LDX_DSP试验讲解(5)-图像增强

1、2013年年5月月 西安邮电大学西安邮电大学 通信与通信与信息工程信息工程学院学院DSP试验原理及步骤讲解试验原理及步骤讲解 (五五)图像增强图像增强(Imge Enhancement)（复习）边缘检测（复习）边缘检测1 边缘的定义边缘的定义 图像中灰度发生突变或不连续的微小区域（一图像中灰度发生突变或不连续的微小区域（一组相连的像素集合）组相连的像素集合）, ,即即是两个具有相对不同灰是两个具有相对不同灰度值特性的区域的边界线度值特性的区域的边界线。 在一幅图像中，边缘有方向和幅度两个特性。在一幅图像中，边缘有方向和幅度两个特性。一般认为沿边缘走向的灰度变化较为平缓，而垂一般认为沿边缘走向的

2、灰度变化较为平缓，而垂直于边缘走向的灰度变化剧烈。即灰度梯度指向直于边缘走向的灰度变化剧烈。即灰度梯度指向边缘的垂直方向。边缘的垂直方向。 l 一阶微分算子（梯度算子） Prewitt, Sobel n检测最大值l 二阶微分算子（Laplacian）n检测过零点（复习）边缘检测（复习）边缘检测一阶微分：用梯度算子来计算一阶微分：用梯度算子来计算 特点：特点：对于左图，左侧的边是正的（由暗对于左图，左侧的边是正的（由暗到亮），右侧的边是负的（由亮到暗）。对到亮），右侧的边是负的（由亮到暗）。对于右图，结论相反。常数部分为零。于右图，结论相反。常数部分为零。 用途：用途：用于检测图像中边的存在。用

3、于检测图像中边的存在。一阶导数的极大值点：一阶导数的极大值点： |argmax( ( )Edgex xf xn二阶微分：通过拉普拉斯来计算二阶微分：通过拉普拉斯来计算u特点：特点：二阶微分在亮的一边是正的，在二阶微分在亮的一边是正的，在暗的一边是负的。常数部分为零。暗的一边是负的。常数部分为零。0-1-140-10-10二、图像边缘检测算法原理二、图像边缘检测算法原理用途：用途：1）二次导数的符号，用于确定边上的像素是）二次导数的符号，用于确定边上的像素是在亮的一边，还是暗的一边。在亮的一边，还是暗的一边。2）0跨越（零交叉），确定边的准确位置。跨越（零交叉），确定边的准确位置。二、图像边缘检

4、测算法原理二、图像边缘检测算法原理二阶导数的过零点：二阶导数的过零点： |( )0, zero crossingsEdgex fx在数字图像上计算微分在数字图像上计算微分l 一维的情况：一维的情况：0()( )( )limxdff xxf xfxdxx 对于离散的数字信号，可以使用差分近似对于离散的数字信号，可以使用差分近似：(1)(1)( )2f xf xfx相当于与如下模版进行卷积运算相当于与如下模版进行卷积运算：-1010.5f(x)x-1x+1被称为被称为“”图像梯度算子的近似图像梯度算子的近似lRoberts算子lPrewitt算子lSobel算子Gx-220-110-110000-

5、1-1-2112Gyz2z8z5z3z9z6z1z7z4Sobel算子算子为：为： Gx = (z7 + 2z8 + z9) - (z1 + 2z2 + z3) Gy = (z3 + 2z6 + z9) - (z1 + 2z4 + z7)梯度值：梯度值： | f | | Gx | + | Gy |Sobel 算子算子Sobel实验结果实验结果开始学习新内容，图像增强开始学习新内容，图像增强 (引言引言) 为什么要研究图像增强技术为什么要研究图像增强技术(引言引言) 为什么要研究图像增强技术为什么要研究图像增强技术医学医学CT图像增强图像增强目目 录录1、边缘检测的相关概念、边缘检测的相关概念2

