圖像小波變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳金西

(廈門(mén)理工學(xué)院電子與電氣工程系，福建廈門(mén) 361024)

數(shù)字圖像變換域處理的目的是利用某些變換域可使圖像的某些特征得以突出，從中提取圖像特征，便于處理和識(shí)別；利用圖像變換域處理可實(shí)現(xiàn)圖像高效壓縮編碼；利用圖像變換域處理可使數(shù)學(xué)運(yùn)算量大大減少，從而提高圖像處理速度。數(shù)字圖像變換域處理最關(guān)鍵是數(shù)學(xué)變換模型，即首先將圖像從空域變換到變換域，然后進(jìn)行各種處理，再將所得結(jié)果進(jìn)行逆變換，從變換域再變換到空域，從而達(dá)到圖像處理目的。小波變換具有多分辨率分析的特點(diǎn)，在時(shí)域和頻域都有表征信號(hào)局部信息的能力，時(shí)間窗和頻率窗都可以根據(jù)信號(hào)的具體形態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整。在一般情況下，在低頻部分可以采用較低的時(shí)間分辨率，而提高頻率的分辨率，在高頻情況下可以用較低的頻率分辨率來(lái)?yè)Q取精確的時(shí)間定位。因?yàn)檫@些特定，小波分析可以探測(cè)正常信號(hào)中的瞬態(tài)，并展示其頻率成分，所以被稱(chēng)數(shù)學(xué)顯微鏡，廣泛用于各個(gè)時(shí)頻的分析領(lǐng)域，如信號(hào)處理、圖像處理、模式識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別等。小波分析在圖像處理方面，主要用來(lái)圖像壓縮、圖像降噪、圖像增強(qiáng)、圖像融合和圖像分解。

本設(shè)計(jì)采用Matlab程序，設(shè)計(jì)數(shù)字圖像二維小波變換平臺(tái)，用戶(hù)可任意給定變換參數(shù)，即可觀察變換模型的變換域特征圖像、逆變換后的圖像及原始圖像，并可根據(jù)需要存儲(chǔ)結(jié)果，分析特征。這種圖形化、可視化操作界面形象直觀，便于理解圖像處理過(guò)程和變換模型的物理特征，可提高圖像分析與研究效率。本設(shè)計(jì)已應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，得到學(xué)生的普遍好評(píng)。

1 小波變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

小波變換的基本思想是通過(guò)一個(gè)小波函數(shù)在時(shí)間上的平移和在尺度上的伸縮得到一個(gè)小波基，然后利用小波基去表示或逼近信號(hào)或函數(shù)，獲得一種能自動(dòng)適應(yīng)各種頻變成分的有效信號(hào)分析手段。小波變換彌補(bǔ)了傅立葉變換不能描述隨時(shí)間變化的頻率特性的不足，特別適合于那些在不同時(shí)間窗內(nèi)，具有不同頻率特性，而且其應(yīng)用目的是為了得到信號(hào)或圖像的局部頻譜信息而非整體信息的信號(hào)或圖像處理問(wèn)題。由于小波變換在時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部化特性，利用小波的多分辨率分解特性既可高效地描述圖像的平坦區(qū)域，又可有效地表示圖像信息的局部突變（圖像邊緣部分）。因此小波變換在圖像處理領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。小波變換定義如下。

如果f（x）是一個(gè)離散序列，則對(duì)f（x）展開(kāi)得到的系數(shù)稱(chēng)為f（x）的一維離散小波變換。

尺寸為M×N圖像f（x，y）的二維離散小波變換定義是[1]：

其中uj，m，n（x,y）=2j/2u（2jx-m，2jy-n）為縮放基函數(shù)；

其中（i）={H，V，D}為平移基函數(shù)；

u（x,y）=u（x）u（y）為縮放函數(shù)；v（Hx,y）=v（x）u（y）為水平方向細(xì)節(jié)函數(shù)；v（Vx,y）=u（x）v（y）為垂直方向細(xì)節(jié)函數(shù)；v（Dx,y）=v（x）v（y）為對(duì)角方向細(xì)節(jié)函數(shù)。

離散小波反變換是：

小波分解原理說(shuō)明：小波分解過(guò)程如圖1所示，圖中S表示原始圖像，A表示近似圖像（低頻圖像），B表示細(xì)節(jié)圖像（高頻圖像），下標(biāo)表示分解的層數(shù)，分解的數(shù)學(xué)表示為S=A1+B1=A2+B2+B1=A3+B3+B2+B1。由于分解過(guò)程是迭代的，從理論上講可以無(wú)限制地連續(xù)分解下去，但在實(shí)際中，分解可以進(jìn)行到細(xì)節(jié)只包含單個(gè)樣本為止。因此在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)圖像的特征或者合適的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇適當(dāng)?shù)姆纸鈱訑?shù)。

