基于空域?yàn)V波的圖像增強(qiáng)法的探討*

鄭 丹，馬尚昌,2，趙 靜

(1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.中國氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

基于空域?yàn)V波的圖像增強(qiáng)法的探討*

鄭 丹1，馬尚昌1,2，趙 靜1

(1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.中國氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610225)

圖像采集和處理方法的發(fā)展日新月異，針對(duì)不同圖像特征的圖像增強(qiáng)技術(shù)，可以加強(qiáng)圖像可懂性，提高視覺效果，抑制噪聲，為圖像的后續(xù)識(shí)別做更好的鋪墊。本文MATLAB平臺(tái)主要用于平滑和銳化的QR碼圖像處理，在QR碼圖像去噪問題上，結(jié)合濾波的不同模板以及噪聲類型，所獲得的不同濾波的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：中值濾波窗口的尺寸大小是影響椒鹽噪聲去除有效性和提升圖像識(shí)別率的關(guān)鍵因素；空域圖像增強(qiáng)法中，平滑濾波所呈現(xiàn)出的功能效果更優(yōu)于銳化濾波。

圖像增強(qiáng)；空域?yàn)V波；中值濾波；噪聲；QR碼

0 引言

圖像是最直觀的視覺信息，了解包含了大量信息的圖像是獲取信息的最直觀的方式之一，圖像技術(shù)已在科學(xué)研究、醫(yī)療、軍事、教育、交通、執(zhí)法和安全等方面得到了廣泛的重視和極大的關(guān)注，并取得長(zhǎng)足進(jìn)展。圖像技術(shù)的不斷發(fā)展，信息交換的頻繁以及二維條碼的普及，提高了對(duì)圖像精細(xì)程度、分辨率技術(shù)等指標(biāo)的要求。噪聲、曝光度、系統(tǒng)自身原因等會(huì)引起各種干擾因素，從而影響圖像的獲取和傳輸，導(dǎo)致出現(xiàn)失真、圖像降質(zhì)的問題。為此，在圖像處理技術(shù)水平上，要提高層次效果，加強(qiáng)圖像的可懂度，保證各種特征分析和處理水平的提升。在圖像預(yù)處理中，圖像復(fù)原和圖像增強(qiáng)是提高視感質(zhì)量的兩種方法。繁瑣的圖像恢復(fù)技術(shù)需使用“降質(zhì)模型”以復(fù)原圖像[1]。而圖像增強(qiáng)技術(shù)則只需將感興趣的目標(biāo)特征信息更精細(xì)化地表達(dá)出來，增強(qiáng)圖像中特定目標(biāo)信息的可辨識(shí)能力，抑制噪聲，強(qiáng)化特色，提高可理解性，利于QR碼圖像的后續(xù)識(shí)別及內(nèi)容的自動(dòng)提取能力。

針對(duì)不同圖像特征，提出不同的增強(qiáng)技術(shù)。圖像增強(qiáng)技術(shù)主要包括：對(duì)比度拉伸、邊緣突出、圖像去噪、亮度校正以及偽彩色處理等[2]?；诳臻g的差異，該增強(qiáng)技術(shù)可分為：空域法和頻域法。以灰度映射變換為基礎(chǔ)的空域法，在像素組成的空間里直接對(duì)像素進(jìn)行點(diǎn)操作和鄰域操；而作用于傅里葉變換的頻域增強(qiáng)法，是建立在卷積運(yùn)算上的一種間接增強(qiáng)算法[3]。

本文重點(diǎn)介紹空間域的圖像增強(qiáng)算法，在MATLAB平臺(tái)上對(duì)QR碼進(jìn)行平滑濾波和銳化濾波處理，引入不同的噪聲信號(hào)，對(duì)非線性濾波范圍內(nèi)的中值濾波所呈現(xiàn)出的濾除效果的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析出不同濾波法的優(yōu)劣勢(shì)。

1 空域圖像增強(qiáng)技術(shù)