6、、边缘检测的基本原理、边缘检测的基本原理 3、 算法步骤与流程图算法步骤与流程图4、 C语言代码与分析语言代码与分析5、 试验结果与分析试验结果与分析图像增强是指对图像的某些特征，如边缘、轮廓、对比度等进行强调或尖锐化。增强的首要目标是处理图象，使其比原始图象更适合于特定应用。（冈萨雷斯）图像增强技术作为一大类基本的图像处理技术，其目的是对图像进行加工，以得到对具体应用来说视觉效果更“好”，更“有用”的图象。（章毓晋） （1）感兴趣物体特性）感兴趣物体特性 （2）观察者的习惯）观察者的习惯 （3）处理目的。）处理目的。 因此，图像增强算法是有因此，图像增强算法是有针对性针对性的，不的，不存在通

7、用的增强算法。存在通用的增强算法。 空域处理空域处理 全局运算：全局运算：在整个图像空间域进行。在整个图像空间域进行。 局部运算：局部运算：在与象素有关的空间域进行。在与象素有关的空间域进行。 点运算：点运算：对图像作逐点运算。对图像作逐点运算。 频域处理频域处理 在图像的变换域中进行处理。在图像的变换域中进行处理。7 7、灰度变换图像增强、灰度变换图像增强基于点操作的图像增强方法。基于点操作的图像增强方法。可调整图像的灰度动态范围或图像对比度，是图像增强可调整图像的灰度动态范围或图像对比度，是图像增强的重要手段之一。的重要手段之一。yxfTyxg,ryxf,syxg,TT 称为灰度级变换函数

8、，它将称为灰度级变换函数，它将 (x, y) 点的像素点的像素值值 f(x, y) 映射成映射成 g(x, y) 。 灰度变换灰度变换 T 可以选择不同的灰度变换函数，如正比函数可以选择不同的灰度变换函数，如正比函数和指数函数等和指数函数等 。常用的灰度变换函数主要有：。常用的灰度变换函数主要有： （1）线性灰度变换）线性灰度变换 （2）分段线性灰度变换）分段线性灰度变换 （3）非线性灰度变换）非线性灰度变换二、灰度线性变换二、灰度线性变换图图1 灰度线性变换灰度线性变换 在曝光不足或过度的情况下，图像灰度可能会局限在一在曝光不足或过度的情况下，图像灰度可能会局限在一个很小的范围内。个很小的范

9、围内。 这时在显示器上看到的将是一个模糊不清、似乎没有灰这时在显示器上看到的将是一个模糊不清、似乎没有灰度层次的图像。度层次的图像。 对曝光不足的图像采用线性变换对图像每一个像素灰度对曝光不足的图像采用线性变换对图像每一个像素灰度作线性拉伸，则可有效地改善图像视觉效果。作线性拉伸，则可有效地改善图像视觉效果。 二、灰度线性变换二、灰度线性变换线性拉伸线性拉伸变换前后效果对比图变换前后效果对比图: 变换前变换前 变换后变换后二、灰度线性变换二、灰度线性变换二、灰度线性变换二、灰度线性变换 void IMG_LineTransform( unsigned char *F, /* 输入的灰度图像输入

10、的灰度图像 */ unsigned char *G, /* 输出的灰度图像输出的灰度图像 */ int m, int n, int M,int N, /* 灰度变换前后区间的端点灰度变换前后区间的端点 */ int cols, int rows /* 图像的宽度与高度图像的宽度与高度 */) int i; /定义局部变量定义局部变量 float t=(float)(N-M)/ (float) (n-m); /为待生成的灰度图像分配空间为待生成的灰度图像分配空间 G = (unsigned char *)calloc(cols*rows, sizeof(unsigned char); /采用循环

11、的方式对图像中的每个像素进行变换采用循环的方式对图像中的每个像素进行变换 for (i = 0; i cols*rows; i+) if (mFin) G i=t*(float)(Fi-m)+M ; /线性变换线性变换 else G i=Fi; /置为原灰度值置为原灰度值 /程序结束程序结束二、灰度线性变换二、灰度线性变换二、灰度线性变换二、灰度线性变换二、灰度线性变换二、灰度线性变换二、灰度线性变换二、灰度线性变换三、灰度取反三、灰度取反() ( , ),NMf x ymg x yMnm线性灰度变换的表达式线性灰度变换的表达式 ： 当当m=0, n=255, M=255, N=0时，则线性灰

