第四章第四章 图像增强灰度图像处理图像增强灰度图像处理 4.1概述概述 原因：从实际景物转换成图像信息，在图像的生成、传输、或变换过程中，原因：从实际景物转换成图像信息，在图像的生成、传输、或变换过程中，由于多种因素的影响，输出图像的质量多少会有所降低或称退化。由于多种因素的影响，输出图像的质量多少会有所降低或称退化。 灰度图像处理：同类处理灰度图像处理：同类处理不压缩原图像的灰度层次，如滤波、增强。不压缩原图像的灰度层次，如滤波、增强。 非同类处理非同类处理描述，将多灰度图变为二值图，如分割。描述，将多灰度图变为二值图，如分割。增强：（增强：（enhancementenhancement）突出所关心的信息，改善图像视觉效果。）突出所关心的信息，改善图像视觉效果。恢复：（恢复：（retstorationretstoration）恢复退化图像的本来面目，忠实原图像。）恢复退化图像的本来面目，忠实原图像。方式：点处理方式：点处理 局域处理局域处理 全局处理全局处理4.2 图像的统计特征图像的统计特征把图像看作随机过程，则可做一阶及二阶统计。把图像看作随机过程，则可做一阶及二阶统计。 一阶：单个象素特征。二阶：一对象素特征。一阶：单个象素特征。二阶：一对象素特征。1)1)一阶统计特征：一阶统计特征：P P代表坐标，代表坐标，Z Z为灰度，为灰度，P(PP(P，Z)Z)象素。象素。对同一对象的不同观测结果，随机过程，略去了随机性变化，坐标位置关对同一对象的不同观测结果，随机过程，略去了随机性变化，坐标位置关系，简化成直方图系，简化成直方图(Histogram(Histogram）。）。纵坐标：象素个数纵坐标：象素个数/ /某灰度某灰度 也可用百分比也可用百分比 横坐标：灰度（横坐标：灰度（0 0255255）总面积：全图象素数总面积：全图象素数S0255象素个数灰度KS=1S=1直方图：离散状态下图像灰度的概率密度分布。直方图：离散状态下图像灰度的概率密度分布。说明：图像说明：图像直方图直方图 不可逆变换，多对一的变换不可逆变换，多对一的变换 直方图是多对一的映射结果，即多个图像可以生成相同的直方图，因此直方直方图是多对一的映射结果，即多个图像可以生成相同的直方图，因此直方图作为一阶统计特征未反映相邻点之间的关系。图作为一阶统计特征未反映相邻点之间的关系。但反映了图像的灰度散布范围等特征，在很多场合下，往往是重要特征。但反映了图像的灰度散布范围等特征，在很多场合下，往往是重要特征。例：例：六个象素六个象素黑黑白白阈值阈值255255灰度灰度黑板黑板( (加墙加墙) )的直方图的直方图2)2)二阶统计特征图像两象素之间关系：二阶统计特征图像两象素之间关系：P2(PP2(P、QQ、Z Z、Y)Y)P P、QQ为两个象素的位置为两个象素的位置绝对位置绝对位置相对位置相对位置Z Z、Y Y为两个象素的灰度为两个象素的灰度 引入简化形式，即认为与引入简化形式，即认为与P P、QQ之绝对位置无关，而仅与其相对位置有关，称共之绝对位置无关，而仅与其相对位置有关，称共存事件矩阵存事件矩阵 coocurrencecoocurrence matrices matrices共存事件矩阵：共存事件矩阵：Cr(iCr(i、j) j)r r P P、QQ点的相对关系，点的相对关系，i i、j j 两个象素的灰度。两个象素的灰度。RR与与 相对距离及方位相对距离及方位有关各种组合甚多。有关各种组合甚多。 d d及及 Cr(iCr(i、j j、d d、 ) )。满足满足d d、 关系，灰度分别为（关系，灰度分别为（i i、j j）的象元对数。整个数组的象元对数。整个数组256*256 256*256 i ij j0 01 12 20 01 12 2. . .255255255255256*256256*256（0,00,0） （0,10,1） （0,20,2）（1,01,0） （1,11,1）（2,02,0）135135 9090 4545 0 0 双向（正负）均算双向（正负）均算 0, 45, 0, 45, 90,13590,135d=1,2,3.d=1,2,3. 一般情况下一般情况下, ,考虑相邻象素间关系考虑相邻象素间关系, ,取取d=1d=1， =0=0时时 举例：举例：0 01 11 12 22 23 30 03 32 23 33 30 00 01 12 21 10 00 01 11 10 01 11 10 02 22 23 33 32 23 33 32 20 03 33 30 00 03 30 03 30 03 33 30 00 03 30 03 3i ij j0 0 1 1 2 2 3 3 0 0 1 1 2 2 3 3 6 60 00 06 60 00 00 00 00 00 00 00 06 60 06 60 0i ij j0 0 1 1 2 2 3 3 0 0 1 1 2 2 3 3 d=1, d=1, =0=0原图原图C Cr r共存事件矩阵特点：共存事件矩阵特点：对角线对角线Cr(kCr(k，k)k)大致反映了灰度为大致反映了灰度为K K的面积大小；的面积大小；非对角线的非对角线的Cr(kCr(k，j) j)大致反映了灰度值为大致反映了灰度值为k k，j j象元的边界象元的边界长；长；远离对角线项的大小反映图像对比度大小。