巴特沃斯低通濾波器在圖像增強(qiáng)中的應(yīng)用研究

肖錦龍

(東莞理工學(xué)校，廣東 東莞523460)

0 引 言

改善圖像質(zhì)量是圖像處理最基本目的之一，而圖像增強(qiáng)是改善圖像質(zhì)量的最常用技術(shù)，因此圖像增強(qiáng)在圖像處理過程中有著很重要的地位和作用［1］。圖像增強(qiáng)的目的就是為了使圖像更加清晰，視覺效果更好，便于后期的圖像分析和處理［2］。若按照?qǐng)D像在不同作用域中進(jìn)行圖像處理來分，可以分為空域內(nèi)處理和頻域內(nèi)處理［3］。空域處理也叫時(shí)域處理，是直接對(duì)圖像進(jìn)行各種處理；而頻域內(nèi)處理是通過變換函數(shù)把圖像轉(zhuǎn)換為某個(gè)變換頻域，再改變換頻域?qū)D像的變換系數(shù)進(jìn)行運(yùn)算處理，然后再通過變換函數(shù)的逆變換從而實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)效果［4］。

隨著圖像處理技術(shù)的不斷發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出各種新方法，目前在圖像增強(qiáng)研究方面比較新的有模糊技術(shù)和小波變換等。圖像增強(qiáng)技術(shù)方法眾多，但每種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因圖像增強(qiáng)涉及的面比較廣，因此沒有一種方法可以完全取代其它方法，不同的圖像對(duì)圖像增強(qiáng)的要求不同，所采用的算法也不同。本文介紹的巴特沃斯低通濾波器圖像增強(qiáng)屬于頻域?yàn)V波增強(qiáng)，其通過傅里葉變換把圖像轉(zhuǎn)換為頻域，再進(jìn)行巴特沃斯低通濾波，然后用傅里葉逆變換轉(zhuǎn)換回空域，最終實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)效果。

1 圖像知識(shí)介紹

1.1 離散傅里葉變換

傅里葉變換被認(rèn)為是描述圖像信息的第二種語言，廣泛應(yīng)用于數(shù)字圖像處理的頻譜分析，是線性系統(tǒng)分析的一個(gè)非常有用的工具。傅里葉變換是數(shù)字圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)，其能在時(shí)空域和頻率域中來回切換圖像。普通的圖像計(jì)算和處理都是很復(fù)雜的，但通過傅里葉變換后，再對(duì)圖像信息特征進(jìn)行提取和分析，計(jì)算工作量明顯降低。因此在數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，起著非常重要的作用，常用于圖像分析、圖像增強(qiáng)和圖像壓縮等［5］。傅里葉變換包含連續(xù)傅里葉變換、離散傅里葉變換、快速傅里葉變換和短時(shí)傅里葉變換等，在數(shù)字圖像處理使用的是二維離散傅里葉變換。

顧名思義，離散傅里葉變換就是傅里葉變換在時(shí)間和頻率域上均以離散的形式存在。假設(shè)有離散序列f（x），其一維離散傅里葉變換定義為:

離散序列f（x）的長(zhǎng)度為N，u＝0，1，…，N-1，則F(u)的一維離散傅里葉反變換可以定義為:

根據(jù)式（1）和式（2）離散傅里葉變換推廣到二維時(shí)，則可以設(shè)離散函數(shù)f（x，y）。

其中，x＝0，1，…，M-1，y＝0，1，…，N-1。二維離散傅里葉變換定義為:

式中，u＝0，1，…，M-1，v＝0，1，…，N-1。F(u，v)二維離散傅里葉反變換可以定義為:

其中，x＝0，1，…，M-1；y＝0，1，…，N-1；u和v是頻率變量。

1.2 圖像增強(qiáng)

假設(shè)f（x，y）為原始圖像函數(shù)，h（x，y）為濾波器函數(shù)。在空域內(nèi)濾波的卷積運(yùn)算，如式（5）所示:

其中，函數(shù)h（x，y）可以是低通濾波，也可以是高通濾波，函數(shù)g(x，y)為空域?yàn)V波后輸出的圖像函數(shù)。根據(jù)卷積定理，式（5）的傅里葉變換可以表示如式（6）:

式（6）中，H（u，v）為濾波傳遞函數(shù)，可以根據(jù)不同的濾波要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其與F(u，v)相乘，即可得到在頻域內(nèi)改善的頻譜G(u，v)，從而實(shí)現(xiàn)在頻域內(nèi)的高低通或其它濾波。經(jīng)過濾波后的頻譜G(u，v)還要進(jìn)行傅里葉反變換，最后得到濾波圖像g(x，y)［6］。其中頻域?yàn)V波的關(guān)鍵是G(u，v)函數(shù)的設(shè)計(jì)。