圖像增強(qiáng)是改變QR碼圖像中的像素值的過程，改進(jìn)了人或機(jī)器對(duì)重要圖像細(xì)節(jié)或目標(biāo)的檢測(cè)能力，特定目標(biāo)的圖像增強(qiáng)技術(shù)沒有通用理論和完美算法，實(shí)則為一個(gè)交互過程(如圖1所示)，最終獲得一個(gè)改進(jìn)新版本。

圖1 圖像增強(qiáng)過程

空域?yàn)V波本質(zhì)上是作用于模板上的鄰域操作，模板可看作一個(gè)小的覆蓋在圖像上的窗，每次執(zhí)行對(duì)一個(gè)像素的操作，由原始值和它的鄰域像素值確定結(jié)果像素值。根據(jù)模板的特點(diǎn)，空域?yàn)V波可劃分為基于傅里葉分析的線性濾波和對(duì)鄰域直接操作的非線性濾波[4]；按處理效果來分類，又可分為平滑濾波(可由低通濾波器完成)和銳化濾波兩類，平滑濾波通過消除混雜在圖像中的干擾因素，達(dá)到主觀質(zhì)量的要求，強(qiáng)化圖像表現(xiàn)特征；高通濾波器(HPF)作用于QR碼圖像呈現(xiàn)出的總體效果是一個(gè)受控制的銳化程度,HPF對(duì)高頻分量的保留或增強(qiáng)會(huì)產(chǎn)生噪聲加強(qiáng)的副作用。

1.1 平滑濾波

1.1.1 均值濾波

平滑濾波器濾去圖像中微小細(xì)節(jié)，有效抑制加性噪聲，減少局部灰度的起伏，但容易引起由圖像灰度尖銳變化所帶來的邊緣模糊的負(fù)影響。鄰域均值法是典型的空間域平滑噪聲技術(shù)，原始圖像中鄰域里的像素值和模板系數(shù)乘積的和是結(jié)果像素的輸出[5]。一個(gè)常用的3×3同質(zhì)均值濾波器的所有系數(shù)均相等(全為1)，通過對(duì)模板卷積后的結(jié)果除以放縮因子來實(shí)現(xiàn)；而非同質(zhì)的均值濾波器則給模板中心一個(gè)較高權(quán)重的值，所有其他系數(shù)都根據(jù)它們與中心的距離加權(quán)，這是一種特殊的模板(如圖2所示)。速度快、算法簡(jiǎn)單的均值濾波會(huì)以付出圖像模糊加重為代價(jià)，來消除噪聲。鄰域均值法圖像平滑處理由式(1)可得：

(1)

其中M為鄰域S內(nèi)所包含的像素總數(shù)；S為事先確定的鄰域(該鄰域不包括(x,y)點(diǎn))。

圖2 同質(zhì)和非同質(zhì)的平均模板

在均值濾波中：算術(shù)均值濾波會(huì)導(dǎo)致一定的圖像模糊(與窗口尺寸成正比)，從而減小噪聲的影響，對(duì)高斯、均勻和厄朗噪聲工作效果最好；作為算術(shù)均值濾波器變型之一的幾何均值濾波，能較好地保留圖像細(xì)節(jié)，主要用于高斯噪聲圖像[6]；同樣對(duì)高斯噪聲很管用的調(diào)和均值濾波可濾除鹽噪聲，黑色像素(椒噪聲)卻不受影響；逆調(diào)和均值濾波可以消減鹽噪聲或椒噪聲的量，但不是同時(shí)兩者。

1.1.2 中值濾波

3.1 本次試驗(yàn)顯示每隔6天輸精一次受精率最高，間隔8天輸精一次受精率最低。分析原因認(rèn)為精子在母雞體內(nèi)一般存活6～7天，因此6天輸精一次受精率較高。

