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    一種圖像脈沖噪聲小波域廣義濾波算法

    2013-01-31 05:23:20
    電視技術(shù) 2013年17期
    關(guān)鍵詞:維納濾波濾波像素

    唐 娜

    (湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)系,湖南 長(zhǎng)沙410127)

    隨著現(xiàn)代電子通信、網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)、傳輸以及微電子技術(shù)的發(fā)展,對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行持續(xù)、實(shí)時(shí)的監(jiān)控可以方便獲得大量信息,這為目標(biāo)識(shí)別、特征提取、目標(biāo)物三維重建等研究提供了便利。然而作為這些信息的載體——數(shù)字圖像,由于在拍攝、網(wǎng)絡(luò)傳輸存儲(chǔ)以及視頻解碼等環(huán)節(jié)中,不可避免受到一系列噪聲的干擾,表現(xiàn)為圖像上出現(xiàn)“極黑點(diǎn)”或“極白點(diǎn)”等情形,該類(lèi)噪聲隨機(jī)分布于圖像上,習(xí)慣上稱(chēng)之為脈沖噪聲或者椒鹽噪聲。因此,對(duì)于脈沖噪聲濾波研究是準(zhǔn)確獲得圖像信息的前提,是一件較為有意義的研究工作。

    圖像噪聲濾波算法一般要符合3個(gè)原則:1)有效性原則,即無(wú)論采用何種算法要以盡可能濾除噪聲,以恢復(fù)圖像原貌為首要目標(biāo);2)實(shí)時(shí)性原則,對(duì)噪聲濾波處理目的是為了后續(xù)的研究應(yīng)用,信息獲取講求時(shí)效性,那么對(duì)于圖像噪聲的處理也必須遵從這個(gè)規(guī)則;3)自適應(yīng)性,濾波算法盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲“自動(dòng)”濾波,在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像噪聲快速準(zhǔn)確的處理。近年來(lái),脈沖噪聲得到大量的深入研究,大量有效而又切實(shí)可行的算法相繼涌現(xiàn),大體上有2類(lèi):1)單一濾波算法,代表性的是中值濾波、極值中值濾波[1-2]、自適應(yīng)中值濾波[3-6]、開(kāi)關(guān)中值濾波[7-8]、最大最小值中值濾波[6]、加權(quán)中值濾波等[9-12];2)組合濾波算法,即通過(guò)將現(xiàn)有的濾波算法在各自改進(jìn)提升性能的基礎(chǔ)上有機(jī)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的逐級(jí)濾波。

    本文將圖像濾波和增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,提出了一種針對(duì)脈沖噪聲的廣義濾波算法,對(duì)加權(quán)中值濾波和自適應(yīng)維納濾波進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)分別用于小波域高頻和低頻噪聲子圖像處理,然后進(jìn)行小波系數(shù)重構(gòu)。針對(duì)濾波后圖像質(zhì)量出現(xiàn)下降現(xiàn)象,通過(guò)構(gòu)建小波域增強(qiáng)模型,進(jìn)行圖像對(duì)比度拉伸,改善圖像視覺(jué)效果。

    1 本文濾波算法基本思路

    1.1 改進(jìn)自適應(yīng)加權(quán)中值濾波

    1.1.1 加權(quán)中值濾波算法

    經(jīng)典中值濾波(MF)作為一類(lèi)基于統(tǒng)計(jì)排序理論的非線性濾波方法,在對(duì)噪聲進(jìn)行濾波時(shí),通過(guò)將該噪聲點(diǎn)為中心一定鄰域內(nèi)像素值進(jìn)行大小排序,取中間值來(lái)對(duì)其進(jìn)行賦值。但由于MF對(duì)于整幅圖像均采用相同大小的濾波窗口進(jìn)行處理,存在很大程度上的盲目性:首先圖像脈沖噪聲表現(xiàn)為圖像上出現(xiàn)的黑點(diǎn)或白點(diǎn),即極值點(diǎn);此外圖像邊緣部分在圖像上也表現(xiàn)為極值點(diǎn),MF將該類(lèi)極值點(diǎn)一律視為噪聲進(jìn)行濾波,這導(dǎo)致濾波后圖像大量細(xì)節(jié)信息丟失;其次,圖像中噪聲并非均勻分布,對(duì)圖像采用固定大小濾波模板進(jìn)行處理,濾波效果大打折扣。在MF基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的加權(quán)中值濾波(WMF)[9],通過(guò)對(duì)一定濾波窗口范圍內(nèi)的像素值賦予適當(dāng)?shù)臋?quán)值,從而調(diào)節(jié)該窗口內(nèi)像素值的大小,在此基礎(chǔ)上取中值。對(duì)于大小為n×n濾波窗口,WMF可定義為

