Лекции по "Технологии цифровой обработки сигналов"

Многие изображения  характеризуются гистограммами  с высокой концентрацией линий  в определенных зонах распределения  интенсивности. Часто гистограмма  распределения яркостей изображения  имеет перекос в сторону малых  уровней (яркость большинства элементов ниже средней). Одним из методов улучшения качества таких изображений является видоизменение их гистограммы. Выравнивание гистограммы может быть осуществлено на основе возведения в степень модуля спектральных коэффициентов Фурье-преобразования изображения, при этом знак и фаза коэффициентов сохраняется. Если обозначить показатель степени α, то при α<1 операция извлечения корня степени α уменьшает большие спектральные коэффициенты и увеличивает малые. Такое перераспределение энергии в частотной плоскости изображения приводит к более эффективному использованию динамического диапазона интенсивностей пикселей изображения в пространственной области.

Выбор хорошей маски  регулирования гистограммы интенсивности  пикселей повышает контраст, тем самым  улучшая контрастную разрешающую способность деталей. В программах обработки есть команды, позволяющие устанавливать цвета при цветном картировании изображений, имеющие плавные или, наоборот, резкие переходы отображаемых деталей в зоне интереса. В сочетании с обращением контраста, преобразующем негативное изображение в позитивное, данный способ позволяет также повысить контраст мелких и средних деталей изображения.

Существует достаточно большой арсенал математических моделей и алгоритмов, программная  реализация которых позволяет значительно повысить контрастное разрешение изображений. Эти алгоритмы основаны на процессах линейной и нелинейной фильтрации изображений, преобразующей гистограмму интенсивности.

Выравнивание  освещенности изображений. Часто некоторые участки на изображении бывают слишком темными, чтобы на них можно было что-то разглядеть. Если прибавить яркости ко всему изображению, то изначально светлые участки могут оказаться засвеченными. Чтобы улучшить вид изображения в таких случаях, применяется метод выравнивания освещенности.

Освещенность меняется в пространстве достаточно медленно и ее можно считать низкочастотным сигналом. Само же изображение можно  считать в среднем более высокочастотным сигналом. Если бы в процессе фотографии эти сигналы складывались, то их можно было бы разделять с помощью обычных фильтров. Однако на реальной фотографии получается произведение той картины, которую мы хотим видеть, и карты освещенности. И поскольку эти сигналы не складываются, а перемножаются, то избавиться от неравномерностей освещенности простой фильтрацией не удастся.

Для решения таких  задач применяется гомоморфная  обработка. Идея обработки заключается  в сведении нелинейной задачи к линейной. Например, можно свести задачу разделения перемноженных сигналов к задаче разделения сложенных сигналов. Для этого нужно взять логарифм от произведения изображений, который будет равен сумме логарифмов сомножителей. При этом задача разделения произведения сигналов сводится к задаче разделения суммы НЧ- и ВЧ- сигналов и решается с помощью ВЧ-фильтра, который удалит из суммы сигналов низкие частоты. Останется взять от полученного сигнала экспоненту, чтобы вернуться к исходному масштабу амплитуд.

ВЧ-фильтр можно реализовать  следующим образом. Сначала к  изображению применяется операция размытия (НЧ-фильтр), а потом из исходного изображения вычитается размытое. Наилучший радиус размытия зависит от конкретного изображения. Можно начать эксперименты с радиуса порядка десяти пикселей.

Обычно для размытия изображения применяется двумерный  гауссовский фильтр, имеющий вид h(x, y) = A exp(-(x²+y²) /2s²). Здесь A – нормирующая константа (сумма всех коэффициентов фильтра должна быть равна 1), σ – «ширина» фильтра, регулирующая степень размытия.

Непосредственное вычисление двумерной свертки с таким  ядром требует больших вычислений даже при сравнительно небольшом размере ядра. Однако эквивалентного эффекта можно достичь, отфильтровав одномерным гауссианом сначала строки изображения, а затем столбцы полученного изображения. Полученный от выравнивания освещенности эффект может оказаться слишком сильным (темные области станут по яркости такими же, как и светлые). Чтобы уменьшить эффект, можно просто смешать обработанное изображение с исходным в определенной пропорции.

Улучшение пространственного разрешения. Интерпретация изображений тесно связана с качеством представления мелких неискаженных деталей. При этом необходимо, чтобы с увеличением фрагментов не происходило ухудшения разрешающей способности изображения при выполнении математических операций 2D-интерполяции функции пространственного распределения интенсивности пикселей в строках и столбцах матрицы изображения. Важным фактором при идентификации объектов является также локализация и отображение зон одной и той же яркости или цветности, даже если эти области имеют размеры нескольких пикселей.