圖1 小波分解示意圖

程序算法設(shè)計(jì)(4層分解)[2]：輸入圖像I；選擇變換小波函數(shù)w2；小波分解:[a，b]=wavedec2(I，4，w2)；提取 1 層分解信息：a1=appcoef2(a，b，w2，1)；b1=detcoef2('h'，a，b，1)；c1=detcoef2('v'，a，b，1)；d1=detcoef2('d'，a，b，1)；提取 2 層分解信息：a2=appcoef2(a，b，w2，2)；b2=detcoef2('h'，a，b，2)；c2=detcoef2('v'，a，b，2)；d2=detcoef2('d'，a，b，2)；提取 3 層分解信息：a3=appcoef2(a，b，w2，3)；b3=detcoef2('h'，a，b，3)；c3=detcoef2('v'，a，b，3)；d3=detcoef2('d'，a，b，3)；提取 4 層分解信息：a4=appcoef2(a，b，w2，4)；b4=detcoef2('h'，a，b，4)；c4=detcoef2('v'，a，b，4)；d4=detcoef2('d'，a，b，4)；

計(jì)算1層近似圖像的熵值H1：H1=0；[f，x]=imhist(a1)；[m，n]=size(a1)；f=f/(m*n)；for k=0:x，iff(k+1)~=0，H1=H1+f(k+1).*log2(f(k+1))；end；end；

計(jì)算2層近似圖像的熵值H2：H2=0；[f，x]=imhist(a2)；[m，n]=size(a2)；f=f/(m*n)；for k=0:x，iff(k+1)~=0，H2=H2+f(k+1).*log2(f(k+1))；end；end；

計(jì)算3層近似圖像的熵值H3：H3=0；[f，x]=imhist(a3)；[m，n]=size(a3)；f=f/(m*n)； for k=0:x，iff(k+1)~=0，H3=H3+f(k+1).*log2(f(k+1))；end；end；

計(jì)算4層近似圖像的熵值H4：H4=0；[f，x]=imhist(a4)；[m，n]=size(a2)；f=f/(m*n)；for k=0:x，iff(k+1)~=0，H4=H4+f(k+1).*log2(f(k+1))；end；end；

組建小波分解完整圖像：J4=[a4，b4；c4，d4]；[m，n]=size(a3)；J_4=J4(1:m，1:n)；J3=[J_4，b3；c3，d3]；

[m，n]=size(a2)；J_3=J3(1:m，1:n)；J2=[J_3，b2；c2，d2]；[m，n]=size(a1)；J_2=J2(1:m，1:n)；

J1=[J_2，b1；c1，d1]；顯示所有圖像[3]。

程序運(yùn)行界面如圖2所示。

圖2 多尺寸小波變換程序運(yùn)行界面

程序運(yùn)行結(jié)果分析：改變參數(shù)，仿真結(jié)果與圖像處理理論相符合。離散小波變換是將原始圖像分解成1個(gè)近似圖像和3個(gè)細(xì)節(jié)圖像，即每一層分解成4個(gè)子帶圖像，近似圖像又可進(jìn)一步分解成4個(gè)子帶圖像，故總的子帶數(shù)為3k＋1，其中k就是分解的層數(shù)。4層haar小波變換結(jié)果如圖2所示，第一行的右邊原始圖像分解為第一行左邊的4個(gè)第一層子帶圖像，再?gòu)牡谝恍械淖钭筮吔茍D像分解成第二行左邊的4個(gè)第二層子帶圖像，再?gòu)牡诙械淖钭筮吔茍D像分解成第三行左邊的4個(gè)第三層子帶圖像，依此逐層分解。分解層數(shù)的選擇一方面要看圖像的復(fù)雜程度，另一方面要從子帶信息量來(lái)分析，當(dāng)一個(gè)子帶分成4個(gè)子帶時(shí)，若4個(gè)子帶的熵值和很小，就不必再分解了。如圖2所示的小波分解例子，其各層的熵值為：第一層近似圖像是0.52053；第二層近似圖像是0.31054；第三層近似圖像是0.15806；第四層近似圖像是0.08672。通過(guò)本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中可根據(jù)原始圖像的大小和一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定分解層數(shù)，一般分解3層即可滿(mǎn)足要求。

