同态滤波(Homomorphic filtering)

来源:互联网 发布:java文件下载原理 编辑:程序博客网 时间:2024/04/28 16:17

1、引言
在生活中会得到这样的图像,它的动态范围很大(即:黑的部分很黑,白的部分很白),而感兴趣的部分的灰度又很暗(即灰度级范围很小),分不清物体的灰度层次和细节。采用一般的灰度级线性变换法是不行的,因为扩展灰度级虽然可以提高图像的反差,但会使得动态范围变的更大。而压缩灰度等级,虽然可以减少动态范围,但物体灰度层次和细节就更无法分辨了。同态滤波正好负责解决这种光照分布不均情况下的图像增强问题。
图像的同态滤波(Homomorphic filtering)是把频率过滤和灰度变换结合起来的一种图像处理方法,其是以图像的照度/ 反射率模型作为频域处理的基础,通过调整图像灰度范围和增强对比度来改善图像的质量。使用这种方法可以使图像处理符合人眼对于亮度响应的非线性特性,避免了直接对图像进行傅立叶变换处理的失真。该方法消除图像上照明不均的问题,增强暗区的图像细节,同时又不损失亮区的图像细节。
2、基本原理
对于一副图像这里写图片描述可以由其照度(illumination)函数这里写图片描述和反射(reflectance)函数这里写图片描述的乘积表示:
这里写图片描述
其中,这里写图片描述描述景物的照明,与景物无关,这里写图片描述这里写图片描述包含景物的细节,与照明无关,这里写图片描述
由于照度相对变化很小,可以看作是图像的低频成份,而反射率则是高频成份。通过分别处理照度和反射率对像元灰度值的影响,达到揭示阴影区细节特征的目的。
上式中这里写图片描述这里写图片描述二者相乘,无法直接用于对照度和反射的频率分量进行操作,因此上式取对数,使在空间域变成相加关系。
这里写图片描述
对上式两边取傅里叶变换,
这里写图片描述
图像的照射分量这里写图片描述在空间上变化缓慢,其频谱特性集中在低频段;而反射函数这里写图片描述的频谱集中在高频段(景物本身具有较多的细节和边缘),反射函数描述的景物,反映图像的细节内容,特别是在不同物体的连接部分。,其频率处于高频区域。这些特性导致图像取对数后的傅里叶变换的低频成分与照射相联系,而高频成分与反射相联系。
这里写图片描述这里写图片描述同态滤波函数,可分别作用在照度分量上和反射分量上),式中,这里写图片描述是傅里叶变换的结果,在空间域中。
使用同态滤波器可以更好地控制照射分量和反射分量。这种控制器需要指定一个滤波器函数这里写图片描述,它可用不同的可控方法影响傅里叶变换的低频和高频。如果这里写图片描述这里写图片描述选定,而这里写图片描述<1且这里写图片描述>1,那么滤波器函数趋近于衰减低频(照射)的贡献,而增强高频反射的贡献。最终结果是同时进行动态范围的压缩和对比度的增强。
这里写图片描述
这里写图片描述
这里写图片描述
这里写图片描述
这里写图片描述
这里写图片描述
最后,由于这里写图片描述是原始图像这里写图片描述取对数得到的,相反的操作就能产生符合要求的增强图像,由这里写图片描述表示,也就是:
这里写图片描述
算法流程
这里写图片描述
其中这里写图片描述表示原始图像;这里写图片描述代表对数运算;DFT 代表傅立叶变换(实际操作中运用快速傅立叶变换FFT);IDFT 代表傅立叶逆变换(实际操作中运用快速傅立叶逆变换IFFT);exp 代表指数运算。
3、同态滤波器的设计
假如图像照明不均,则图像上各部分的平均亮度会有起伏。对应于暗区的图像细节结构就较难分辨,需要消除这种不均匀性。可以压缩照明函数的灰度范围,也就是在频域上削弱照明函数的成分,同时增强反射函数的频谱成分,就可以增加反映图像对比度的反射函数的对比度。结果,使图像上暗区图像细节得以增大,并尽可能大的保持亮区的图像细节。由乘上传递函数这里写图片描述——(同态滤波器),低频段被压缩,而高频段却扩展了。
高斯型高通滤波修改形式:
这里写图片描述
式中这里写图片描述, 常数c用于控制坡度的锐利度,它在这里写图片描述这里写图片描述之间过渡。
根据不同的图像特性和需要,选用不同的这里写图片描述,可得到满意的结果。这个滤波器类似于高斯高频强调滤波器。
4、实验结果
这里写图片描述
这里写图片描述

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