    式中:Y(i)為該窗口中心點(diǎn)賦值大小;y(i-n),…,y(i),…,y(i+n)為該窗口內(nèi)各像素點(diǎn)灰度值;w-n,…,w0,…,wn為該窗口內(nèi)各像素值權(quán)值。

    近年來(lái),對(duì)于WMF的研究主要集中于噪聲檢測(cè)和權(quán)值確定這兩個(gè)方面,文獻(xiàn)[11]求取濾波模板內(nèi)像素值灰度值平均值,通過(guò)各像素值與該值作差,如果差值大于一定閾值則為噪聲點(diǎn),反之為非噪聲點(diǎn);文獻(xiàn)[13]濾波算法中,根據(jù)圖像二維信息熵的大小來(lái)自適應(yīng)確定濾波權(quán)值。WMF在很大程度上克服了經(jīng)典MF存在的缺陷,但局限性也是較為明顯的:1)通過(guò)計(jì)算一定指標(biāo)如均值、信息熵、設(shè)定閾值等方式來(lái)進(jìn)行噪聲點(diǎn)的判別和權(quán)值設(shè)定,盡管能提高算法濾波性能,但現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中,圖像往往是很大的,通過(guò)各窗口逐個(gè)計(jì)算指標(biāo),計(jì)算量巨大,無(wú)法滿足圖像處理的實(shí)時(shí)性要求;2)噪聲點(diǎn)和圖像邊緣細(xì)節(jié)像素點(diǎn)并未能進(jìn)行有效區(qū)分,濾波后圖像質(zhì)量仍有很大程度的下降。

    1.1.2 改進(jìn)自適應(yīng)加權(quán)中值濾波

    根據(jù)WMF存在的缺陷,本文對(duì)該濾波算法的噪聲檢測(cè)分類(lèi)、噪聲權(quán)值確定以及噪聲濾波等環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn),提出了一種改進(jìn)自適應(yīng)WMF。改進(jìn)思路如下:

    1)噪聲檢測(cè)分類(lèi)

    對(duì)噪聲圖像噪聲進(jìn)行檢測(cè)和分類(lèi)是噪聲濾波的前提,本環(huán)節(jié)對(duì)噪聲的檢測(cè)分為粗檢測(cè)和精檢測(cè)兩步。第1步:粗檢測(cè),對(duì)于大小為n×n的濾波窗口,首先統(tǒng)計(jì)該窗口內(nèi)像素值為極大值或極小值像素個(gè)數(shù)num[Y(i)],如某一像素灰度值非極值,則為非噪聲點(diǎn),否則為疑似噪聲點(diǎn)加以標(biāo)記,標(biāo)記公式為

    式中:y(i)為該窗口點(diǎn)某像素的灰度值。第2步:精檢測(cè),經(jīng)過(guò)粗檢測(cè)之后,圖像疑似噪聲點(diǎn)中包含噪聲點(diǎn)以及圖像邊緣細(xì)節(jié)信息,有必要對(duì)此進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)。對(duì)大小為n×n濾波窗口,首先統(tǒng)計(jì)其中疑似噪聲點(diǎn)數(shù)目num[Y(i)],如num[Y(i)]≤n,則窗口中疑似噪聲點(diǎn)可作為噪聲點(diǎn)濾除;否則增大窗口大小,繼續(xù)判斷,直至滿足要求為止。

    2)權(quán)值確定與噪聲濾除

    經(jīng)過(guò)噪聲檢測(cè)分類(lèi)之后,圖像噪聲基本得到檢測(cè)和標(biāo)記,如果對(duì)噪聲點(diǎn)直接進(jìn)行中值濾波,會(huì)出現(xiàn)“過(guò)濾波”現(xiàn)象。為克服這一現(xiàn)象,對(duì)大小為n×n的濾波窗口,剔除該窗口內(nèi)噪聲點(diǎn)數(shù)目n',將其余非噪聲點(diǎn)像素灰度值分別乘以權(quán)值1/(n-n'),在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大小排序,得到一組新序列并取其中值,即窗口中心像素輸出值可表示為

