基于灰度直方圖的單一圖像噪聲類型識別研究

王連利 劉增力 劉康

摘 要：圖像噪聲類型識別是抑噪方案研究的前提及噪聲參數(shù)估計的基礎(chǔ)，對后續(xù)的圖像處理有著重要作用。利用含噪圖像灰度直方圖特性，對幾種常見單一噪聲類型進行識別。首先對這些噪聲基于統(tǒng)計學(xué)的方法進行數(shù)學(xué)建模，獲取不同類型噪聲的隨機矩陣，把這些噪聲矩陣加載到灰度圖像中；然后對圖像中灰度等級相對一致的不連續(xù)區(qū)域分別采樣并畫出直方圖，通過直方圖中不同分量灰度值的分布及圖形形狀識別噪聲類型。在前人的基礎(chǔ)上增加了瑞利噪聲、伽馬噪聲、指數(shù)噪聲等類型識別，對圖像灰度直方圖繪制方法進行了改進，擴大了采樣區(qū)域的可選范圍。對同一加噪圖片均勻不連續(xù)區(qū)域分別采樣，提高了噪聲類型識別準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：灰度直方圖；噪聲類型；灰度級；像素點；含噪圖像

DOI：10.11907/rjdk.172618

中圖分類號：TP317.4

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）004-0197-04

Abstract：The identification of the image noise type is not only a prerequisite for the study of the noise suppression scheme， but also plays an important role in the subsequent image processing， and it is the basis of the noise parameter estimation. The recognition of the noise type is more and more important. This paper identifies several common single noise types mainly based on the characteristics of gray histogram containing noise image. Firstly， the noise is based on the mathematical method of mathematical modeling， and the matrices of different types of noise are obtained. These noise matrices are loaded into the gray scale image， then the discontinuous regions of the gray scale of the image are sampled and their histograms are drawn separately. The different noise types are separated through the histogram of different components of the gray value of the distribution and graphical shape. In this paper， the method of Rayleigh noise， gamma noise， exponential noise and so on are improved on the basis of predecessors， and the method of drawing image histogram is improved. At the same time， the range of sampling area is expanded. Sampling of different discontinuous regions also improves the accuracy of noise type identification.

Key Words：gray histogram； noise type； gray level； pixel； noisy image

0 引言

圖像是信息傳輸?shù)某Ｒ娦问街?，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、醫(yī)療、航天和軍事領(lǐng)域，以及微信、數(shù)字電視等生活當(dāng)中。然而，圖像在形成、傳送、接收等過程中難免受到噪聲污染。噪聲湮沒了原始圖像結(jié)構(gòu)和紋理，影響視覺質(zhì)量及后續(xù)的圖像處理[1]。因此，圖像的去噪處理尤為重要。

目前，大多數(shù)噪聲研究假設(shè)噪聲為已知類型及已知參數(shù)，而在實際應(yīng)用中圖像噪聲類型一般未知[2]。越來越多的研究成果顯示，正確估計和利用圖像噪聲對圖像去噪及后續(xù)處理有著重要的指導(dǎo)意義與使用價值。再好的噪聲去除方法皆不可能適用于所有的噪聲類型，如高斯白噪聲，均值濾波算法比較好，中值濾波算法就不適合；中值算法特別適合脈沖噪聲，但對于高斯白噪聲的去噪效果就不盡如意[3]。所以，對噪聲類型的識別和對噪聲參數(shù)的估計，不僅有助于研究抑噪方法，而且對圖像的其它操作也很有幫助。對噪聲類型進行識別也是噪聲參數(shù)估計的前提。

