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文檔簡介

第五章圖像復(fù)原Ch5ImageRestoration圖像采集采集過程成像器材的固有缺陷;成像系統(tǒng)的散焦;成像設(shè)備與物體的相對運動;噪聲、外部干擾等。桶形畸變-負畸變枕形畸變-正畸變攝像機導(dǎo)致的幾何畸變圖像模糊FencingFitness運動模糊(產(chǎn)生效果圖)運動模糊(產(chǎn)生效果圖)Noisyimageexamples退化與進化圖像復(fù)原(考古學(xué))主要內(nèi)容退化與復(fù)原概述圖像退化模型噪聲模型及去噪聲復(fù)原退化函數(shù)估計經(jīng)典圖像復(fù)原方法非線性復(fù)原方法圖像退化(Degradation)一、圖像退化與復(fù)原概述圖像復(fù)原為圖像退化的逆過程,是將退化的過程加以估計,建立退化數(shù)學(xué)模型,補償退化過程造成的失真。在圖像退化確知的情況下,圖像復(fù)原是有可能進行的,這屬于反問題求解。(Inversionproblem)圖像復(fù)原(Restoration)成像過程中的“退化”,是指由于成像系統(tǒng)各種因素的影響,使得圖像質(zhì)量降低。系統(tǒng)(模型)退化(正問題)復(fù)原(反問題)觀測圖理想圖近似惟一性多解性復(fù)原結(jié)果理想結(jié)果一、圖像退化與復(fù)原概述圖像增強Imageenhancement圖像恢復(fù)Imagerestoration目的改善圖像質(zhì)量。改善圖像質(zhì)量。過程及評價未考慮退化模型,主觀過程;提供便于人眼觀察或機器識別。需要考慮退化模型,客觀過程;恢復(fù)原始圖像的最優(yōu)估值。實現(xiàn)手段空域(卷積,

Convolution)或頻域濾波??沼?反卷積,Deconvolution)或頻域濾波

。圖像恢復(fù)與圖像增強的異同一、圖像退化與復(fù)原概述主要內(nèi)容退化與復(fù)原概述圖像退化模型噪聲模型及去噪聲復(fù)原退化函數(shù)估計經(jīng)典圖像復(fù)原方法非線性復(fù)原方法二、圖像退化模型激勵與響應(yīng)(Input/Output)

線性系統(tǒng)(LinearSystem)0f(x,y)H+g(x,y)n(x,y)二、圖像退化模型

移不變系統(tǒng)

離散脈沖→position-invariantsystem二、圖像退化模型

脈沖響應(yīng)(Impulsesresponse)Pointspreadfunction(PSF)

加性(Additivityproperty)

一致性(Homogeneityproperty)二、圖像退化模型Thesuperpositionintegralofthefirstkind(Fredholm)H←Position-invariant,

卷積積分(Theconvolutionintegral)二、圖像退化模型

空間域表示(Spatialdomain)

頻率域表示(Frequencydomain)

含噪聲線性退化模型(Lineardegradationmodelwithadditivenoise)二、圖像退化模型f(x,y)表示輸入圖像,g(x,y)是f(x,y)產(chǎn)生的一幅退化圖像,H表示退化函數(shù)。退化/復(fù)原的一體模型給定g(x,y)和H,怎樣獲得關(guān)于原始圖像的近似估計?退化模型向量空間表示

離散卷積形式:二、圖像退化模型退化模型向量空間表示

(1)矩陣形式其中,f,g

是M×N維向量,H是MN×MN維分塊循環(huán)矩陣。每行最后一項等于下一行最前一項;最后一行最后一項等于第一行第一項。每個Hj是由PSF的he(x,y)第j行而來,即H中的每塊是循環(huán)標注的,所以這里的H也是循環(huán)矩陣。退化模型向量空間表示

(2)考慮噪聲,設(shè)n是M×N維噪聲向量,則退化模型為:退化模型向量空間表示

點擴展函數(shù)(PSF/H)

噪聲模型(方差,性質(zhì))主要內(nèi)容退化與復(fù)原概述圖像退化模型噪聲模型及去噪聲復(fù)原退化函數(shù)估計經(jīng)典圖像復(fù)原方法非線性復(fù)原方法

噪聲及來源光學(xué)圖像的噪聲主要來源于圖像的獲取和傳輸兩個過程。三、噪聲模型及去噪聲復(fù)原圖像獲取的數(shù)字化過程,如圖像傳感器(CCD/CMOS)的質(zhì)量和環(huán)境條件;圖像傳輸過程中傳輸信道的噪聲干擾,如通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膱D像會受到光或其它大氣因素的干擾。1.噪聲的概率密度函數(shù)三、噪聲模型及去噪聲復(fù)原高斯噪聲瑞利噪聲伽馬(愛爾蘭)噪聲指數(shù)分布噪聲均勻分布噪聲脈沖噪聲(椒鹽噪聲)