1.3 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法分為2類，即主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)方法是指通過人們觀察來對(duì)圖像質(zhì)量的優(yōu)劣做出判斷，最具代表性的方法就是主觀質(zhì)量評(píng)分法。該方法預(yù)先指定測(cè)試的評(píng)價(jià)尺度，然后對(duì)測(cè)試圖像按所看到的視覺效果給出圖像等級(jí)。主觀評(píng)價(jià)方法應(yīng)該是最準(zhǔn)確的、最能表示人們視覺感受的方法。但主觀評(píng)價(jià)方法不夠穩(wěn)定，易受周圍環(huán)境和個(gè)人情緒等因素影響。而且主觀評(píng)價(jià)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在實(shí)際工程應(yīng)用中比較難采用。客觀評(píng)價(jià)方法是用處理圖像與原始圖像的誤差來衡量處理圖像的質(zhì)量［7］。最具有代表性的方法評(píng)價(jià)指標(biāo)有均方誤差（MSEA）和峰值信噪比（PSNE）等。

2 巴特沃斯濾波器

巴特沃斯濾波器（Butterworth filter）被稱作最大平坦濾波器，是連續(xù)衰減的濾波器，即巴特沃斯濾波器不會(huì)出現(xiàn)太大陡峭的變化。巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是在通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線呈最大限度的平坦，沒有紋波，而在阻頻帶內(nèi)則逐漸下降為0［6］。巴特沃斯濾波器根據(jù)截至頻率的不同分為低通濾波器、高通濾波器和帶阻濾波器。

2.1 巴特沃斯低通濾波器

低通濾波的作用是讓信號(hào)中的低頻信息通過，而濾掉或抑制高頻信息［7］，在實(shí)際中最重要的作用就是濾掉高頻的噪聲。圖像中的噪聲大部分集中在高頻部分，所以低通濾波能平滑圖像噪聲。由于圖像的邊緣也集中在高頻部分，所以在平滑噪聲的同時(shí)也會(huì)平滑圖像邊緣，從而造成圖像不同程度上的模糊。巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)H（u，v）如式（7）:

其中，D0為巴特沃斯低通濾波器的截止頻率，n為巴特沃斯濾波器的階數(shù)，n越大則濾波器的形狀越陡峭。可以根據(jù)不同的濾波要求修改D0和n值，實(shí)現(xiàn)不同的圖像增強(qiáng)效果［8］。

2.2 巴特沃斯高通濾波器

巴特沃斯高通濾波器傳遞函數(shù)H（u，v）可以表示為式（8）:

其中，D0為截止頻率，參數(shù)n為階數(shù)，用來控制濾波器的陡峭程度。

2.3 巴特沃斯帶阻濾波器

巴特沃斯帶阻濾波器的公式如式（9）:

其中，D0為需要截止的頻率點(diǎn)與頻率中心的距離；W為帶阻濾波器的帶寬；n為階數(shù)。

3 巴特沃斯低通濾波器在圖像增強(qiáng)算法分析

3.1 算法分析

為了實(shí)現(xiàn)巴特沃斯低通濾波器在圖像增強(qiáng)的算法，本文在matlab中進(jìn)行了2次不同的仿真實(shí)驗(yàn)。

（1）在原圖上直接濾波，其算法實(shí)現(xiàn)步驟描述如下:

①通過imread（）函數(shù)讀入圖像；

②對(duì)圖像進(jìn)行傅里葉變換和平移，用fft2（）傅里葉函數(shù)變換圖像到頻域；

③設(shè)計(jì)階數(shù)為6和截止頻率不同的巴特沃斯低通濾波器，對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)濾波處理；

④用ifft2（）函數(shù)反變換回空域圖像；

⑤用corr2（）函數(shù)計(jì)算濾波后圖像和原圖的相似度。

（2）對(duì)原圖添加一定密度的椒鹽噪聲，再進(jìn)行濾波，最后計(jì)算相似度。其算法實(shí)現(xiàn)過程如圖1所示。

圖1 算法流程圖Fig.1 Algorithm flow chart

3.2 matlab算法實(shí)現(xiàn)的主要代碼

在matlab中用巴特沃斯低通濾波器對(duì)添加椒鹽噪聲圖進(jìn)行圖像增強(qiáng)仿真實(shí)驗(yàn)的主要代碼如下:

A＝imread（＇coins.png＇）；%讀入原圖

I＝imnoise（A，＇salt＆pepper＇，0.02）；%添加密度為0.02的椒鹽噪聲

I＝im2double（I）；%轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型

M＝2*size（I，1）；%設(shè)計(jì)濾波器的行數(shù)

