第四章频率域图像增强

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第四章频率域图像增强

第四章频率域图像增强

图像傅立叶变换的物理意义
傅立叶变换以前,图像(未压缩的位图)是由对在连续空间(现实空 间)上的采样得到一系列点的集合,我们习惯用一个二维矩阵表示 空间上各点,则图像可由z=f(x,y)来表示。由于空间是三维的,图 像是二维的,因此空间中物体在另一个维度上的关系就由梯度来表 示,这样我们可以通过观察图像得知物体在三维空间中的对应关系。 为什么要提梯度?因为实际上对图像进行二维傅立叶变换得到频谱 图,就是图像梯度的分布图,当然频谱图上的各点与图像上各点并 不存在一一对应的关系,即使在不移频的情况下也是没有。傅立叶 频谱图上我们看到的明暗不一的亮点,实际上图像上某一点与邻域 点差异的强弱,即梯度的大小,也即该点的频率的大小(可以这么 理解,图像中的低频部分指低梯度的点,高频部分相反)。一般来 讲,梯度大则该点的亮度强,否则该点亮度弱。这样通过观察傅立 叶变换后的频谱图,也叫功率图
域表述困难的增强任务,在频率域中变得非常普通
✓ 滤波在频率域更为直观,它可以解释空间域滤波的某些性质 ✓ 给出一个问题,寻找某个滤波器解决该问题,频率域处理对 于试验、迅速而全面地控制滤波器参数是一个理想工具
✓ 一旦找到一个特殊应用的滤波器,通常在空间域用硬件实现
➢图像的频率指什么?
✓ 图像的频率是表征图像中灰度变化剧烈程度的指标,是灰度在平面
Mx0
u=0,1,2,…,M-1
✓ 给定F(u),通过傅里叶反变换可以得到f(x)
f(x)
1
M1
j2ux
F(u)e M
Mu0
x=0,1,2,…,M-1
傅里叶变换
一维离散傅里叶变换及反变换
✓ 从欧拉公式 e j cos j sin
F (u)
1
M 1

第四章频率域图像增强

第四章频率域图像增强

一、频率域介绍
低通滤波器
低通滤波函数
原图
低通滤波结果:模糊
一、频率域介绍
高通滤波器
高通滤波器:使高频通过而使低频衰减的滤波器
被高通滤波的图像比原始图像少灰度级的平滑 过渡而突出边缘等细节部分
对比空间域的梯度算子、拉普拉斯算子
一、频率域介绍
高通滤波器
高通滤波函数
原图
高通滤波结果:锐化
G(u,v)=F(u,v)H(u,v)
最后将G(u,v)进行IDFT变换即可得到频域滤波后 的图像
频域滤波的步骤
具体实施步骤如下: (1)用(-1)x+y乘以输入图像f(x,y)来进行中心变换;
f ( x, y)(1)x y F (u M / 2, v N / 2)
(2)由(1)计算图像的DFT,得到F(u,v); (3)用频域滤波器H(u,v)乘以F(u,v); (4)将(3)中得到的结果进行IDFT; (5)取(4)中结果的实部; (6)用(-1)x+y乘以(5)中的结果,即可得滤波图像。
uv
理想低通滤波器举例
500×500像素的原图 图像的傅里叶频谱
圆环具有半径5,15,30,80和230个像素 图像功率为92.0%,94.6%,96.4%,98.0%和99.5%
理想低通滤波器举例——具有振铃现象
结论:半径越小,模糊越大;半径越大,模糊越小
原图
半径是5的理想低通 滤波,滤除8%的总功 率,模糊说明多数尖 锐细节在这8%的功率 之内
二、频率域平滑滤波器
理想低通滤波器
总图像功率值PT
M 1 N 1
PT P(u, v)
u0 v0
P(u, v) | F (u, v) |2 R(u, v)2 I (u, v)2