Gaussiannoise1.NoiseProbabilityDensityFunctionsRayleighnoisewhereErlang(Gamma)noise1.NoiseProbabilityDensityFunctionsExponentialnoisewherewhereUniformnoise1.NoiseProbabilityDensityFunctionswhereImpulse(Salt&Pepper)noise1.NoiseProbabilityDensityFunctionsExample–noisyimagesandtheirhistogramsDEMOExample–noisyimagesandtheirhistograms13452gaussianlocalvarpoissonsalt&pepperspeckleJ=imnoise(I,type,parameters)MATLABcodes2.PeriodicNoise3.EstimationofNoiseParameters

均值濾波(MeanFilters)

統(tǒng)計排序濾波器(Order-StatisticFilters)

自適應(yīng)濾波(AdaptiveFilters)空域濾波器分類Agenda…三、噪聲模型及去噪聲復(fù)原

算數(shù)均值濾波(Arithmeticmeanfilter)

幾何均值濾波(Geometricmeanfilter)

諧均值濾波(Harmonicmeanfilter)

逆諧均值濾波(Contraharmonicmeanfilter)1.均值濾波器1.MeanFilters

ArithmeticmeanfilterormovingaveragefilterGeometricmeanfilter:mn=sizeofmovingwindowDegradationmodel:Toremovethispart

Harmonicmeanfilter

ContraharmonicmeanfilterWorkswellforsaltnoisebutfailsforpeppernoisemn=sizeofmovingwindowPositiveQissuitableforeliminatingpeppernoise.NegativeQissuitableforeliminatingsaltnoise.Q=thefilterorderForQ=0,thefilterreducestoanarithmeticmeanfilter.ForQ=-1,thefilterreducestoaharmonicmeanfilter.1.MeanFilters

Example-MeanFilters

Example-MeanFilters

Example-ContraharmonicFilters

中值濾波器(Medianfilter)最大值濾波器(Maxfilter)最小值濾波器(Minfilter)中點濾波器(Midpointfilter)阿爾法截斷均值濾波器(Alpha-trimmedMeanFilter)2.Order-StatisticFiltersMedianfilterMaxfilterMinfilterMidpointfilterReduce“dark”noise(peppernoise)Reduce“bright”noise(saltnoise)2.Order-StatisticFiltersAlpha-trimmedMeanFilterwheregr(s,t)representtheremainingmn-dpixelsafterremovingthed/2highestandd/2lowestvaluesofg(s,t).Thefilterisusefulinsituationsinvolvingmultipletypesofnoisesuchasacombinationofsalt-&-pepper

andGaussiannoise.Formula:Notice:d~[0,mn-1],

d=0→arithmeticmeanfilter;

d=mn-1→medianfilter.Example-MedianFilteringrepeatedlyDEMOExample–Max&MinFilters

B=ordfilt2(A,5,ones(3,3))implementsa3-by-3medianfilter;B=ordfilt2(A,1,ones(3,3))implementsa3-by-3minimumfilter;B=ordfilt2(A,9,ones(3,3))implementsa3-by-3maximumfilter.forexampleExample-Order-StatisticFilters

Comparisonof

DifferentFilteringresults:(c)Arithmeticmean(d)Geometricmean(e)Median(f)Alpha-trimmedAdaptive,LocalNoiseReductionFilterAdaptiveMedianFilter3.AdaptiveFilter3.AdaptiveFilterFilterbehaviordependsonstatisticalcharacteristicsoflocalareasinsidem×nmovingwindow.Morecomplexbutsuperiorperformancecomparedwith“fixed”Filters.

Statisticalcharacteristics:Localmean:Localvariance:Noisevariance:Adaptive,LocalNoiseReductionFilter①Ifsh2iszero,Nonoise thefiltershouldreturng(x,y)becauseg(x,y)=f(x,y).②IfsL2

ishighrelativetosh2,Edges(shouldbepreserved), thefiltershouldreturnthevalueclosetog(x,y).③IfsL2=sh2,Areasinsideobjects thefiltershouldreturnthearithmeticmeanvaluemL.Formula:Example-Adaptive,LocalNoiseReductionFilterAlgorithm:LevelA: A1=zmedian–zmin;

A2=zmedian–zmax;

IfA1>0andA2<0,gotolevelB. Elseincreasewindowsize. Ifwindowsize≤

SmaxrepeatlevelA. Elsereturnzxy.LevelB: B1=zxy–zmin B2=zxy–zmax

IfB1>0andB2<0,returnzxy.