    式中:Y(i)為窗口中心像素點(diǎn)賦值;yn(i)為窗口中任意像素點(diǎn)灰度值。

    綜上分析,本文改進(jìn)自適應(yīng)中值濾波算法具體步驟如下:

    1)采用3×3濾波窗口,統(tǒng)計(jì)其中極值點(diǎn)數(shù)目num[Y(i)],如果該值為0,則直接轉(zhuǎn)到步驟5),否則num[Y(i)]作為圖像疑似噪聲點(diǎn)數(shù)目,轉(zhuǎn)步驟2)進(jìn)行噪聲精檢測(cè)與分類(lèi);

    2)將num[Y(i)]與窗口大小3進(jìn)行比較,如該數(shù)目小于3,則轉(zhuǎn)為步驟4),否則轉(zhuǎn)為步驟3);

    3)窗口尺寸增大為5×5,再次將num[Y(i)]進(jìn)行判斷,如果該數(shù)目小于5,則轉(zhuǎn)為步驟4),否則繼續(xù)增大窗口尺寸,一般來(lái)說(shuō)窗口增大到5×5基本滿足要求;

    4)對(duì)于窗口尺寸為3×3,如該窗口中噪聲點(diǎn)數(shù)目為n',那么將該窗口中非噪聲點(diǎn)像素值分別乘以1/(n-n'),得到一組新數(shù)列{Y(i)},取其中值;

    5)濾波結(jié)果輸出,將濾波模版繼續(xù)前移,完成圖像整體濾波。

    1.2 基于修正系數(shù)的自適應(yīng)維納濾波

    維納濾波器由Norbert Wiener于20世紀(jì)40年代提出,該濾波器通過(guò)假定噪聲圖像信號(hào)是圖像信號(hào)和噪聲信號(hào)之和,二者的二階統(tǒng)計(jì)特性是已知的,根據(jù)相關(guān)誤差準(zhǔn)則從而求得濾波器參數(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像噪聲的濾除。

    維納濾波器假設(shè),含噪圖像信號(hào)可以表示為

    式中:S(i,j)為圖像信號(hào);N(i,j)為噪聲信號(hào),二者是相互獨(dú)立的。維納濾波器可定義為,那么誤差準(zhǔn)則可表示為

    對(duì)式(5)進(jìn)行展開(kāi)運(yùn)算可得

    對(duì)式(6)進(jìn)行求導(dǎo)數(shù)運(yùn)算,并令其為0,可得

    由式(4)以及圖像信號(hào)和噪聲信號(hào)互相獨(dú)立可以得出

    由式(7)、式(8)可知

    本文采用自適應(yīng)維納濾波用于小波域低頻子圖像濾波處理,低頻圖像盡管包含了圖像大部分信息基本不受噪聲的干擾。小波域低頻子圖像噪聲污染程度較輕,但不能忽略。對(duì)該部分圖像直接進(jìn)行自適應(yīng)維納濾波勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致大量有用信息喪失,為此,對(duì)自適應(yīng)維納濾波引入一個(gè)修正系數(shù)λ,λ∈(0,1],即改進(jìn)后的維納濾波可表示為

    經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn),本文實(shí)驗(yàn)中,修正系數(shù)λ=0.5時(shí)效果較好。

    1.3 一種小波域圖像增強(qiáng)函數(shù)模型設(shè)計(jì)

    噪聲圖像經(jīng)過(guò)濾波后不可避免會(huì)出現(xiàn)一定程度的失真,這主要是因?yàn)?1)圖像噪聲并未百分之百濾除,仍殘留一部分噪聲;2)圖像經(jīng)過(guò)濾波后,一定量的細(xì)節(jié)信息被濾除,圖像出現(xiàn)“過(guò)濾波”現(xiàn)象。對(duì)于濾波后圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理,對(duì)圖像對(duì)比度進(jìn)行拉伸,改善圖像視覺(jué)效果,從廣義角度看,屬于圖像濾波范疇。為此,提出了一種小波域增強(qiáng)模型,該函數(shù)模型可表示為

    式中:W(x)為小波系數(shù)值;η1,η2為模型調(diào)節(jié)系數(shù),且η1,η2∈(0,1];THR1,THR2為小波系數(shù)閾值。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,閾值分別取10和95時(shí)處理效果較為理想。調(diào)節(jié)系數(shù)與噪聲強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系將在后續(xù)試驗(yàn)中具體討論。