滤波器设计-频率域图像增强

滤波器设计-频率域图像增强

第4章 频率域图像增强
第6页
5.2 频率域平滑滤波器
平滑滤波器
图像中的边缘和噪声都对应图像傅立叶变换中的高频部分 ,所以如要在频域中消弱其影响就要设法减弱这部分频率的分 量 根据频域增强技术的原理,需要选择一个合适的H(u, v)以 得到消弱F(u, v)高频分量的G(u, v) 以下讨论对F(u, v)的实部和虚部影响完全相同的滤波转移 函数。具有这种特性的滤波器称为零相移滤波器
1 D (u , v ) / D0
1
2n
H (u,v ) 1 D (u,v ) D0 0
第4章 频率域图像增强
第17页
5.2 频率域平滑滤波器
2、巴特沃斯低通滤波器
图像由于量化不足产生虚假轮廓时常可用低通滤波进行 平滑以改进图像质量
第4章 频率域图像增强
第18页
5.2 频率域平滑滤波器
图像增强复习直方图规格化和规定化

点运算对单幅图像做处理,不改变像素的空间位置; 代数运算多幅图像做处理,不改变像素的空间位置;

几何运算对单幅图像做处理,改变像素的空间位置; 几何运算包含两个独立的算法:空间变换算法和灰度 级插值算法。
高频增强输出图的傅立叶变换: Ge(u, v) = k G(u, v) + c F(u, v) 反变换回去: ge(x, y) = k g(x, y) + c f (x, y)
第4章 频率域图像增强 第27页
5.3 频率域锐化滤波器

例5.5高通滤波增强
(a)比较模糊的图像 (b)阶为1的巴特沃斯高通滤波 (c)高通滤波增强的结果
第30页
第4章 频率域图像增强
第31页
第4章 频率域图像增强

第四章 频率域图像增强

第四章 频率域图像增强
f(1,0)=4,f(1,1)=2,求该图像的傅里叶谱。
3 傅里叶变换的性质 (1)可分性(用于快速傅里叶变换)
F(u,v)

1 M
M 1
x0
1
N 1
j 2 vy
f (x, y)e N
N y0
j 2 ux e M
1
M 1
j 2 ux
些图像处理方法适用于图像细节贫乏的图像。 图像细节丰富性可作为图像描述的一种方法 但如何测量图像细节是否丰富,国内外研究得都比
较少。
2 创新思路 在频率域中,图像细节丰富的图像有什么特点?图像细节
贫乏的图像有什么特点?
3 技术路线 高频分量在图像中所占的比重。
4 实验结果
频率域方法 熵
paper1.tif 0.0147 1.7695
第4章 频率域图像增强
一个消除缓慢变化的光照不均匀性的实例 (同态滤波)
f (x, y) i(x, y) r(x, y) 其中:
f (x, y)是图像幅度分布 i(x, y)是入射场分布,取决于照射源特性 r(x, y)是反射系数分布,取决于成像物体的特性
主要内容
4.1 傅里叶变换及其性质 4.2 频率域滤波 4.3 频率域平滑滤波器 4.4 频率域锐化滤波器 4.5 同态滤波器
alumgrns.tif 0.0245 4.9733
afmsurf.tif trees.tif
0.0205
0.0293
4.7793
3.9514
lena.tif 0.0404 5.0222
该创新实例的点评
请思考: 在时域中,图像细节丰富的图像有什么特点?图像细节单
调的图像有什么特点? 在时频域中呢? 在Z变换域呢? 在S域呢?