12、度变换时，则线性灰度变换的表达式变为的表达式变为 ：,( , )255g x yf x y 三、灰度取反三、灰度取反 图像取反，又称为负相变换，是图像的线性变换方法中图像取反，又称为负相变换，是图像的线性变换方法中的一种具体实现方法。的一种具体实现方法。 获得类似照相底片效果的图像，取反处理后的图像与原获得类似照相底片效果的图像，取反处理后的图像与原始图像始图像“黑白颠倒黑白颠倒”。 三、灰度取反三、灰度取反-实验效果实验效果C语言语言DSP子程序与分析子程序与分析 BOOL IMG_Reverse (unsigned char *F, unsigned char *G, int Width,

13、 int Height) / 指向源图像的指针指向源图像的指针 unsigned char *lpSrc; / 指向缓存图像的指针指向缓存图像的指针 unsigned char *lpDst; int pixel; /临时变量临时变量 /循环变量循环变量 long i; /开始图像取反开始图像取反 lpSrc=F; /指针指向源图像指针指向源图像F lpDst=G; /指针指向二值图像指针指向二值图像G for (i = 0;i Width* Height ;i+) pixel = (int)*lpSrc+; pixel=255-pixel; /取反取反 *lpDst+ = (unsigned

14、 char) pixel; return TRUE; / 返回返回 三、灰度取反三、灰度取反实验结果实验结果三、灰度取反三、灰度取反实验结果实验结果四、分段线性变换四、分段线性变换 线性变换没有将原图像的灰度值加以区分，在实际处理线性变换没有将原图像的灰度值加以区分，在实际处理时，为突出增强重要的灰度区间，抑制削弱不重要的灰度时，为突出增强重要的灰度区间，抑制削弱不重要的灰度区间，可以采用分段线性灰度变换法来实现。区间，可以采用分段线性灰度变换法来实现。 分段线性灰度变换法是比较常用的一种灰度变换方法，分段线性灰度变换法是比较常用的一种灰度变换方法，分段线性灰度变换法可以被看成是非线性灰度变换

15、法中的分段线性灰度变换法可以被看成是非线性灰度变换法中的一种特殊情况，也可被看成是线性灰度变换法中的一般情一种特殊情况，也可被看成是线性灰度变换法中的一般情况。况。 如下图所示，是分段线性灰度变换的变换函数图形，其如下图所示，是分段线性灰度变换的变换函数图形，其数学表达式为：数学表达式为：1112111122122222( , )0,1,11tf x yf x yssttg x yf x ystsf x ysssLtf x ystsf x yLLs 当当当图图3 灰度分段线性变换灰度分段线性变换2、实验结果、实验结果 对比度扩展 削波 阈值化 灰度窗口五、对数非线性变换五、对数非线性变换 五、

16、对数非线性变换五、对数非线性变换 图图5 灰度对数变换曲线灰度对数变换曲线 当希望对图像的低当希望对图像的低灰度区作较大的拉伸灰度区作较大的拉伸，而对高灰度区压缩，而对高灰度区压缩时，可采用这种变换时，可采用这种变换，它能使图像灰度分，它能使图像灰度分布与人的视觉特性相布与人的视觉特性相匹配。匹配。 五、对数非线性变换五、对数非线性变换 六、指数非线性变换六、指数非线性变换 六、指数非线性变换六、指数非线性变换 五、对数非线性变换五、对数非线性变换 图图6 灰度指数变换曲线灰度指数变换曲线void ExpTrans(unsigned char *F, unsigned char * G, in

17、t width, int height) /定义局部变量定义局部变量 int map256; double t,dTemp; unsigned char * pp, *newpp; int i, Tmax=-1000, Tmin=1000; /定义局部变量定义局部变量 /求得图像求得图像 F 的最小与最大灰度值的最小与最大灰度值 pp=F; /指针指向原图像指针指向原图像 for (i = 0; i *pp) Tmin=*pp; if (Tmax*pp) Tmax=*pp; pp+; /指针后移一位指针后移一位 / 映射表，用于映射表，用于256种灰度变换后的值种灰度变换后的值 t=255.0/exp( (Tmax-Tmin)/200.0-1.0 ); / 保存运算后的临时值保存运算后的临时值 for (i = 0; i 256; i+) / 计算当前像素变换后的值计算当前像素变换后的值 dTemp =t*exp(i-Tmin)/200.0-1.0); / 如果超界则修改其值如果超界则修改其值 if (dTemp 255) dTemp = 255; mapi = (int)(dTemp + 0.5); /四