N＝2*size（I，2）；%設(shè)計(jì)濾波器的列數(shù)

u＝-M／2:（M／2-1）；

v＝-N／2:（N／2-1）；

［U，V］＝meshgrid（u，v）；

D＝sqrt（U.＾2+V.＾2）；

D0＝50；%設(shè)置濾波器的截止頻率為50

n＝6；%設(shè)置濾波器的階數(shù)為6

H＝1.／（1+（D.／D0）.＾（2*n））；%設(shè)計(jì)巴特沃斯低通濾波器

J＝fftshift（fft2（I，size（H，1），size（H，2）））；%通過傅里葉函數(shù)轉(zhuǎn)換到頻域

K＝J.*H；%對(duì)加噪轉(zhuǎn)換的頻譜進(jìn)行濾波處理

L＝ifft2（ifftshift（K））；%通過傅里葉反函數(shù)轉(zhuǎn)換回空域

L＝L（1:size（I，1），1:size（I，2））；

r＝corr2（A，L）%計(jì)算機(jī)濾波后圖與原圖的相似的系數(shù)

figure；%顯示各種圖片

subplot（231）；imshow（A）；title（＇（a）原圖＇）；

subplot（232）；imshow（I）；title（＇（b）加入 椒鹽噪聲圖＇）；

subplot（235）；imshow（L）；title（＇（c）截止50頻率＇）；

如果直接對(duì)原圖進(jìn)行濾波實(shí)驗(yàn)，只要將添加噪聲的代碼行刪除即可，并且可以通過修改截止頻率和濾波器階數(shù)的數(shù)值來驗(yàn)證圖像增強(qiáng)效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文為了驗(yàn)證巴特沃斯低通濾波器對(duì)圖像增強(qiáng)的效果，分別在matlab中進(jìn)行2次仿真實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)一設(shè)計(jì)階數(shù)為6，截止頻率分別為30、50、100、200的低通濾波器，對(duì)“coins.png”原圖進(jìn)行圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)二對(duì)“coins.png”原圖添加密度為0.02的椒鹽噪聲，設(shè)計(jì)階數(shù)為6，截止頻率分別為50、100、200的低通濾波器，對(duì)加噪圖進(jìn)行圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)得到的相似度系數(shù)分別見表1、表2，圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)后的對(duì)比結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 原圖圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖Fig.2 Contrast diagram of original image enhancement experiment

圖3 添加椒鹽噪聲后圖像增強(qiáng)對(duì)比圖Fig.3 Image contrast enhancement after adding salt and pepper noise

表1 原圖圖像增強(qiáng)相似度系數(shù)表Tab.1 Similarity coefficient table of original image enhancement

表2 添加椒鹽噪聲圖像增強(qiáng)相似度系數(shù)表Tab.2 Similarity coefficient table of image enhancement with salt and pepper noise

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 實(shí)驗(yàn)一結(jié)果分析

根據(jù)表1相似度系數(shù)客觀評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量發(fā)現(xiàn):截止頻率越低，數(shù)值越小，相似度也越低。對(duì)于圖2（a），從主觀評(píng)價(jià)分析發(fā)現(xiàn)，截止頻率越低，圖像越模糊。由此得出:巴特沃斯低通濾波器，在相同階數(shù)的前提下，截止頻率越高，攔截的高頻信息越少，邊緣平滑越少，圖像邊緣能保留的信息越多，圖像與原圖的相似度越高。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)二結(jié)果分析

根據(jù)表2可知，截止頻率不同，相似度系數(shù)也不同。當(dāng)增加到一定的峰值后，截止頻率繼續(xù)增大，相似度反而會(huì)減少。由圖3可見，圖3（c）中椒鹽噪聲基本被濾掉，但圖像與原圖相比，圖像較模糊；圖3（d）中觀察到，椒鹽噪聲也基本被濾掉，但是仔細(xì)觀察還有一些淡淡的小點(diǎn)，即是沒有濾掉的椒鹽噪聲，圖像清晰度相對(duì)較高；盡管圖3（e）圖像清晰度是這三幅圖中最高的，但是椒鹽噪聲還可明顯看到，圖像增強(qiáng)效果不是特別好。由此得出:巴特沃斯低通濾波器在階數(shù)相同的情況下，圖像的清晰度并沒有隨截止頻率不斷增加而增強(qiáng)，而是當(dāng)截止頻率到達(dá)一定的峰值后，截止頻率增加，清晰度反而降低。這是因?yàn)榻符}噪聲主要集中在圖像的高頻部分，當(dāng)截止頻率增加，攔截的高頻信息越少，濾去噪聲效果就降低，噪聲能保留的信息越多，圖像增強(qiáng)效果就會(huì)降低。因此，為了達(dá)到最好的圖像增強(qiáng)效果，需要經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)，找到合適的截止頻率，在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)還能有效濾去椒鹽噪聲。

5 結(jié)束語

通過設(shè)計(jì)不同階數(shù)和截止頻率的巴特沃斯低通濾波器，能使圖像中的低頻部分信息順利通過，高頻信息有效攔截，達(dá)到平滑圖像的目的，實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。在圖像傳遞過程中，圖像通常都會(huì)產(chǎn)生各種噪聲，而噪聲大部分都集中在圖像的高頻部分。本文通過實(shí)驗(yàn)證明:只要選擇合適階數(shù)和截止頻率的巴特沃斯低通濾波器，就能有效去除圖像中的椒鹽噪聲，改善圖像質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)效果。但是，攔截噪聲的同時(shí)也會(huì)把圖像的一些高頻邊緣信息濾掉，引起圖像邊緣模糊。當(dāng)截止的頻率升高，噪聲濾去的效果也會(huì)降低，因此選擇合適階段和截止頻率是巴特沃斯低通濾波器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。