第四章图像增强

第四章图像增强
空间域增强:直接对图像各像素进行处理; 空间域增强:直接对图像各像素进行处理; 频率域增强: 频率域增强 : 将图像经傅立叶变换后的频谱成分 进行处理, 然后逆傅立叶变换获得所需的图像。 进行处理 , 然后逆傅立叶变换获得所需的图像 。
2
图像增强所包含的主要内容: 图像增强所包含的主要内容:
灰度变换 点运算 均衡化 直方图修正法 空间域 规定化 局部运算 图像平滑 图像锐化 高通滤波 图像增强 频率域 低通滤波 同态滤波增强 假彩色增强 彩色增强 伪彩色增强 彩色变换及应用 几何畸变的消除
8
原图
变换函数曲线
9
灰度反转后
10
original image
Brightness(明暗变化)
(addition/subtraction)
contrast
= histogram stretching
其它线性变换例
11
2.分段线性变换
线性拉伸是将原始输入图像中的灰度值不加区别地 扩展。 而在实际应用中,为了突出图像中感兴趣的研究对象, 常常要求局部扩展拉伸某一范围的灰度值,或对不同 范围的灰度值进行不同的拉伸处理,即分段线性拉伸。 分段线性拉伸是仅将某一范围的灰度值进行拉伸,而 其余范围的灰度值实际上被压缩了。
k k
变换函数T(r)可改写为 : sk = T (rk ) = ∑ Pr (rj ) = ∑
j =0 j =0
nj n
0 ≤ rk ≤ 1, k = 0,1,..., l − 1
均衡化后各像素的灰度值可直接由原图像的直 30 方图算出。
例 假定有一幅总像素为n=64×64的图像,灰度级数为8,各灰度级 分布列于表中。对其均衡化处理。

数字图像处理_第四章_频域图像增强

数字图像处理_第四章_频域图像增强

2
u 0.1.2. M 1 v 0.1.2. N 1 f ( x, y ) F (u , v)e j 2 (ux / M vy / N )
u 0 v 0 M 1 N 1
可以证明:
x y f ( x , y )( 1) F (u
4.2 傅立叶变换和频率域的介绍
数字图像处理
Chapter 4 Image Enhancement in the Frequency Domain
4.2.3 频率域滤波 频率域滤波基本步骤: 1、(1) x y 原图像 2、F (u, v) 3、 H (u, v) F (u, v) 4、反DEF 5、实部 x y 6、用 (1) (5) 结果。 1 被滤波图像 G(u, v)
数字图像处理
Chapter 4 Image Enhancement in the Frequency Domain
4.3 平滑的频率域滤波器
4.3.1 理想低通滤波器
c ~ e均有“振铃”特征 为什么会有“振铃”现象呢? 其根本原因是空域滤波器有负 值,具体具体解释右图(b)
右图用5个脉冲图像来说明“振 铃”的产生,可看作5个冲激, 只是简单地复制 h( x, y ) → “振铃”。
F (u ) F (u ) e j (u ) F (u ) R (u ) I (u )
2 2
1 2
(u ) arct g
2(u ) R(u )
数字图像处理
Chapter 4 Image Enhancement in the Frequency Domain
1 M x 1 v N y u
4.2 傅立叶变换和频率域的介绍

4第四章图像增强

4第四章图像增强

例4.2.1 (续8)
解:◆存在值为5/7的灰度级别值,且由s2≈5/7和 s2=T(r2)可知,新图像中灰度级别为s5’=5/7 的像素 对应于原图像中灰度级为k=2的像素,其像素个数为 m5=n2=850 。
◆存在值为6/7的灰度级别值,且由s3≈6/7和 s3=T(r3) ,以及s4≈6/7和s4=T(r4)可知,新图像中灰 度级别s6’为=6/7的像素,对应于原图像中灰度级为 k=3和k=4的像素,其像素个数为 m6=n3+n4=656+329=985。
基本的实现方法包括两种: ◆ 一种是给所关心的灰度范围指定一个较高的灰度 值,而给其它部分指定一个较低的灰度值或0值。 ◆ 另一种是给所关心的灰度范围指定一个较高的灰 度值,而其它部分的灰度值保持不变
4.1.4 窗切片
g
g
g
255
255
255
0
a b 255 f 0
a b 255 f 0
a b 255 f
《数字图像处理》
第四章 图像增强
图像增强就是通过对图像的某些特征,如边 缘、轮廓、对比度等,进行强调或尖锐化,使之 更适合于人眼的观察或机器的处理的一种技术。
图像增强技术的分类:一是空间域增强方法; 二是频率域增强方法。
4.1 灰度变换
灰度变换是一种逐像素点对图像进行变换的增强 方法,所以也称为图像的点运算。
灰度变换是空间域图像增强方法。 设用f表示输入图像在(x,y)处的像素值,用g 表示变换后的输出图像g(x,y)的像素值,T[•]表示对 f(x,y)的点运算操作,则灰度变换可一般地定义为:
g= T[f]
(4.1)
4.1.1 灰度反转
设图像的灰度级为L,则图像的灰度反转可用公