利用統(tǒng)計學(xué)方法可以發(fā)現(xiàn)高度復(fù)雜圖像所含噪聲的內(nèi)在規(guī)律，對這些規(guī)律進行數(shù)學(xué)建?？商岣邎D像處理的工作效率和整體性[4]。針對一些單一的常見噪聲，本文對這些噪聲基于統(tǒng)計的方法進行數(shù)學(xué)建模，進而獲取不同類型噪聲的隨機矩陣。把這些噪聲矩陣添加到原始灰度圖像中，通過對圖像中灰度等級相對一致的不連續(xù)區(qū)域進行多次采樣，繪制采樣區(qū)域圖像的灰度直方圖，分析灰度直方圖中不同分量灰度值的分布及圖形形狀，以此識別噪聲類型。首先在前人基礎(chǔ)上增加了瑞利噪聲、伽馬噪聲、指數(shù)噪聲等類型識別；其次，由于MATLAB中自帶的求灰度直方圖函數(shù)imhist（）對具有較高灰度級和較小灰度級的區(qū)域有影響，即較暗區(qū)域和較亮區(qū)域不能得到完整信息，所以本文對繪制圖像灰度直方圖的方法也進行了改進，使得對均勻區(qū)進行采樣的選擇范圍變大，同時對均勻不連續(xù)區(qū)域多次采樣也提高了噪聲類型識別的準(zhǔn)確度。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 噪聲類型及建模

噪聲是使圖像受到干擾的重要原因。圖像噪聲分類標(biāo)準(zhǔn)多種多樣，如按噪聲來源、頻譜形狀、噪聲對圖像的影響方式等標(biāo)準(zhǔn)[5]。自然圖像的噪聲具有隨機性和不可預(yù)測性，因此噪聲可以看作隨機信號，具有統(tǒng)計學(xué)上的特征屬性 [6]。

1.1.1 高斯噪聲

高斯噪聲指概率密度函數(shù)服從高斯分布的一類隨機噪聲，是應(yīng)用最廣的一種噪聲模型[7]。高斯噪聲的MATLAB實現(xiàn)較為簡單，一是直接加載MATLAB工具箱中自帶的gaussian噪聲，二是使用randn（M，N）函數(shù)，得到高斯隨機矩陣z：

式（1）中，a為要添加的高斯噪聲均值，b為方差，M，N為要添加噪聲的灰度圖像尺寸。

1.1.2 均勻噪聲

均勻噪聲服從均勻分布，假設(shè)均勻分布區(qū)間為[a，b]，在產(chǎn)生圖像噪聲過程中，無法區(qū)分隨機噪聲z在區(qū)間[a，b]內(nèi)取不同值時有何不同，就可以假定z服從[a，b]上的均勻分布。均勻噪聲矩陣如下：

式（2）中，z為所加噪聲矩陣，a，b為均勻噪聲的分布區(qū)間參數(shù)，均勻噪聲矩陣可由rand（M，N）直接產(chǎn)生。

1.1.3 椒鹽噪聲

椒鹽噪聲又稱雙脈沖噪聲，圖像傳感器、傳輸信道、解碼處理等會使圖像產(chǎn)生椒鹽噪聲[7]。一般椒噪聲和鹽噪聲同時出現(xiàn)，表現(xiàn)為黑白相間的點噪聲。基于椒鹽噪聲的特點，要實現(xiàn)椒鹽噪聲就要將圖像中的某些位置的像素點隨機置為黑色或白色，即產(chǎn)生噪聲的位置是隨機的，該位置是椒噪聲還是鹽噪聲也是隨機的。先產(chǎn)生隨機矩陣，將該隨機矩陣作為圖像矩陣的索引矩陣，然后通過設(shè)置閾值，使閾值之外的點設(shè)置為黑點或白點，實現(xiàn)對椒鹽噪聲的模擬，也可直接加載MATLAB自帶的salt & pepper噪聲。