空域噪聲消除技術(shù)涉及：均值濾波和序統(tǒng)計(jì)濾波。中值濾波是一種能有效抑制噪聲的最常用和最好用的排序?yàn)V波，它對(duì)窗中的值排序、選取正中間像素值來替換原始像素值。至今，中值濾波器(如圖3所示)是使用最廣泛的排序?yàn)V波器，根據(jù)需求來調(diào)整中值濾波的空間尺寸，一般常用的有3×3、5×5、7×7或9×9等模塊，分布稀疏的中值模板更適用于大尺度的中值濾波器[7-8]。一個(gè)2-D中值濾波可用式(2)表示：

(2)

圖3 中值濾波器

圖4 均值和中值濾波對(duì)比圖

添加噪聲的方差為0.04，采用5×5的濾波窗口，得到均值濾波和中值濾波的仿真對(duì)比結(jié)果(如圖4所示)，由此結(jié)果可知，經(jīng)均值濾波處理后的QR碼圖像中，椒鹽噪聲明顯減少的同時(shí)圖像本身被模糊；中值濾波所得出的結(jié)果明顯好于相同尺寸窗的均值濾波的結(jié)果，中值濾波對(duì)減少“椒鹽噪聲”(一類導(dǎo)致圖像中出現(xiàn)非常亮(鹽)和非常暗(椒)的孤立點(diǎn)的噪聲)非常有效(明顯比具有相比擬鄰域尺寸的平均濾波器要好)，椒鹽噪聲的斑點(diǎn)全部被去除，并保持了細(xì)節(jié)的清晰。

1.2 銳化濾波

圖像增強(qiáng)處理中，除了對(duì)比度拉伸、改善顏色效果、提高細(xì)微層次外，還需突出加強(qiáng)目標(biāo)主題的邊界和細(xì)節(jié)信息。模板卷積用于實(shí)現(xiàn)線性銳化濾波，卷積操作可以用來檢測(cè)或強(qiáng)調(diào)一幅圖像的高頻內(nèi)容，而線性高通濾波器可使用具有正的和負(fù)的系數(shù)的2-D卷積模板來實(shí)現(xiàn)[9]；對(duì)圖像進(jìn)行非線性銳化濾波處理中最常用到梯度算子，同樣sobel算子、prewitt算子、log算子等亦可突出邊緣[10]。而在頻域中通常采用高通濾波技術(shù)，能保留或增強(qiáng)圖像的高頻分量(如微小細(xì)節(jié)、點(diǎn)、線和邊緣)，即能凸顯圖像中的亮度過度部分。本文內(nèi)容還包含運(yùn)用微分在空間域進(jìn)行銳化濾波的定義和實(shí)現(xiàn)，對(duì)sobel算子、log算子和拉普拉斯算子所得出的效果圖進(jìn)行對(duì)比。

2 空域?yàn)V波仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 不同模板的濾除實(shí)驗(yàn)

圖5 不同模板的中值濾波圖

窗尺寸和模板系數(shù)參數(shù)的配置直接影響中值濾波的去噪效果。圖5展示了對(duì)一幅受0.06密度的椒鹽噪聲污染的QR碼圖像使用不同模板的中值濾波所呈現(xiàn)出的效果，可以注意到：對(duì)于椒鹽噪聲，當(dāng)所用的平滑模板的尺寸增大時(shí)，衰減噪聲能力加強(qiáng)，但計(jì)算量的增加比消噪效果的改善更加明顯。

2.2 三大噪聲的濾除實(shí)驗(yàn)

圖6 不同噪聲的中值濾波效果圖

2.3 銳化濾波實(shí)驗(yàn)

銳化可提高圖像上邊緣與線性目標(biāo)的反差，突出邊緣細(xì)節(jié)信息或亮度變化大的區(qū)域[11]。高頻提升濾波是銳化技術(shù)之一，生成一個(gè)銳化圖像并將其加到原始圖像上。高頻成分受到抑制，導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)輪廓模糊不清，經(jīng)銳化處理的算子濾波圖像和原圖像對(duì)比(如圖7)可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)sobel算子、log算子實(shí)現(xiàn)的輪廓銳化后，被模糊的邊緣區(qū)域得到較大提高，圖像輪廓清晰突出?？s放圖像以使其灰度擴(kuò)展到整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍，可以得到拉普拉斯算子所產(chǎn)生細(xì)節(jié)的較好觀察效果。拉普拉斯算子檢測(cè)的是變化率的變化率，是具有各向同性的(即旋轉(zhuǎn)不變時(shí))二階微分，它能對(duì)任何方向的亮度過渡產(chǎn)生響應(yīng)。但拉普拉斯算子濾波的缺點(diǎn)是，圖像中清晰顯示的部分經(jīng)濾波后出現(xiàn)失真情況。