图像处理课件04频率域图像增强

图像处理课件04频率域图像增强

u 0,1,, M 1 v 0,1,, N 1
反变换: f ( x, y ) F (u , v) e j 2 ( ux / M vy / N )
u 0 v 0 M 1 N 1
x 0,1, , M 1 y 0,1, , N 1
一般F(u,v)是复函数,即:
1
2
5
20
3、高斯低通滤波器(GLPF)
H (u, v) e
D 2 u ,v / 2 2
令 D0
H (u, v) e
2 D 2 u ,v / 2 D0
当D(u, v) D0
H (u, v) 0.607
有更加平滑的过渡带,平滑后的图象没有振铃现象 与BLPF相比,衰减更快,经过GLPF滤波的图象比 BLPF处理的图象更模糊一些
高通滤波与低通滤波的作用相反,它使高频分量顺 利通过,而使低频分量受到削弱。
H hp (u, v) 1 H lp (u, v)
与低通滤波器相对应,频率域内常用的高通滤波器 有3种: 1. 理想高通滤波器 2. 巴特沃斯高通滤波器 3. 高斯高通滤波器
空间域滤波和频率域滤波之间的对应 关系
卷积定理:
f ( x, y) h( x, y) F (u, v) H (u, v)
f ( x, y)h( x, y) F (u, v) H (u, v)
冲激函数
M 1 N 1 x 0 y 0
s( x, y) A ( x x , y y ) As( x , y )
频率域的基本性质:
低频对应着图像的慢变化分量。
较高的频率对应着图像中变化较快的灰度级。
变化最慢的频率成分(原点)对应图像的平均灰度级。
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f (x, y) * h(x, y)
1
M 1 N 1
f (m,n)h(x m, y n)
MN m0 n0
对比空间域滤波:在M×N的图像f上,用m×n的滤波器 进行线性滤波:
ab
g(x, y) w(s,t) f (x s, y t)
sa tb
一、频率域介绍
空间域滤波和频率域滤波之间的对应关系
卷积定理
f x, y hx, y F u,v H u,v
上式说明空间域卷积可以通过F(u,v)H(u,v)的乘 积进行反傅里叶变换得到
f x, yhx, y F u,v H u,v
说明空间域乘法可以通过频率域的卷积获得 上述两个公式主要为两个函数逐元素相乘的乘法
一、频率域介绍
高斯频率域低通滤波器函数 H (u) Aeu2/22
对应空间域高斯低通滤波器为
h(x) 2 Ae222x2
高斯频率域低通滤波器函数
H (u)