Четкость изображений  в профессиональных программах корректируется, как правило, определением оптимальных  значений яркости и контрастности путем выбора соответствующих опций:

а) «величины» — степени  влияния воздействия на резкость изображения;

б) «радиуса» — толщины  контура резкости;

в) «порога дискриминации» — определения контуров объектов путем задания разности значений интенсивности соседних пикселей, достаточной для того, чтобы программа повысила контрастность между ними.

Некоторые программы  содержат автоматическую установку  оптимального соотношения контрастности  и яркости, поддерживающих необходимую  четкость изображения.

При обработке изображений  важную роль играют алгоритмы ранговой фильтрации, позволяющие устранять  «размытость» деталей (улучшить их фокусировку) за счет выбора двумерной n×n маски пикселей, выполнения операции ранжирования значений интенсивности пикселей в пределах задаваемой маски и присвоения центральному пикселю значения, равного максимальному значению по ранжиру. К виду ранговой относится также процедура медианной фильтрации, устраняющая в изображении некоррелированные случайные сигналы и импульсные помехи без "размытия" резких перепадов яркости на границах объектов.

Информативное применение линейной фильтрации обусловлено ее возможностями коррекции искажений различного типа, возникающих вследствие несовершенства устройств, формирующих изображение. Посредством линейной фильтрации удается уменьшить влияние флуктуационных шумов и других дефектов на воспроизводимых изображениях в режиме повышения контраста малоконтрастных деталей при увеличении масштаба зон интереса.

Коррекция аппертурных  искажений изображений в случае отсутствия шумовой составляющей сигнала  осуществляется путем инверсной фильтрации (деконволюции). Однако следует учитывать, фильтры деконволюции имеют коэффициент усиления дисперсии шумов, больший 1, и вместо улучшения изображения может увеличиться зашумленность.

Перспективными считаются  нелинейные методы фильтрации на основе частотных масок, позволяющих уменьшить влияние низкочастотных компонент сигнала изображения и усилить влияние высокочастотных компонент, что повышает пространственное разрешение деталей, описываемых в спектре изображения более высокими пространственными частотами.

5.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ ОБЪЕКТОВ НА ИЗОБРАЖЕНИИ [47, 1i]

С точки зрения распознавания  и анализа объектов на изображении  наиболее информативными являются не значения яркостей объектов, а характеристики их границ – контуров. Другими словами, основная информация заключена не в яркости отдельных областей, а в их очертаниях. Задача выделения контуров состоит в построении изображения именно границ объектов и очертаний однородных областей.

Как правило, граница  предмета на фотографии отображается перепадом яркости между двумя сравнительно однотонными областями. Но перепад яркости может быть вызван также текстурой предмета, тенями, бликами, перепадами освещенности, и т.п.

Будем называть контуром изображения совокупность его пикселов, в окрестности которых наблюдается  скачкообразное изменение функции яркости. Так как при цифровой обработке изображение представлено как функция целочисленных аргументов, то контуры представляются линиями шириной, как минимум, в один пиксел. Если исходное изображение, кроме областей постоянной яркости, содержит участки с плавно меняющейся яркостью, то непрерывность контурных линий не гарантируется. С другой стороны, если на “кусочно-постоянном” изображении присутствует шум, то могут быть обнаружены “лишние” контуры в точках, которые не являются границами областей.

При разработке алгоритмов выделения контуров нужно учитывать  указанные особенности поведения  контурных линий. Специальная дополнительная обработка выделенных контуров позволяет устранять разрывы и подавлять ложные контурные линии.

Процедура построения бинарного изображения границ объектов обычно складывается из двух последовательных операций: выделения контуров и их пороговой обработки.

Исходное изображение  подвергается линейной или нелинейной обработке, с реакцией на перепады яркости. В результате этой операции формируется изображение, функция яркости которого существенно отличается от нуля только в областях резких изменений яркости изображения. Пороговой обработкой из этого изображения формируется контурный объект. Выбор порога на втором этапе должен производиться из следующих соображений. При слишком высоком пороге могут появиться разрывы контуров, а слабые перепады яркости не будут обнаружены. При слишком низком пороге из-за шумов и неоднородности областей могут появиться ложные контуры.