圖7 空域法銳化濾波

3 結(jié)論

本文利用MATLAB平臺(tái)，對(duì)QR碼圖像分別進(jìn)行平滑和銳化濾波的增強(qiáng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)，在QR碼圖像去噪問題上，結(jié)合濾波的不同模板以及噪聲類型，對(duì)比其他去噪方法，將仿真實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行比較分析，得出以下結(jié)論：

(1)空域法圖像增強(qiáng)處理中，從消除噪聲的能力考慮，中值濾波明顯好于用相同尺寸窗的均值濾波效果，均值濾波的鄰域取得越大，圖像的模糊程度也會(huì)相應(yīng)增加。

(2)濾波窗口尺寸會(huì)對(duì)中值濾波算法的效果有一定的控制性：采用大尺寸窗口的模板，在增強(qiáng)去噪能力的同時(shí)也會(huì)削弱細(xì)節(jié)的保留能力；反之，去除噪聲干擾的效果會(huì)隨著模板窗口的變小而顯著降低。選擇一個(gè)合適濾波表達(dá)的關(guān)鍵是發(fā)現(xiàn)在窗口尺寸、主觀質(zhì)量的兼容性之間的較好折衷。

(3)中值濾波最適用于強(qiáng)度大、分布稀松的椒鹽噪聲圖像，對(duì)高斯噪聲的濾除效果需進(jìn)一步提高，對(duì)乘性噪聲的消噪效果相對(duì)較差；

(4)從圖像增強(qiáng)處理功能效果方面，平滑濾波比銳化濾波更占優(yōu)勢(shì)，就一種平滑方法而言，應(yīng)在保持噪聲去除效果的同時(shí)，加強(qiáng)圖像清晰程度的掌控，以便提高QR碼的識(shí)別率。

采用空域圖像增強(qiáng)技術(shù)能更好地解決特定的圖像處理問題，其關(guān)鍵取決于技術(shù)的正確選擇、參數(shù)(如窗口尺寸和模板系數(shù))的配置以及使用順序的合理安排。通過不同方法的探討與嘗試，獲得QR碼圖像增強(qiáng)的最為適合的方法，以提高對(duì)QR碼圖像的識(shí)別能力。

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Research on image enhancement method based on spatial filtering

Zheng Dan1, Ma Shangchang1,2, Zhao Jing1

(1.Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China;2.The Key Laboratory of China Meteorological Administration, Chengdu 610225, China)

The development of image acquisition and processing methods with each passing day, the image enhancement technology based on different image features can enhance the understanding of the image, improve the visual effect, restrain noise, and pave the way for the further recognition of the image.The MATLAB platform is mainly used for smoothing and sharpening of the QR code image processing for the pooblem of QR code image denoise, it is combined with the filtering of different templates and noise type, obtains the different filtering simulation experiment results, which show that the median filter window size is key factor which effects removing salt and pepper noise effectively and enhances the image recognition rate. Image enhancement in the frequency domain method, smoothing filter are showing the functional effect is better than sharpening filter.

image enhancement; spatial filter; median filter; noise; QR code

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012YQ110205)

911.7

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.012

鄭丹，馬尚昌，趙靜.基于空域?yàn)V波的圖像增強(qiáng)法的探討[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(4)：40-42，46.

2016-08-23)

鄭丹(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：氣象探測(cè)。

馬尚昌(1971-)，男，博士，教授，主要研究方向：氣象探測(cè)儀器。

趙靜(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：氣象探測(cè)。