    綜上所述:本文圖像噪聲廣義濾波算法基本思路可為:1)將噪聲圖像進(jìn)行二維多尺度小波分解,獲得低頻子圖像和分別呈現(xiàn)水平、垂直、對(duì)角線方向分布的高頻子圖像;2)對(duì)各高頻子圖像分別采用1.1節(jié)中改進(jìn)自適應(yīng)加權(quán)中值濾波進(jìn)行處理;3)對(duì)低頻子圖像采用1.2節(jié)中改進(jìn)自適應(yīng)維納濾波進(jìn)行噪聲抑制;4)將經(jīng)過(guò)2)和3)濾波后的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu),獲得濾波后圖像;5)對(duì)濾波后圖像進(jìn)行1.3節(jié)中定義的增強(qiáng)模型進(jìn)行對(duì)比度拉伸處理,以最大限度提高圖像質(zhì)量。

    2 實(shí)驗(yàn)與分析

    2.1 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

    對(duì)于濾波后圖像質(zhì)量的定性定量評(píng)價(jià),對(duì)于衡量某一濾波算法性能至關(guān)重要。目前對(duì)于圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要有主觀和客觀評(píng)價(jià)方法。主觀評(píng)價(jià)主要通過(guò)評(píng)價(jià)者從圖像清晰度、圖像視覺(jué)效果等方面給出圖像質(zhì)量的總體分值,如主觀評(píng)分法(MOS)、平均主觀分?jǐn)?shù)差異法(DMOS)等,該類(lèi)方法受評(píng)價(jià)者知識(shí)儲(chǔ)備等因素的影響,隨意性較大。客觀評(píng)價(jià)方法主要通過(guò)計(jì)算某些指標(biāo)值如峰值信噪比(PSNR)、均方差(MSE)等指標(biāo)來(lái)對(duì)圖像定量評(píng)價(jià)。就目前評(píng)價(jià)方法而言,客觀評(píng)價(jià)方法仍是主流方法。因此,本文采用PSNR和MSE作為濾波后圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

    2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

    為了測(cè)試本文濾波算法性能,在MATLAB7.0平臺(tái)下,編寫(xiě)相關(guān)程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分為3部分進(jìn)行,第1部分:將中值濾波、自適應(yīng)維納濾波,以及文獻(xiàn)[14]中改進(jìn)開(kāi)關(guān)中值濾波與本文濾波算法進(jìn)行去噪性能比較;第2部分:將文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[15]濾波算法與本文濾波算法進(jìn)行比較;第3部分:將上述2個(gè)實(shí)驗(yàn)中增強(qiáng)函數(shù)模型系數(shù)取值與對(duì)應(yīng)的噪聲強(qiáng)度進(jìn)行線性回歸,給出具體的函數(shù)模型。

    2.2.1 實(shí)驗(yàn)1

    選取像素灰度級(jí)為255,大小為256×256的“l(fā)ena.bmp”圖像通過(guò)加入不同強(qiáng)度的脈沖噪聲,進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為圖1、表1、表2所示。

    對(duì)圖1和表1、表2數(shù)據(jù)分析如下:

    1)主觀角度分析,圖1b為受到15%脈沖噪聲污染的圖像,圖像中細(xì)節(jié)信息基本模糊不清,經(jīng)過(guò)濾波模板為3×3中值濾波處理后,噪聲得到大部分濾除,但圖像中仍然存在很大程度的“黑點(diǎn)、白點(diǎn)”,如圖1c所示;圖1d中圖像模糊性較強(qiáng),相對(duì)而言圖1e和圖1f清晰度較好,圖像噪聲基本得到濾除,但后者清晰度優(yōu)于前者。

    圖1 Lena圖像濾波結(jié)果

    表1 幾種濾波方法的PSNR值(Lena) dB

    表2 幾種濾波方法的MSE取值(Lena) dB

    2)客觀角度分析:(1)當(dāng)噪聲強(qiáng)度為5%時(shí),中值濾波與文獻(xiàn)[14]濾波性能大體相當(dāng),表現(xiàn)為二者的PSNR和MSE值較為接近,相對(duì)于自適應(yīng)維納濾波而言具有較大優(yōu)勢(shì);在此噪聲強(qiáng)度下,本文濾波算法性能遠(yuǎn)高于前面3類(lèi)濾波方法,這反映在其PSNR值分別高于前面3類(lèi)方法3 dB,5 dB,2 dB;MSE值低于前3類(lèi)方法9 dB,15 dB,6 dB。(2)當(dāng)噪聲強(qiáng)度持續(xù)增大到25%時(shí),前3類(lèi)濾波算法性能出現(xiàn)較大幅度下降,相對(duì)而言,本文濾波算法濾波性能仍維持在較高水平,這說(shuō)明該算法具有較強(qiáng)的抗噪性。

