于成像时光照不足,使得设有一幅图,由于成像时光照不足,使得整幅图偏暗,(
6、灰度范围从整幅图偏暗,(灰度范围从0到到63);或);或者成像时光照过强,使得整幅图偏亮,者成像时光照过强,使得整幅图偏亮,(灰度范围从(灰度范围从200到到255)。我们称这些情)。我们称这些情况为低对比度,即灰度都挤在一起,没有况为低对比度,即灰度都挤在一起,没有拉开。拉开。灰度扩展的意思就是把你所感兴趣的灰度灰度扩展的意思就是把你所感兴趣的灰度范围拉开,使得该范围内的像素,亮的越范围拉开,使得该范围内的像素,亮的越亮,暗的越暗,从而达到了增强对比度的亮,暗的越暗,从而达到了增强对比度的目的。我们可以用如下的图来说明对比度目的。我们可以用如下的图来说明对比度扩展的原理。扩展的原理。11.1
7、2图中的横坐标图中的横坐标f表示原图表示原图的灰度值,纵坐标的灰度值,纵坐标g表示表示经过对比度扩展后得到了经过对比度扩展后得到了新的灰度值。新的灰度值。、为为三段直线的斜率。三段直线的斜率。a到到b表示原图中要进行表示原图中要进行对比度扩展的范围,则新对比度扩展的范围,则新的灰度值位于的灰度值位于ga,gb范围范围内。内。255abfg255gagb对比度线性展宽映射关系对比度线性展宽映射关系12.13右图为左图取右图为左图取a=100;b=150;=3.0进进行对比度展宽的结果。可以看出亮的区域行对比度展宽的结果。可以看出亮的区域(雕塑)变得更亮,暗的区域(手)变得更(雕塑)变得更亮,暗的
8、区域(手)变得更暗。暗。13.对比度展宽效果14.4.3 灰级窗及灰级窗切片灰级窗及灰级窗切片 4.3.1 灰级窗灰级窗灰级窗也称为灰度窗口,它是将某一区间的灰灰级窗也称为灰度窗口,它是将某一区间的灰度级和其它部分(背景)分开,只显示指定灰度级和其它部分(背景)分开,只显示指定灰度级范围内的信息。度级范围内的信息。灰级窗也称削波灰级窗也称削波(cliping)。它可以看作对比度。它可以看作对比度扩展的一个特例。扩展的一个特例。255abfg255gagb255abfg25515.灰级窗映射的计算公式表示如下:灰级窗映射的计算公式表示如下:255abfg255gagb255abfg25516.灰
9、级窗作用:只保留感兴趣的部分,其余部灰级窗作用:只保留感兴趣的部分,其余部分置为分置为0。下面的右图为左图取下面的右图为左图取a=150;b=200 的结的结果。把亮的区域(雕塑)提取出来。果。把亮的区域(雕塑)提取出来。17.灰级窗效果示例原图原图肺窗肺窗肌肉窗肌肉窗骨窗骨窗18.灰级窗效果示意图原图原图对比度展宽对比度展宽灰级窗灰级窗19.4.3.2 灰级窗切片灰级窗切片将待检测灰度分布范围内的像素值将待检测灰度分布范围内的像素值映射成映射成255,将在此范围之外的像素,将在此范围之外的像素灰度值映射成灰度值映射成0。255abfg25520.灰级窗切片效果示意图21.4.4 动态范围调整
10、动态范围调整动态范围:是指图像中从暗到亮的变动态范围:是指图像中从暗到亮的变化范围。化范围。由于人眼所可以分辨的灰度的变化范由于人眼所可以分辨的灰度的变化范围是有限的,所以当动态范围太大时,围是有限的,所以当动态范围太大时,很高的亮度值把暗区的信号都掩盖了。很高的亮度值把暗区的信号都掩盖了。(例如:刚刚从室外进入正在放映电(例如:刚刚从室外进入正在放映电影的电影院中。)影的电影院中。)通过通过动态范围的压缩动态范围的压缩可以将所关心部可以将所关心部分的灰度级的变化范围分的灰度级的变化范围扩大扩大。22.一、线性动态范围调整:一、线性动态范围调整:255abfg255黑黑白白a ab b0 02
11、55255N为最高灰度值为最高灰度值23.线性动态范围调整线性动态范围调整 例题例题1 3 9 9 82 1 3 7 33 6 0 6 46 8 2 0 52 9 2 6 0灰度变化范围灰度变化范围a,ba,b为为2,72,70 39 9 90 03 9 33 60 6 46 90 0 50 90 6 00 2 9 9 90 0 2 9 22 7 0 7 47 9 0 0 50 9 0 7 0将将2,7转换到转换到0,9作用:进行亮暗限幅作用:进行亮暗限幅 g(i,j)=9/5*f(i,j)-18/5C=16.9211C=26.289524.线性动态范围调整效果25.二、非线性动态范围调整二、