小波變換與傅立葉變換相比，小波變換具有很大的靈活性，其中一個(gè)重要方面就是傅立葉變換具有唯一的正弦基函數(shù)，而小波變換具有很多小波基函數(shù)可供選擇[4]。選擇不同的小波基對(duì)于圖像處理的效果有很大的影響。這種靈活性一方面使小波變換的性能比傅立葉變換有了根本提高，另一方面也給小波變換的應(yīng)用帶來(lái)難題。本系統(tǒng)提供可選擇的小波有haar(db1)小波、Daubechies（db2；db3；…；db45）小波、Coiflets（coif1；coif2；…；coif5）小波、Symlets（sym2；sym3； …；sym45）小波、Discrete Meyer wavelet(dmey)小波、Biorthogonal(bior1.1，bior1.3， bior1.5，bior2.2，bior2.4，bior2.6，bior2.8，bior3.1，bior3.3，bior3.5，bior3.7，bior3.9，bior4.4， bior5.5，bior6.8)小波、Reverse Biorthogonal（rbio1.1，rbio1.3，rbio1.5，rbio2.2，rbio2.4， rbio2.6， rbio2.8，rbio3.1，rbio3.3， rbio3.5，rbio3.7，rbio3.9， rbio4.4，rbio5.5，rbio6.8）小波。小波基的選取是小波應(yīng)用研究中的一個(gè)難點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，往往都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)下拉列表框提供各種小波基的選擇，操作簡(jiǎn)單，變換結(jié)果直接顯示，方便用戶(hù)對(duì)各種不同小波基變換特征研究。小波變換通過(guò)選取合適的小波基，可以極大地減小或去除所提取不同特征之間的相關(guān)性。多尺度小波分解結(jié)果，按各層次的低頻分解圖像，水平方向的高頻分解圖像，垂直方向的高頻分解圖像，對(duì)角方向的高頻分解圖像排列顯示，便于觀察分析圖像的分解信息特征。不同層次的圖像信息變化，反應(yīng)小波變換具有“變焦”特性，在低頻段可用高頻率分辨率和低時(shí)間分辨率(寬分析窗口)分析，在高頻段可用低頻率分辨率和高時(shí)間分辨率(窄分析窗口)分析。

2 軟、硬件運(yùn)行環(huán)境及調(diào)試運(yùn)行

硬件要求：PⅡ以上CPU；1G以上內(nèi)存；50G以上硬盤(pán)空間。

軟件要求：Windows2000及以上版本操作系統(tǒng)；采用可視化面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的Matlab2006版本為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)調(diào)試修改及實(shí)踐驗(yàn)證，已能全面滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，大大提高了對(duì)數(shù)字圖像處理學(xué)習(xí)研究的工作效率，顯示較高的實(shí)用價(jià)值，可在圖像處理領(lǐng)域中推廣使用。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：(1)把原始圖像小波變換后各層特征圖像，由變換圖像的重建圖像，變換前后誤差圖像繪在同一界面上，方便用戶(hù)觀察比較，其圖像處理運(yùn)算過(guò)程清晰，運(yùn)算結(jié)果形象直觀，對(duì)圖像處理過(guò)程的抽象數(shù)學(xué)理解能起到啟發(fā)作用[5]。各變換設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，變換特性符合數(shù)字圖像處理理論；(2)界面友好，使用方便，操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行效率高；(3)有利于改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，選擇原始圖像，快速繪出處理結(jié)果以及觀察與分析研究；(4)對(duì)二維小波基進(jìn)行分類(lèi)歸納，并進(jìn)行簡(jiǎn)單明確的說(shuō)明，方便“數(shù)字圖像處理”“數(shù)字信號(hào)處理”“通信原理”“醫(yī)學(xué)圖像處理”的輔助教學(xué)，也方便利用本軟件進(jìn)行圖像變換處理的自學(xué)與研究；(5)變換域用二維圖像表示，形象直觀，對(duì)學(xué)習(xí)研究變換域各特征之間相互關(guān)系很有幫助；(6)利用此平臺(tái)作為多媒體教學(xué)輔助，把抽象的圖像處理過(guò)程及變換的抽象數(shù)學(xué)模型用形象的圖形來(lái)表征，提高教學(xué)效率，獲得同行及學(xué)生好評(píng)。

[1]章毓晉.圖像處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[2]陳金西.FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)可視化平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].廈門(mén)理工學(xué)院學(xué)報(bào),2008,16(4):37-42.

[3]劉衛(wèi)國(guó).Matlab程序設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4]李俊山.數(shù)字圖像處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[5]陳金西.基于Matlab的數(shù)字圖像二維濾波軟件設(shè)計(jì)[J].廈門(mén)理工學(xué)院學(xué)報(bào),2009,17(2):40-45.