    2.2.2 實(shí)驗(yàn)2

    選用一幅大小為256×256灰度級(jí)為255的“cameraman.jpg”圖像,通過(guò)加入不同強(qiáng)度的脈沖噪聲進(jìn)行濾波性能測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為圖2、表3、表4所示。

    圖2 cameraman圖像濾波結(jié)果

    表3 幾種濾波方法的PSNR值(cameraman) dB

    表4 幾種濾波方法的MSE取值(cameraman) dB

    對(duì)圖2和表3、表4分析如下:

    1)主觀角度分析,圖2b為受到強(qiáng)度為20%脈沖噪聲干擾的圖像,整體上該圖像存在較大模糊,人臉、攝像機(jī)等細(xì)節(jié)信息基本喪失;經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)[14]濾波后,噪聲得到較大程度抑制,但圖2b中仍殘留相當(dāng)程度的噪聲;圖2d中噪聲抑制程度低于圖2c,圖像中噪聲仍大量分布,相對(duì)而言圖2e中,噪聲基本得到抑制,圖像清晰度得到改善。

    2)客觀角度分析:(1)當(dāng)噪聲強(qiáng)度處于低水平時(shí),文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]濾波性能較為接近,表現(xiàn)為二者PSNR值大體相當(dāng),MSE值相差僅為6 dB,并且這樣的相近特點(diǎn)抑制保持到噪聲強(qiáng)度為25%的情形;(2)本文濾波算法在噪聲增大的過(guò)程中,始終保持較強(qiáng)態(tài)勢(shì),表現(xiàn)為PSNR值高于文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[15]濾波算法達(dá)5 dB左右,MSE低于文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[15]濾波算法達(dá)21~27 dB左右。此外,本文濾波算法在該過(guò)程中,PSNR值僅降低了1.5 dB,MSE值僅增加了12 dB左右,這能充分說(shuō)明,該濾波算法對(duì)于高強(qiáng)度脈沖噪聲具有較好的濾波效果。

    綜合實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2分析可知,本文濾波算法性能不僅優(yōu)于中值濾波、自適應(yīng)維納濾波等單一濾波算法,而且相對(duì)于幾類(lèi)組合濾波算法而言,優(yōu)勢(shì)也較為明顯。

    2.2.3 實(shí)驗(yàn)3

    實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2中本文所提出的小波域增強(qiáng)函數(shù)模型系數(shù)在不同噪聲強(qiáng)度下的取值,如表5和表6所示。

    表5 不同噪聲強(qiáng)度下小波域增強(qiáng)函數(shù)系數(shù)取值(Lena圖像)

    表6 不同噪聲強(qiáng)度下小波域增強(qiáng)函數(shù)系數(shù)取值(cameraman圖像)

    對(duì)表5中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸可得

    對(duì)表6中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸可得

    對(duì)以上模型分析可知,增強(qiáng)函數(shù)系數(shù)η1、η2與噪聲強(qiáng)度x大致成線性關(guān)系。通過(guò)對(duì)式(12)、式(13)進(jìn)行粗略概括,可以獲得一定范圍內(nèi)通用的函數(shù)增強(qiáng)模型,即

    3 結(jié)束語(yǔ)

    本文從廣義角度出發(fā),結(jié)合圖像增強(qiáng)技術(shù)提出了一種針對(duì)圖像脈沖噪聲的濾波算法。該算法將噪聲圖像進(jìn)行小波變換,通過(guò)對(duì)加權(quán)中值濾波算法、自適應(yīng)維納濾波算法進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn),將其引入到小波域中,對(duì)小波高頻和低頻子圖像分別進(jìn)行處理,并進(jìn)行小波系數(shù)重構(gòu)。最后通過(guò)對(duì)濾波后圖像按照構(gòu)建的增強(qiáng)模型進(jìn)行圖像視覺(jué)效果改善。實(shí)驗(yàn)證明,該濾波算法具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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