Поиск границ на основе градиента. Одним из наиболее простых способов выделения границ является пространственное дифференцирование функции яркости. Для двумерной функции яркости A(x, y) перепады в направлениях x и y регистрируются частными производными 𝝏A(x, y)/𝝏x и 𝝏A(x, y)/𝝏y, которые пропорциональны скоростям изменения яркости в соответствующих направлениях.

Рис. 5.2.1.

Выделение перепадов  яркости иллюстрирует рис. 5.2.1. На нем  можно видеть, что подчеркивание контуров, перпендикулярных к оси x, обеспечивает производная 𝝏A(x, y)/𝝏x (рис. б), а подчеркивание контуров, перпендикулярных к оси y, – 𝝏A(x, y)/𝝏y (рис. в).

В практических задачах  требуется выделять контуры, направление  которых является произвольным. Для этих целей можно использовать модуль градиента функции яркости

|ÑA(x, y)| =

,

который пропорционален максимальной (по направлению) скорости изменения функции яркости в данной точке и не зависит от направления контура. Модуль градиента в отличие от частных производных принимает только неотрицательные значения, поэтому на получающемся изображении (рис. г) точки, соответствующие контурам, имеют повышенный уровень яркости.

Для цифровых изображений  аналогами частных производных  и модуля градиента являются разностные функции.

 

Практический пример выделения границ на фотоизображении  приведен на рис. 5.2.2. Исходное изображение (1) является однотонным. На изображении (2) представлен результат вычисления вектора градиента яркости ÑА(x, y) = (𝝏A/𝝏x, 𝝏A/𝝏y). Как видно на рисунке, в точках большого перепада яркости градиент имеет большую длину. Отфильтровав пиксели с длиной градиента, большей определенного порога a, мы получим изображение границ (3).

 

Рис. 5.2.2

 

Недостаток алгоритма - пропуск границы с малыми перепадами яркости и включение в число границ деталей изображения с большими изменениями яркости (шкурка бурундука). При зашумлении изображения карту граничных точек будут загрязнять и просто шум, поскольку не учитывается, что граничные точки соответствуют не просто перепадам яркости, а перепадам яркости между относительно монотонными областями.

Для снижения влияния  данного недостатка изображение  сначала подвергают сглаживающей гауссовской  фильтрации. При сглаживающей фильтрации мелкие несущественные детали размываются быстрее перепадов между областями. Результат операции можно видеть на изображении (4). Однако при этом четко выраженные границы расплываются в жирные линии.

Градиент яркости в  каждой точке характеризуется длиной и направлением. Выше при поиске граничных точек использовалась только длина вектора. Направление градиента - это направление максимального возрастания функции, что позволяет использовать процедуру подавления немаксимумов. При этой процедуре для каждой точки рассматривается отрезок длиной в несколько пикселей, ориентированный по направлению градиента и с центром в рассматриваемом пикселе. Пиксель считается максимальным тогда и только тогда, когда длина градиента в нем максимальна среди всех длин градиентов пикселей отрезка. Граничными можно признать все максимальные пиксели с длинами градиента больше определенного порога. Градиент яркости в каждой точке перпендикулярен границе, поэтому после подавления немаксимумов жирных линий не остается. На каждом перпендикулярном сечении жирной линии останется один пиксель с максимальной длиной градиента.

Перпендикулярность градиента  яркости к границе может быть использована для прослеживания  границы, начиная с некоторого граничного пикселя. Такое прослеживание используется в гистерезисной фильтрации максимальных пикселей. Идея гистерезисной фильтрации заключается в том, что длинный устойчивый граничный контур, скорее всего, содержит в себе пиксели с особенно большим перепадом яркости, и, начиная с такого пикселя, контур можно проследить, переходя по граничным пикселям с меньшим перепадом яркости.

Рис. 5.2.3.

При проведении гистерезисной  фильтрации вводят не одно, а два  пороговых значения. Меньшее (a) соответствует минимальной длине градиента, при которой пиксель может быть признан граничным. Большее (b), соответствует минимальной длине градиента, при которой пиксель может инициализировать контур. После того как контур инициализируется в максимальном пикселе P с длиной градиента, большей b, рассматриваются каждый соседний с ним максимальный пиксель Q. Если пиксель Q имеет длину градиента, большую a, и угол между векторами PQ и Ñ(P) близок к 90^o, то P добавляется к контуру, и процесс рекурсивно переходит к Q. Его результат для исходного изображения на рис. 5.2.2 показан на рис. 5.2.3.