1.1.4 瑞利噪聲

當(dāng)一個隨機二維向量的兩個分量呈獨立的、有著相同的方差正態(tài)分布時，這個向量的模呈瑞利分布。瑞利噪聲的實現(xiàn)可借助平均噪聲：

U（0，1）表示均值為0、方差為1的均勻分布。在MATLAB里，使用函數(shù)rand（M，N）就可產(chǎn)生一個均值為0、方差為1的均勻噪聲。

1.1.5 指數(shù)噪聲

指數(shù)分布是伽馬分布的一種特殊情況[8]。指數(shù)分布噪聲可由rand（M，N）產(chǎn)生的隨機矩陣實現(xiàn)：

式（4）中a為常數(shù)。

1.1.6 伽馬噪聲

伽馬噪聲分布服從伽馬曲線的密度函數(shù)分布。伽馬噪聲可通過疊加b個服從指數(shù)分布的噪聲得到：

式（5）、式（6）中，Ei是指數(shù)序列，z為b個Ei疊加產(chǎn)生的伽馬噪聲矩陣，b為常數(shù)。

1.2 灰度直方圖算法

圖像的灰度直方圖為圖像提供了豐富的信息：①反映圖像亮度信息。直方圖的峰值位置說明了圖像總體的亮暗程度；②反映圖像對比度信息。一幅圖由不同灰度值的像素點組成，能夠很直觀地展示出圖像中各個灰度級所占的比例[9]。噪聲主要影響圖像清晰度，即影響原有像素值的大小。直方圖獲得的是像素值分布的統(tǒng)計圖，噪聲的統(tǒng)計特性也會在直方圖中體現(xiàn)出來。

式（7）中，nk為圖像中出現(xiàn)rk級灰度的像素數(shù)，n是圖像像素總數(shù)，p（rk）為灰度級頻率[10]。

繪制直方圖算法如下：

（1）讀取灰度圖像矩陣（或?qū)⑵渌问綀D像轉(zhuǎn)化），對圖像矩陣進行歸一化， 測量圖像尺寸。

（2）創(chuàng)建一個-0.2～1.2等間距向量x。

（3）以X中的元素為區(qū)間中心，獲得直方圖區(qū)間的分類標(biāo)準(zhǔn)，將步驟（2）中得到的圖像的二維矩陣逐列映射到x區(qū)間中，統(tǒng)計每列矩陣像素點落入這些區(qū)間中的分布概率，得到映射矩陣。

（4）預(yù)創(chuàng)建用來存放灰度級出現(xiàn)概率的向量Histogram，注意該向量的大小要與x向量的大小一致。使用for循環(huán)遍歷映射矩陣每一列，將每列落入各個區(qū)間的概率相加存儲到Histogram中。for循環(huán)的終值一定是讀入的灰度圖像長度，但本文求的是采樣圖像的直方圖，不能確定所采集的圖像大小，終值的列數(shù)以一個變量形式表示。

（5）使用bar函數(shù)繪制直方圖，并用axis函數(shù)設(shè)置直方圖橫坐標(biāo)及縱坐標(biāo)的上下限，縱坐標(biāo)能使圖像完整顯示出來，橫坐標(biāo)與x向量保持一致。

算法說明：

灰度圖像一般是以M*N的二維數(shù)據(jù)矩陣形式存儲的，數(shù)值范圍是0-255，0表示純黑色，255表示白色。把圖像歸一化后數(shù)據(jù)類型變?yōu)殡p精度浮點（double）型，矩陣中數(shù)值的范圍是0-1，0表示黑色，1表示白色[11]。當(dāng)對加噪圖像灰度等級相對一致的平滑區(qū)域進行取樣時，要考慮實際應(yīng)用中采集到的圖像千差萬別，選擇的灰度區(qū)域顏色深淺不一。如果采集到的圖像灰度區(qū)域較暗，比如為黑色，那么其像素值可能為0，有可能為負。而對于采集到的灰度區(qū)域較亮，其像素點值較大時，像素點的值等于或大于1（歸一化后）。利用MATLAB自帶函數(shù)imhist（）[12]繪制灰度直方圖會導(dǎo)致丟失部分信息，影響含噪圖像的直方圖形狀，難以正確判定噪聲類型。

建模后生成的噪聲基本上是0-1的隨機矩陣，這里先對原灰度圖像歸一化。在繪制灰度直方圖時要求直方圖的橫坐標(biāo)范圍必須大于0-1，以防止像素點溢出，影響靠近橫坐標(biāo)兩端的圖像顯示效果。這里直方圖橫坐標(biāo)范圍設(shè)為-0.2～1.2。對直方圖做歸一化處理，得到歸一化的直方圖，即bars向量的每個分量不是該灰度級上實際統(tǒng)計的像素個數(shù)，而是對應(yīng)的灰度在原圖中占有的比例。