远离对角线项的大小反映图像对比度大小。 进一步引入一些变换参数。进一步引入一些变换参数。 综合参数：综合参数：上式中上式中u ux x,u,uy y,x x, , y y, ,分别表示其共存事件矩阵沿行列方向的均值及标分别表示其共存事件矩阵沿行列方向的均值及标准差。准差。共存事件矩阵是纹理特征的描述工具。共存事件矩阵是纹理特征的描述工具。4.3直方图处理（点处理，辐射变换）直方图处理（点处理，辐射变换） 通过调整图像的直方图通过调整图像的直方图, ,达到所需增强的目的。达到所需增强的目的。 1)1)灰度变换法：灰度变换法： 由于光照不足，原图象灰度范围窄，看不清晰，直方图拉伸后灰度相差由于光照不足，原图象灰度范围窄，看不清晰，直方图拉伸后灰度相差加大，分辨清晰。加大，分辨清晰。 D DB BD DA A灰度灰度H HB B255255D DA AD DB BH HA A255255255255D DB Bf f（D DA A） 可将一直方图变另一直方图可将一直方图变另一直方图 即：即：H HA A(D(DA A) ) H HB B(D(DB B) )直方图下总面积不变为1，由概率论知：D DB B=f(D=f(DA A) )常见的三种变换曲线：常见的三种变换曲线：线性：线性：D DB B=aD=aDA A+b(+b(分段线性分段线性) )突出感兴趣目标，抑制不感兴趣目标突出感兴趣目标，抑制不感兴趣目标 对数曲线：对数曲线：D DB B=a * lg(D=a * lg(DA A+b)+b)小灰度展开，大灰度压缩小灰度展开，大灰度压缩 指数曲线指数曲线 ：D DB B=D=DA A*a+b*a+b大灰度展开，小灰度压缩大灰度展开，小灰度压缩 具体编程实现引入查找表（具体编程实现引入查找表（lookup tablelookup table）概念）概念 图象图象512512512512大小，需大小，需256KB256KB次运算，太慢次运算，太慢注意图象值输入：注意图象值输入：256256级级00255255 输出：输出：256256级级00255 255 输入到输出是映射关系输入到输出是映射关系指数指数对数对数D DA AD DB Bint i,j;int i,j;char I512512,LUT256;char I512512,LUT256;for (i=0;i256;i+)for (i=0;i256;i+) LUTi=pow(i,a)+b LUTi=pow(i,a)+bfor (i=0;i512;i+)for (i=0;i512;i+) for(j=0;j512;j+) for(j=0;j512;j+) Iij=LUTIij; Iij=LUTIij; 仅需仅需256256次指数运算，节约了运算时间次指数运算，节约了运算时间2)2)直方图均衡：直方图均衡： 如右图，直方图可用灰度为如右图，直方图可用灰度为256256，但仅用了但仅用了2/32/3，即可用灰度级别，即可用灰度级别未充分利用，一种可能的充分未充分利用，一种可能的充分利用多灰度方法是直方图越平利用多灰度方法是直方图越平越好。越好。 多灰度值点数均摊。多灰度值点数均摊。H HB B=1/m=1/m由：由：H HA AdDdDA A=H=HB BdDdDB BD DB B=f(D=f(DA A),dD),dDB B=df=dfH HA AdDdDA A=1/m df=1/m dfdf=mHdf=mHA AdDdDA Af=f=mHmHA AdDdDA A2552550 0D DA AH HB BD DA AD DB BH HA Ammf(Df(DA A) )连续域上连续域上 1/m 1/m上述结论可推广到离散域上，一幅图像总象素数为上述结论可推广到离散域上，一幅图像总象素数为n n，分，分L L个灰度级，个灰度级，n nk k代表第灰度级代表第灰度级r rk k出现的频数，则第出现的频数，则第K K灰度级灰度级出现概率：出现概率： Pr Pr（r rk k）=n=nk k/n (k=0,1. L-1)/n (k=0,1. L-1)此时变换函数为：此时变换函数为：若某一灰度Z是此平均值之倍，则需将其分散到K个灰度上去，即一对多的映射。将Z映射至(Z1+ZK)/2灰度上，不保证均匀平的；将Z随机分配到Z1,ZK中，此时将损失对比度；将Z分配到与邻点平均值相近的Z1,ZK之灰度，这可能使边缘变模糊及计算量大。 