基于升余弦滾降濾波器算法的偽彩色圖像增強(qiáng)

劉強(qiáng)

摘要：針對(duì)各種途徑獲取的數(shù)據(jù)圖像細(xì)節(jié)模糊、低分辨率問(wèn)題，采用非線性變換算法進(jìn)行偽彩色化處理可顯著提高圖像的視覺(jué)閱讀性和專(zhuān)業(yè)判讀?；谏嘞覞L降特性，并利用Matlab GUI設(shè)計(jì)的圖像偽彩色增強(qiáng)處理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)RGB三色通道參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了各種圖像的偽彩色增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明在圖像變換中采用余弦濾波能夠取得較好的增強(qiáng)效果，圖像細(xì)節(jié)及特征區(qū)域在偽彩色圖像中表現(xiàn)較為完美。

關(guān)鍵詞：偽彩色；Matlab GUI；圖像增強(qiáng)；余弦函數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）05-0142-02

在醫(yī)學(xué)、航空遙感、激光紅外、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域采用攝影成像、掃描成像、微波遙感獲得的各類(lèi)數(shù)據(jù)圖像往往存在著對(duì)比度低、視覺(jué)分辨率差等問(wèn)題，所得的原始圖像也多為灰度圖像，而人眼能夠識(shí)別的灰度級(jí)數(shù)僅幾十個(gè)，這在灰度差別很小的情況下無(wú)法快速準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)隱藏的有效信息，信息識(shí)別量損失較大。人眼對(duì)色彩的識(shí)別卻多達(dá)上千種，因此，把一副灰度圖像或彩色圖像轉(zhuǎn)換為其它顏色的彩色圖像能夠大大提高其信息識(shí)別率和判讀樂(lè)趣，這種灰度圖像的偽彩色化處理方法在各種圖像增強(qiáng)中有著極為重要的應(yīng)用價(jià)值。

灰度圖像偽彩色增強(qiáng)方法主要有空間域的密度分割法、灰度-彩色變換法、互補(bǔ)色編碼、連續(xù)色編碼等，另外還有頻率域?yàn)V波法[1-3]。在各種色彩的圖像增強(qiáng)變換算法中，目前有基于Contourlet變換、基于Shearlet變換、基于Wavelet、基于Retenix變換等各種圖像增強(qiáng)算法[4-8]，這些算法在某些方面都取得了的一定增強(qiáng)效果，但在算法原理和實(shí)現(xiàn)上都比較復(fù)雜，參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)靈活性、實(shí)時(shí)性也較差。本文基于Matlab圖形用戶(hù)界面GUI，針對(duì)灰度-彩色變換法優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種圖像偽彩色增強(qiáng)判讀系統(tǒng)，系統(tǒng)選用升滾降余弦濾波器函數(shù)對(duì)三基色通道的灰度變量進(jìn)行非線性灰度調(diào)節(jié)，算法原理簡(jiǎn)單， 利用RGB三基色輸出合成圖像，參數(shù)實(shí)時(shí)可調(diào)，靈活方便，能夠獲得多種色彩增強(qiáng)效果的圖像。

1 本文算法

對(duì)比目前圖像增強(qiáng)中經(jīng)常使用的Retenix算法中所采用的二維高斯濾波函數(shù)，本文借鑒通信原理中經(jīng)常使用的一維升余弦滾降濾波器進(jìn)行推理，得到選用的余弦函數(shù)算子[9]，并把函數(shù)擴(kuò)展到二維圖像的濾波處理模型中。

一維余弦滾降特性的傳遞函數(shù)可表示為：

本文僅針對(duì)圖像增強(qiáng)中常用的RetenixMSR高斯濾波器與升滾降余弦函數(shù)濾波器進(jìn)行偽彩色算法效果對(duì)比，二者對(duì)應(yīng)濾波器的三維結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)，升余弦滾降函數(shù)濾波器相比RetenixMSR高斯濾波器能夠具有相同的函數(shù)圖像，因此在圖像處理中也能夠達(dá)到Retenix高斯濾波器同樣的增強(qiáng)效果。

在偽彩色處理方面，本文把一副灰度圖像或彩色圖像分解到RGB三基色通道后，分別對(duì)每一個(gè)色彩通道內(nèi)的二維灰度圖像采用上述升滾降余弦函數(shù)濾波器進(jìn)行灰度增強(qiáng)處理，然后三維合并輸出即可得到相應(yīng)參數(shù)的偽彩色圖像。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及結(jié)果

Matlab憑借數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、函數(shù)明了易用、模型構(gòu)建方便等特點(diǎn)，在我國(guó)各大學(xué)院校和科研院所得到了廣泛的應(yīng)用，成為了科研數(shù)據(jù)處理、算法驗(yàn)證的有力工具，其圖形用戶(hù)界面GUI具有良好的界面程序開(kāi)發(fā)能力，較V++和C++等傳統(tǒng)程序編寫(xiě)更加直白自然。

本文采用MatlabR2014 GUI設(shè)計(jì)界面，編寫(xiě)M文件，對(duì)灰度或彩色圖像進(jìn)行增強(qiáng)變換處理，并把處理結(jié)果和采用RetenixMSR算法增強(qiáng)處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2。

由圖2處理結(jié)果可以看出，兩種算法都能夠?qū)Ω鞣N圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，效果都較好，但本文所設(shè)計(jì)的Matlab GUI偽彩色增強(qiáng)系統(tǒng)參數(shù)實(shí)時(shí)可調(diào)，色彩變化靈活，能夠使圖像邊緣更突出，對(duì)場(chǎng)景細(xì)節(jié)特征表現(xiàn)更加清晰，提高了增強(qiáng)圖像的視覺(jué)閱讀性，能夠方便地在廣域參數(shù)中優(yōu)選出所需細(xì)節(jié)或特征表現(xiàn)的偽彩色圖像。

目前對(duì)于圖像增強(qiáng)算法的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)比，經(jīng)常采用主觀性分析和定量分析相結(jié)合的原則。本文采用信息熵和清晰度兩個(gè)主要定量指標(biāo)對(duì)圖2-a中灰度圖像和彩色圖像的R通道進(jìn)行增強(qiáng)對(duì)比，參數(shù)具體見(jiàn)表1和表2。

對(duì)某通道的圖像灰度級(jí)進(jìn)行信息熵計(jì)算，值越大， 代表圖像攜帶的信息量越多。

由表1、表2可以看出，本文所提出的升滾降余弦算法在偽彩色增強(qiáng)處理中具有一定的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所研究的升余弦滾降濾波器算法能夠達(dá)到甚至優(yōu)于RetenixMSR高斯濾波算法。利用Matlab良好的圖形用戶(hù)開(kāi)發(fā)界面GUI，充分發(fā)揮Matlab強(qiáng)大的圖像數(shù)據(jù)處理能力，采用升滾降余弦函數(shù)濾波器設(shè)計(jì)了圖像偽彩色增強(qiáng)處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)使得各通道圖像在灰度增強(qiáng)變換后輸出的偽彩色圖像色彩信息更加豐富，能夠較好地識(shí)別圖像中的感興趣區(qū)域和目標(biāo)細(xì)節(jié)，參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)性好，用戶(hù)可根據(jù)不同場(chǎng)合需要選擇變換參數(shù)，擴(kuò)大了圖像選擇面，適宜于各種應(yīng)用領(lǐng)域灰度圖像和彩色圖像的增強(qiáng)處理。

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