銳化的原理及其應用

印前圖像處理中有許多圖像是通過掃描儀、數(shù)碼相機等數(shù)碼設備獲取的。一般的掃描儀和數(shù)碼相機中都有一個關鍵部件CCD，在獲取圖像的同時也會引起噪音，使圖像產生一定程度的模糊；另一方面由于印刷過程中油墨疊印、滲透以及紙張等諸多因素，使得圖像在輸出過程中也會有所損失，導致圖像清晰度下降。因此，為了提高由數(shù)碼設備獲得圖像的清晰度，以及補償印刷過程中損失的圖像清晰度，有必要在圖像校正、設定分辨率和設定圖像尺寸之后，對圖像進行銳化處理，使處理后的圖像更適合于印刷。

銳化的原理

圖像銳化處理的目的是為了使圖像的邊緣、輪廓線以及圖像的細節(jié)變的清晰。一般情況下，在計算機圖像處理中可用微分運算和高通濾波器來實現(xiàn)圖像的銳化?？臻g域圖像的銳化常用的是拉普拉斯運算，它不僅是偏導數(shù)的線性組合，而且是各向同性的，這樣可以使圖像中間任何方向伸展的邊緣和輪廓線變得清晰。下面簡單介紹一下采用拉普拉斯算子進行圖像處理的方法。

設 為拉普拉斯算子，則 =+= 對于模糊的圖像，可以采用式 ()進行銳化，式中： ()為原圖像函數(shù)，()為處理后的圖像函數(shù)，是與擴散效應有關的系數(shù)。的設置非常關鍵，若設置過大則銳化過度，反之銳化效果不明顯。當時，則。

從頻率來分析，任何一幅圖像都是由決定圖像反差的低頻信號和決定圖像細節(jié)的高頻信號組成的。所以頻率域圖像的銳化可以采用高通濾波器進行濾波，以加強圖像所需的高頻信號。

USM銳化的原理

USM銳化通常采用基于頻率的方法進行銳化，給定一幅圖像 ，將這幅原始圖像 通過高通濾波器濾波得到圖像的高頻分量，并將此高頻分量加權后再和原始圖像經低通濾波得到的進行相加就可以得到銳化后的圖像。即： =+ ，＞0。其中為銳化因子，隨著值的增大，銳化的程度也在增強。

那么采用什么樣的濾波器以及選擇多大才能使銳化后的圖像看起來更自然就是一個很關鍵的問題。為了解決這個問題我們給出下面基于模板運算的USM銳化。例如采用這個模板，它表示先將自身（中心元素）與周圍的若干個元素相減，表示自身與周圍像素的差別，再將這個差別加上自身作為新像素的值。因USM銳化的三個參數(shù)可以調節(jié)，我們給出一個通用模板：。這個模板是一方陣，其大小約是USM銳化參數(shù)中“半徑”的兩倍，若半徑為小數(shù)，可調整的分布。為中心元素，，其中為的個數(shù)，＞0且＞0；的值是由USM銳化參數(shù)中“數(shù)量”這個選項來控制的。確定“數(shù)量”后，就可以確定 的值，再由上式確定的值。USM銳化中“閾值”這個參數(shù)決定了進行銳化的區(qū)域，設定一個閾值后，低于此閾值的不參與運算，只有高于此閾值的參與運算。銳化的區(qū)域選定后，再進行模板運算，實現(xiàn)USM銳化。

Photoshop中USM銳化的應用

在處理圖像過程中可以使用Adobe Photoshop中“濾鏡”/“銳化”菜單下的“銳化”、“銳化邊緣”、“進一步銳化”和“USM銳化”等工具進行銳化。前三種銳化工具較簡單，不能設定參數(shù)，只有USM（Unsharp Masking，模糊掩蓋銳化）銳化可以根據(jù)圖像的特點設置不同的參數(shù)，完成不同要求的銳化。USM銳化中參數(shù)設置很重要，只有參數(shù)設置合適才能提高圖像的清晰度，達到預先的要求；而參數(shù)設置不當，容易出現(xiàn)光暈、鋸齒、斑點和麻點的問題。下面簡單的分析一下Photoshop中的USM銳化處理時數(shù)量、半徑、閾值三個參數(shù)的設定。

1.數(shù)量(Amount)。數(shù)量選項影響模板中心元素的數(shù)值，數(shù)量選項越大，中心元素的值也越大，銳化效果越強。即數(shù)量選項控制銳化效果的強度，它決定了鄰近像素對其他像素影響的程度。如果“數(shù)量”選項選的值太小，則銳化效果不明顯；反之，會使圖像看上去虛假，也會使雜色和斑點更突出。所以建議“數(shù)量”選項一般情況下選擇100～200%左右，同時也應該根據(jù)原稿內容和印刷效果而定。

2.半徑(Radius)。半徑選項決定了USM銳化模板的大小及的分布，即半徑選項決定了USM銳化在加強相對對比度時的作用范圍。如果半徑值為1，則從亮到暗的整個寬度是2個像素。半徑越大，細節(jié)的差別也清晰，但同時會產生光暈。一般情況下“半徑”選項應選的小一些，這樣能產生清晰邊界效果，否則 “半徑”選的過大，會產生高對比度的寬邊界效果，使得圖像粗糙，看上去不自然。有一個估計Radius值的簡單方法，即將圖像的輸出分辨率除以200。例如輸出分辨率為300時，將Radius的值設為1.5會得到較好的效果。

3.閾值(Threshold)。閾值選項決定了模板能夠作用的范圍，設定了閾值后，低于此閾值的不進行處理，只有高于此閾值的才進行銳化處理。若閾值為0，則處理所有區(qū)域；反之閾值越大，USM銳化就只能處理圖像中邊緣較強的部分。采用低閾值能使整個圖像看起來更清晰，所以一般情況下閾值選擇0~4。但對于人物圖像要特殊一點，閾值可以選擇6~10，同時半徑要小一些。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。