1.3 噪聲類型判別

基于灰度直方圖的圖像噪聲類型判別流程及方法如圖1所示。

2 實驗及結(jié)果分析

（1）讀取原始圖像并顯示，如圖2所示，對圖像作歸一化處理。

（2）對圖2加載不同類型噪聲，并顯示加噪后的圖像，如圖3所示。

（3）以加載的高斯噪聲為例，對圖像均勻非連續(xù)區(qū)進行采樣，如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）所示。仔細觀察原圖片，尋找可供選擇的采樣區(qū)域，即圖片中灰度值（顏色）比較均勻的區(qū)域，在符合要求的區(qū)域分別采樣。本文選取3種不同顏色的均勻區(qū)域分別進行采樣，圖中標(biāo)注的方框即為采樣區(qū)域。采用本文算法對采樣區(qū)域的直方圖進行繪制，如圖3（d）、圖3（e）、圖3（f）所示。

通過實驗，可以驗證只要采樣區(qū)域灰度值均勻，即顏色基本一致，每個樣本的直方圖就基本一致。這樣即使生活中的圖片灰度值更為復(fù)雜、顏色更為多變，也可通過采集多幅樣本綜合判斷噪聲類型。

（4）用MATLAB自帶函數(shù)imhist（）繪制圖4中的（a）、（b）、（c）直方圖[14]，結(jié)果如圖5所示。

通過實驗步驟（3）和步驟（4）可以看出，用MATLAB自帶函數(shù) imhist（）繪制直方圖會丟失橫坐標(biāo)邊緣部分圖像信息，導(dǎo)致在采樣時過大灰度值區(qū)域或過小灰度值區(qū)域都不能選，而現(xiàn)實生活中的圖片本就復(fù)雜，可選采樣區(qū)域會更加受限。所以，本文繪制直方圖的方法可擴大采樣區(qū)域范圍，而且對不連續(xù)區(qū)域分別采樣也加大了噪聲類別判斷的準(zhǔn)確性。

（5）按照本文方法分別繪制加了不同噪聲類型的圖像直方圖，這里不一一顯示不同采樣區(qū)域結(jié)果，而是選取其中一個采集樣點展示其加噪圖像的直方圖效果，如圖6所示。

觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，采集含不同噪聲類型的圖像得到的灰度直方圖具有明顯特征。加有高斯噪聲采樣得到的直方圖呈現(xiàn)正態(tài)分布，圖像典型特點是左右對稱[15]；含瑞利噪聲的圖像采樣所對應(yīng)的直方圖具有明顯的瑞利分布曲線形式，其圖像可以看作正態(tài)分布曲線向右歪斜；伽馬噪聲所對應(yīng)直方圖服從伽馬分布，其圖像特點是左側(cè)基本垂直上升，右側(cè)衰減變快；指數(shù)噪聲采集得到的直方圖呈指數(shù)分布狀態(tài)，左側(cè)呈垂直上升趨勢，右側(cè)衰減下降趨勢更快，圖像更為尖銳，有尖峰特性；含均勻噪聲的圖像服從均勻分布，其圖像形狀基本上是平的；含椒鹽噪聲所對應(yīng)的均勻區(qū)域直方圖有3個明顯波峰，其它大多數(shù)灰度值的像素個數(shù)基本趨于零。

3 結(jié)語

本文對噪聲分布統(tǒng)計特性進行了研究，建立了數(shù)學(xué)模型。對含噪圖像灰度分布均勻的多個不連續(xù)區(qū)域進行采樣，并運用改進的方法繪制采樣區(qū)域直方圖。實驗結(jié)果表明，運用本文繪制直方圖方法，可以拓寬灰度均勻區(qū)域選取范圍，只要灰度等級相對一致即可。即使采樣區(qū)域的像素點值較大或較小，都可以呈現(xiàn)圖像的完整形狀，而且對灰度分布均勻的多個不連續(xù)區(qū)域進行采樣，可使判定噪聲類型準(zhǔn)確性加大。最后基于直方圖形狀來初步識別單一圖像噪聲類型。下一步的工作是加大對具有復(fù)雜背景的圖像進行噪聲類型識別，以及對非單一類型噪聲的識別研究。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）