实用第一条8 8个灰级，总计个灰级，总计64*64=409664*64=4096点点注意：离散均衡不可能拉平注意：离散均衡不可能拉平D DA An nk kP Pr r(r (rk k) )f f取成整数取成整数倍倍均衡后直均衡后直方图方图0 07907900.190.190.190.191/7(0.14)1/7(0.14)0.190.191/71/7102310230.250.250.440.443/7(0.428)3/7(0.428)0.250.252/72/78508500.210.210.650.655/7(0.714)5/7(0.714)0.210.213/73/76566560.160.160.810.816/7(0.857)6/7(0.857)0.16+0.080.16+0.08=0.24=0.244/74/73293290.080.080.890.896/7(0.857)6/7(0.857)5/75/72452450.060.060.950.957/7(1.00)7/7(1.00)0.06+0.030.06+0.03+0.02 = +0.02 = 0.110.116/76/71221220.030.030.980.987/7(1.00)7/7(1.00)7/77/781810.020.021.001.007/7(1.00)7/7(1.00) 仅存仅存5 5个灰级，宏观拉平，微观不可能平，层次减少，对比度提高。个灰级，宏观拉平，微观不可能平，层次减少，对比度提高。 0.250.250.150.150.050.051/71/73/73/75/75/77/77/7原图原图1/71/73/73/75/75/77/77/70.20.20.40.40.60.60.80.81.01.0D DA Af f变换图变换图1/71/73/73/75/75/77/77/70.190.190.250.250.210.210.240.240.110.11均衡后均衡后0.250.250.050.053)3)直方图匹配直方图匹配 新直方图与已有直方图匹配，使两直方图一致新直方图与已有直方图匹配，使两直方图一致 希望增强后的图像，其灰度级分布不是均匀的，而是具有希望增强后的图像，其灰度级分布不是均匀的，而是具有规模形状的直方图，这样可突出感兴趣的灰度范围规模形状的直方图，这样可突出感兴趣的灰度范围 a aP P1 1c cP P3 3b bP P2 21/m1/mmm 正变换正变换反变换反变换p1 p2=1/m , b=mp1(a)da=mP1(a)p3 p2=1/m ,b=mp3(c)dc=mP3(c)c=P3-1(b/m)=P3-1(mP1(a)/m)=P3-1P1(a)由a c关系。p1(a)先变换到平的,再由平的变换到p3(c)4)4)伪彩色伪彩色 人眼对彩色敏感，可辨人眼对彩色敏感，可辨20002000多种色，灰度才几十级多种色，灰度才几十级 假彩色：用遥感器中三波段合成假彩色：用遥感器中三波段合成R R、GG、B B。伪彩色：单一波段，（灰度图伪彩色：单一波段，（灰度图彩色）彩色）R R黑白黑白 G G B B显示器显示器 物理背景：伪彩超，红外乳腺诊断物理背景：伪彩超，红外乳腺诊断 典型方法：典型方法：255255 B B255255255 255 灰度灰度127127 G G255255255255127127 R R25525563631271271911912552550 0B BGGR R合成合成5)5)图象的几何运算图象的几何运算两幅图象对应象素相、两幅图象对应象素相、* *、运算得到第三幅图象。、运算得到第三幅图象。F1F1、F2F2生成生成F3F3，都是点运算。，都是点运算。F3=A(F1+F2)+BF3=A(F1+F2)+BF3=A(F1F3=A(F1F2)+B (F2)+B (减影技术，同一景物不同时间采集影减影技术，同一景物不同时间采集影像相减，去除相同，找出变化。像相减，去除相同，找出变化。运动监测，目标跟踪。运动监测，目标跟踪。 ) )F3=A(F1F2)+B (F3=A(F1F2)+B (遥感：火灾、水灾、海岸耕地变化。遥感：火灾、水灾、海岸耕地变化。 ) )F3=A(F1/F2)+B (F3=A(F1/F2)+B (医学：减影、血管医学：减影、血管 、监测肾动脉是、监测肾动脉是否阻塞。否阻塞。 ) )A A、B B是常数是常数(1)(1)同一波不能区分两类物质（灰度相差不大）但两波相除后，同一波不能区分两类物质（灰度相差不大）但两波相除后，差值明显增大差值明显增大(2)(2)消除山影、阴面影响，同一地物阴面、阳面灰度值不相同，消除山影、阴面影响，同一地物阴面、阳面灰度值不相同，二波相除后，阴面、灰度此值应相同。二波相除后，阴面、灰度此值应相同。(3)(3)找新物质、矿产（地学工作者之事）找新物质、矿产（地学工作者之事）作业已知直方图如下，试求均衡后直方图：已知直方图如下，试求均衡后直方图： 灰灰度度0 01 12 23 34 45 56 67 78 89 910101111 1212 1313 1414 1515百百分分比比 0 01 11281282 21281283 31281284 41281285 51281286 61281287 71281289 91281281010128128111112812812121281281313128128141412812815151281281616128128均均衡衡后后3 37 711117 79 91010111112121313141415151616