Aeu2 /212

Beu2
/2
2 2
对应空间域高斯低通滤波器为
A B,1 2
h(x)
2 Ae2 212x2 1
于冲激函数 两个低通滤波器的相似之处在于两个域中的值均为正。所 以,在空间域使用带正系数的模板可以实现低通滤波 频率域低通滤波器越窄,滤除的低频成分就越多,使得图 像就越模糊;在空间域,这意味着低通滤波器就越宽,模板 就越大
一、频率域介绍
结论(高通滤波器)
空间域滤波器有正值和负值,一旦值变为负数,就再也不 会变为正数
一、频率域介绍
频率域滤波 Gu,vHu,vFu,v
H和F的相乘在逐元素的基础上定义,即H的第 一个元素乘以F的第一个元素,H的第二个元素乘 以F的第二个元素
一般,F的元素为复数,H的元素为实数
H为零相移滤波器,因为滤波器不改变变换的 相位,F中实部和虚部的乘数可以抵消
频率域滤波的基本步骤
1
M 1 N 1
m, n h(x m, y n)
MN m0 n0
结论
1 h( x 0, y 0) 1 h( x, y)
MN
MN
f x, y hx, y F u,v H u,v
x, y hx, y [ (x, y)]H u,v
注意:本来经过陷波滤波器滤波后的图像的灰度平均值是为零的, 因此滤波后的图像就有负值像素存在,这里实际显示的图像是经过 重新标定后的图像
一、频率域介绍
低通滤波器
低通滤波器:使低频通过而使高频衰减的滤波器
被低通滤波的图像比原始图像少尖锐的细节部 分而突出平滑过渡部分
对比空间域滤波的平滑处理,如均值滤波器
一、频率域介绍
低通滤波器
低通滤波函数
原图
低通滤波结果:模糊
一、频率域介绍
高通滤波器
高通滤波器:使高频通过而使低频衰减的滤波器
被高通滤波的图像比原始图像少灰度级的平滑 过渡而突出边缘等细节部分
对比空间域的梯度算子、拉普拉斯算子
一、频率域介绍
高通滤波器
高通滤波函数
原图
高通滤波结果:锐化
傅立叶变换是频域图像增强的基础工具;
一、频率域介绍
傅里叶变换的频率分量和图像空间特 征之间的联系:
(1)变化最慢的频率成分(u=v=0)对应 一幅图像的平均灰度级
F (0, 0)
1
M 1 N 1
f (x, y) f (x, y)
MN x0 y0
一、频率域介绍
傅里叶变换的频率分量和图像空间特 征之间的联系:
hx, y H u,v
一、频率域介绍
hx, y H u,v
上述公式表明,空间域和频率域中的滤波器组成了傅里叶 变换对 给出在频率域的滤波器,可以通过反傅里叶变换得到在空 间域对应的滤波器,反之亦然 滤波在频率域中更为直观,但在空间域一般使用更小的滤 波器模板 可以在频率域指定滤波器,做反变换,然后在空间域使用 结果滤波器作为在空间域构建小滤波器模板的指导
思想:通过滤波器函数以某种方式来修改图像变换, 然后通过取结果的反变换来获得处理后的输出图像
一、频率域介绍
一些基本的滤波器:如何作用于图像?
陷波滤波器 低通(平滑)滤波器 高通(锐化)滤波器
一、频率域介绍
陷波滤波器
H
u, v