Elsereturnzmedian.AdaptiveMedianFilter

zmin=minimumgraylevelvalueinSxy.zmax=maximumgraylevelvalueinSxy.zmedian=medianofgraylevelsinSxy.zxy=graylevelvalueatpixel(x,y).Smax

=maximumallowedsizeofSxy.wherePurpose:

wanttoremoveimpulsenoisewhilepreservingedgesLevelA:A1=zmedian–zmin;

A2=zmedian–zmax;

Else

windowisnotbigenough. increasewindowsize. Ifwindowsize≤

SmaxrepeatlevelA. Elsereturnzxy..

zmedianisnotanimpulse. B1=zxy–zmin; B2=zxy–zmax;

IfB1>0andB2<0,

zxyisnotanimpulse.

returnzxy

topreserveoriginaldetails.

Else returnzmedian

toremoveimpulse.AdaptiveMedianFilter:HowitworksIfA1>0andA2<0,gotolevelB.LevelB:DeterminewhetherzmedianisanimpulseornotDeterminewhetherzxyisanimpulseornotDEMOExample-AdaptiveMedianFilterfunctionf=adpmedian(g,Smax)Edge-preservingfiltering(EPS),suchasbilateralfiltering.Learnmore…

主要內(nèi)容退化與復(fù)原概述圖像退化模型噪聲模型及去噪聲復(fù)原退化函數(shù)估計經(jīng)典圖像復(fù)原方法非線性復(fù)原方法

圖像觀察(ImageObservation)

實驗估計(byExperiment)

建模估計(EstimationbyModeling)估計方法Agenda…四、退化函數(shù)估計1.EstimationbyImageObservationf(x,y)*h(x,y)SubimageReconstructedSubimageDFTDFTRestorationprocessbyestimationOriginalimagef(x,y)(unknown)Degradedimageg(x,y)EstimatedtransferfunctionObservationThiscaseisusedwhenweknowonlyg(x,y)andcannotrepeattheexperiment!DFT2.EstimationbyExperimentDFTUsedwhenwehavethesameequipmentsetupandcanrepeattheexperiment.Atmosphericturbulence3.Estimationby

ModelingThephysicalcharacteristicsofatmosphericturbulence——amodelbyHufnagelandStanley(1964)where,kisaconstantthatdependsonthenatureoftheturbulence.3.Estimationby

ModelingwhereTisthedurationoftheexposure,x0(t),y0(t)arethetime-varyingcomponentsofmotioninthex-andy-directions,respectively.MotionbetweentheimageandthesensorFFT:Theblurredimage:3.Estimationby

ModelingF(u,v)TransferfunctionForuniformlinearmotion,i.e.3.Estimationby

ModelingH(u,v)Example—MotionBlurringMATLABfunction:H=fspecial('motion',20,45);MotionBlur=imfilter(I,H,'replicate');DEMO主要內(nèi)容退化與復(fù)原概述圖像退化模型噪聲模型及去噪聲復(fù)原退化函數(shù)估計經(jīng)典圖像復(fù)原方法非線性復(fù)原方法基本原理由退化模型得:最小均方誤差準則:非約束情況(無條件滿足):五、經(jīng)典圖像復(fù)原方法有約束情況:令Q為的線性算子,有約束最小二乘復(fù)原就是要使得最小。這類最小化問題,可用Lagrange算子來處理,設(shè)為拉格朗日乘子,尋找使下面的準則函數(shù)最小的(即約束條件):基本原理五、經(jīng)典圖像復(fù)原方法基本原理,得到:由極值條件:式中:注:適當(dāng)選擇這一參數(shù),使約束條件滿足,即可求得最佳估計。不同Q對應(yīng)不同的復(fù)原方法五、經(jīng)典圖像復(fù)原方法逆濾波(Inversefiltering)維納濾波(Wienerfilter)

約束最小平方濾波(Constrainedleastsquaresfilter)

幾何均值濾波(FilterGeometricMeanFilter)復(fù)原方法分類Agenda…五、經(jīng)典圖像復(fù)原方法EstimationofinitialimageinFTdomain1.InverseFilteringConsideringnoiseFrequencylimitedinversefilterRThetransferfunctionofTurbulenceExample-InverseFilteringwithfrequencylimitedItalsoiscommonlyreferredtoastheminimummeansquareerror

(MMSE)filterortheleastsquareerror

(LSE)filter.5.8WienerFilteringTheerrormeasurewhereE(.)istheexpectedvalueoftheargument.TheWienerfilter(1942)minimizesthemeansquareerror(MSE)betweentheestimatedrandomprocessandthedesiredprocess.NorbertWiener(1894-1964)2.WienerFilteringwhere

g=1,thestandardWienerfilter.Otherwise,theparametricWienerfilter.Hardtoestimateg

=1,thestandard

Wiener2.WienerFilteringPractically,kischosenmanuallytoobtainedthebestvisualresult!Approximatedformula