12、非线性动态范围调整提出非线性动态范围调整,提出非线性动态范围调整,是因为线性动态范围调整是因为线性动态范围调整的分段线性影射不够光滑。的分段线性影射不够光滑。非线性动态范围调整,可非线性动态范围调整,可以用光滑的曲线来实现。以用光滑的曲线来实现。考虑到人眼对视觉信号的考虑到人眼对视觉信号的处理过程中,有一个近似处理过程中,有一个近似对数算子的环节,因此,对数算子的环节,因此,可采用对数运算来实现非可采用对数运算来实现非线性动态范围调整。线性动态范围调整。26.非线性动态范围调整非线性动态范围调整 例题例题1 1 3 3 9 9 9 9 8 82 2 1 1 3 3 7 7 3 33 3 6 6
13、 0 0 6 6 4 46 6 8 8 2 2 0 0 5 52 2 9 9 2 2 6 6 0 03 3 5 5 9 9 9 9 9 94 4 3 3 5 5 8 8 5 55 5 8 8 0 0 8 8 6 68 8 9 9 4 4 0 0 7 74 4 9 9 4 4 8 8 0 0g(i,j)=9*log(f(i,j)+1)作用:将暗的部分扩展,而将亮的部分抑制。作用:将暗的部分扩展,而将亮的部分抑制。C=16.9211C=18.763227.非线性动态范围调整28.4.5 直方图均衡化直方图均衡化直方图均衡方法的基本思想是对在图像中像素个直方图均衡方法的基本思想是对在图像中像素个数多
14、的灰度级进行展宽,而对像素个数少的灰度数多的灰度级进行展宽,而对像素个数少的灰度级进行缩减。从而达到清晰图像的目的。级进行缩减。从而达到清晰图像的目的。直方图均衡化(平滑化)是一种最常用的直方图修正,直方图均衡化(平滑化)是一种最常用的直方图修正,它是把给定图像的直方图分布改造成均匀直方图分布。它是把给定图像的直方图分布改造成均匀直方图分布。直方图均衡化导致图像的对比度增加。直方图均衡化导致图像的对比度增加。由信息学的理论来解释,具有最大熵(信息量)的图由信息学的理论来解释,具有最大熵(信息量)的图像为均衡化图像。直观地讲,直方图均衡化一方面要像为均衡化图像。直观地讲,直方图均衡化一方面要求尽
15、量扩展灰度的分布域;另一方面更重要的是努力求尽量扩展灰度的分布域;另一方面更重要的是努力使每一个灰度级上的频度使每一个灰度级上的频度尽可能一致尽可能一致。频度趋于一致的图像使人感觉色调沉稳、安定,意味频度趋于一致的图像使人感觉色调沉稳、安定,意味着图像质量着图像质量“好好”。29.直方图均衡化方法的具体步骤如下:直方图均衡化方法的具体步骤如下:求原图像求原图像f(i,j)的灰度直方图,设用的灰度直方图,设用256维的向量维的向量hj表示;表示;由由hj 求原图的灰度分布概率,记作求原图的灰度分布概率,记作Pf,则有,则有其中,其中,Nf=MN(M,N分别为图像的长和宽分别为图像的长和宽)为图像
16、的总为图像的总像素个数;像素个数;计算图像各个灰度值的累计分布概率,记作计算图像各个灰度值的累计分布概率,记作pa,则,则 其中,令其中,令pa(0)=0 进行直方图均衡化计算,得到处理后图像的像素值进行直方图均衡化计算,得到处理后图像的像素值g(i,j)为:为:30.算法:设算法:设f、g分别为原图像和处理后的图像。分别为原图像和处理后的图像。1)求出原图求出原图f的灰度直方图,设为的灰度直方图,设为h。h为一个为一个N维(维(256色灰度图为色灰度图为256维)的维)的向量。向量。1 3 9 9 82 1 3 7 33 6 0 6 46 8 2 0 52 9 2 6 0 f f h h0
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