0

1
u M / 2,v N / 2 其它
说明:将 A (x x0, y y0) 指定为一幅图像,它
只在(x0,y0)处有为A的图像值,其它处的值全为0
一、频率域介绍
下式表明在原点处(0,0)的单位冲激情况,用 (x, y)
表示
M 1 N 1
s(x, y) (x, y) s(0,0)
x0 y0
根据上式,原点处(0,0)单位冲激的傅里叶变换
第四章 频率域图像增强
主要内容:
频率域介绍 频率域平滑(低通)滤波器 频率域锐化(高通)滤波器 同态滤波器 傅里叶变换、性质及其实现---自学
主要内容:
频率域介绍 频率域平滑(低通)滤波器 频率域锐化(高通)滤波器 同态滤波器
一、频率域介绍
为什么要在频率域研究图像增强
可以利用频率成分和图像外表之间的对应关系。一些在空间域 表述困难的增强任务,在频率域中变得非常普通。
一、频率域介绍
原图
高通滤波结果
高通滤波改进结果
因为F(0,0)已被设置为0,所以几乎没有平滑的灰度级细节, 且图像较暗
在滤波器中加入常量,以使F(0,0)不被完全消除,如图所示,
对滤波器加上一个滤波器高度一半的常数加以改进(高频加强)
一、频率域介绍
空间域滤波和频率域滤波之间的对应关系
大小为M×N的两个函数f(x,y)和h(x,y)的离散卷积表示 为f(x,y)*h(x,y),定义为:
半径是15的理想 低通滤波,滤除 5.4%的总功率
半径是30的理想 低通滤波,滤除 3.6%的总功率
半径是80的理 想低通滤波,滤 除2%的总功率
半径是230的理想低 通滤波,滤除0.5%的 总功率,与原图接近 说明很少有边缘信息 在0.5%以上的功率 中
理想低通滤波器举例——具有振铃现象
半径分别 为5,11 ,45和 68
G(u,v)=F(u,v)H(u,v)
最后将G(u,v)进行IDFT变换即可得到频域滤波后 的图像
频域滤波的步骤
具体实施步骤如下: (1)用(-1)x+y乘以输入图像f(x,y)来进行中心变换;
f ( x, y)(1)x y F (u M / 2, v N / 2)
(2)由(1)计算图像的DFT,得到F(u,v); (3)用频域滤波器H(u,v)乘以F(u,v); (4)将(3)中得到的结果进行IDFT; (5)取(4)中结果的实部; (6)用(-1)x+y乘以(5)中的结果,即可得滤波图像。
(2)当从变换的原点移开时,低频对应着 图像的慢变化分量,如图像的平滑部分
(3)进一步离开原点时,较高的频率对应 图像中变化越来越快的灰度级,如边缘或 噪声等尖锐部分
a
a)受损的集成 电路图像
b b) a图像傅里 叶谱
注意频谱图中±45°方向以及垂直方向上的频谱
一、频率域介绍
频域滤波
频域滤波实际上就是将原始图象f(x,y)进行DFT变 换,得到频域的F(u,v),然后将F(u,v)与频域滤波器 H(u,v)相乘得到滤波后频谱G(u,v),即
能量分别 为90%, 95%, 99%和 99.5%
理想低通滤波器举例——具有振铃现象
频率域函数H(u,v) 模糊且半径为5的 ILPF
f(x,y)由黑色背 景下5个明亮的像 素组成,明亮点 可看作冲激
对应空间域h(x,y) 中心开始的圆环周期
f(x,y)*h(x,y),在每 个冲激处复制h(x,y) 的过程,振铃现象
(x, y)
1
M 1 N 1
( x, y)e j2 (ux/M vy/N )
MN x0 y0
1 e0 1 MN MN
一、频率域介绍
假设 f (x, y) (x, y) ,根据上式计算原点处(0,0)
空间域的卷积
( x, y) * h( x, y)
滤波在频率域更为直观,它可以解释空间域滤波的某些性质
给出一个问题,寻找某个滤波器解决该问题,频率域处理对于试 验、迅速而全面地控制滤波器参数是一个理想工具
一旦找到一个特殊应用的滤波器,通常在空间域采用硬件实现它
一、频率域介绍
频域图像增强是指通过对图像进行傅立叶 变换,将图像从空间域变换到频域,并对 图像的频率成分进行相应处理,从而实现 图像增强的功能;
uv
理想低通滤波器举例
500×500像素的原图 图像的傅里叶频谱
圆环具有半径5,15,30,80和230个像素 图像功率为92.0%,94.6%,96.4%,98.0%和99.5%
理想低通滤波器举例——具有振铃现象
结论:半径越小,模糊越大;半径越大,模糊越小
原图
半径是5的理想低通 滤波,滤除8%的总功 率,模糊说明多数尖 锐细节在这8%的功率 之内

2
Be2
2
2 2
x2
2
频率域高斯低通滤波器
频率域高斯高通滤波器
频域滤波器越 窄,滤除的低 频部分越多, 图像越模糊。 意味着在空域 中滤波器越宽, 模板就越大(阶 数越高)
空间域高斯低通滤波器
空间域高斯高通滤波器
一、频率域介绍
结论(低通滤波器)
当H(u)有很宽的轮廓时(大的 值),h(x)有很窄的轮廓, 反之亦然。当 接近无限时,H(u)趋于常量函数,而h(x)趋
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