Wienerfilterformula

Signal-to-noise-ratio(SNR)2.WienerFilteringMeansquareerror(MSE)SNRinthespatialdomainSignalsNoisesExample-WienerFilteringComparisonoftheWienerfilteringandInverseFiltering.Example-WienerFilteringAWGNsh2=650AWGNsh2=65AWGNsh2=0.0065約束最小平方濾波(Constrainedleastsquaresfiltering),也叫正則濾波(Regularizedfiltering),是一種有約束條件下的迭代復(fù)原技術(shù)。方法簡介補充:正則化(Regularization/Normalization),是指在線性代數(shù)理論中,不適定問題通常是由一組線性代數(shù)方程定義的,而且這組方程組通常來源于有著很大的條件數(shù)的不適定反問題。大條件數(shù)意味著舍入誤差或其它誤差會嚴重地影響問題的結(jié)果。

3.ConstrainedLeastSquaresFilteringDegradationmodelObjective:tofindtheminimumofacriterionfunctionSubjecttotheconstraintwhere3.ConstrainedLeastSquaresFilteringwritteninamatrixformwhere3.ConstrainedLeastSquaresFilteringgisadaptivelyadjustedtoachievethebestresult.P(u,v)=theFouriertransformofp(x,y)——SmoothingConstrained

Restoration.WegetaconstrainedleastsquarefilterExample–ConstrainedLeastSquaresFilteringComparisonoftheWienerfilteringandConstrainedLeastSquaresFiltering.“Residual”vectorAdjust

g

sothatwhere,aisanaccuracyfactor.13.ConstrainedLeastSquaresFilteringMonotonicallyincreasingfunction(Hunt,1973)Stepsforadjustingg1.Specifyaninitialvalueofg.2.Compute.otherwisereturnstep2afterincreasinggif ordecreasinggifUsethenewvalueofgtorecompute3.Stopifissatisfied1StepsforadjustinggForcomputingStepsforadjustinggForcomputing

Discussion(1)g=0→

InverseFiltering

(2)g

=1→WienerFiltering

3.ConstrainedLeastSquaresFilteringExample–ConstrainedLeastSquaresFilteringIterativeestimationoftheoptimumConstrainedLeastSquaresFilteringwithdifferentnoiseparameters.

Wiener濾波與約束最小二乘濾波的比較(1)

都屬于有約束復(fù)原,頻域恢復(fù)公式類似。(2)后者在圖像恢復(fù)時,不需要知道圖像和噪聲的自相關(guān)矩陣。(3)后者帶有平滑約束,可得到更符合人眼視覺效果的平滑圖像,并且在噪聲較大的情況下比Wiener濾波的效果明顯要好。3.約束最小二乘濾波Thefilterrepresentsafamilyoffilterscombinedintoasingleexpression.a=1

theinversefiltera=0theParametricWienerfiltera=0,b=1thestandardWienerfilterb=1,a<0.5Moreliketheinversefilterb=1,a>0.5MoreliketheWienerfilterAnothername:thespectrumequalizationfilter(譜均衡濾波器)4.GeometricMeanFilter主要內(nèi)容退化與復(fù)原概述圖像退化模型噪聲模型及去噪聲復(fù)原退化函數(shù)估計經(jīng)典圖像復(fù)原方法非線性復(fù)原方法最大后驗復(fù)原(如:R-L算法)最大熵復(fù)原同態(tài)濾波復(fù)原六、非線性復(fù)原方法1.同態(tài)濾波(HomomorphicFilter)目的:正常圖象是在均勻光強度情況下獲得的圖象,實際上光照射是不均勻,或光強范圍動態(tài)太大。方法:為解決光照不均勻的影響,可用同態(tài)濾波來解決。模型原理:隨空間位置不同的光強分量。特點:緩慢變化,頻率集中在低頻部分。景物反射到眼睛的圖象。特點:包含景物各種信息,高頻分量豐富。1.同態(tài)濾波(HomomorphicFilter)①對原圖取對數(shù)得到如下兩個加性分量:②頻域表示為:1.同態(tài)濾波(HomomorphicFilter)③設(shè)計一個濾波器H(u,v)進行濾波處理.④傅立葉反變換,即IFFT。⑤求指數(shù)結(jié)果,得到復(fù)原結(jié)果。LNFFTH(u,v)IFFTEXP1.同態(tài)濾波(HomomorphicFilter)H(u,v)設(shè)計壓縮照度分量i增強反射分量rD01.同態(tài)濾波(HomomorphicFilter)同態(tài)濾波:是把頻率過濾和灰度變換結(jié)合起來的一種圖像處理方法,它依靠圖像的照度/反射率模型作為頻域處理的基礎(chǔ),利用壓縮亮度范圍和增強對比度來改善圖像的質(zhì)量。

同態(tài)系統(tǒng):是將非線性問題,轉(zhuǎn)化為線性問題處理。即對非線性混雜信號,做某種

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