MedicalImage4空域模板增强.ppt

医学图像处理信自学院生医系1 1可整理可整理pptppt第三章第三章 医学图像增强医学图像增强3.1 3.1 图像增强概述图像增强概述3.2 3.2 空域图像增强空域图像增强3.3 3.3 频域图像增强频域图像增强2可整理ppt3.2 空域图像增强空域图像增强3.2.1 3.2.1 空域点运算增强空域点运算增强3.2.2 3.2.2 空域模板增强空域模板增强n n3.2.2.1 3.2.2.1 概述概述n n3.2.2.2 3.2.2.2 平滑滤波器平滑滤波器n n3.2.2.3 3.2.2.3 锐化滤波器锐化滤波器 3可整理ppt3.2.2.1 概述概述n n1.1.空域滤波器的定义空域滤波器的定义n n2.2.空域滤波器的分类空域滤波器的分类4可整理ppt3.2.2.1 概述概述1.空域滤波器的定义空域滤波器的定义 使用空域模板进行的图像处理，被称为空使用空域模板进行的图像处理，被称为空域滤波。域滤波。模板模板本身被称为本身被称为空域滤波器空域滤波器。5可整理ppt2.空域滤波器的分类空域滤波器的分类n n处理效果分类处理效果分类n n数学形态分类数学形态分类锐化滤波器锐化滤波器平滑滤波器平滑滤波器空域滤波器空域滤波器线性滤波器线性滤波器非线性滤波器非线性滤波器带通带通低通低通高通高通中值中值最小值最小值最大值最大值6可整理ppt3.2.2.1 概述概述n n线性滤波器的定义n n线线性性滤滤波波器器是是线线性性系系统统和和频频域域滤滤波波概概念念在在空空域域的的自自然然延伸。其特征是结果像素值的计算由下列公式定义：延伸。其特征是结果像素值的计算由下列公式定义：R=w1z1+w2z2+wnzn 其中：其中：w wi i i=1,2,n i=1,2,n 是模板的系数是模板的系数 z zi i i=1,2,n i=1,2,n 是被计算像素及其邻域像素是被计算像素及其邻域像素的值的值7可整理ppt3.2.2.1 概述概述n n非线性滤波器的定义n n使用模板进行结果像素值的计算，结果值直接使用模板进行结果像素值的计算，结果值直接取决于像素邻域的值，而不使用乘积和的计算取决于像素邻域的值，而不使用乘积和的计算 R=w1z1+w2z2+wnzn8可整理ppt3.2.2.1 概述概述n n主要非线性滤波器（主要非线性滤波器（序值滤波器序值滤波器Rank Value FilterRank Value Filter）n n中值滤波中值滤波n n主要用途：钝化图像、去除噪音主要用途：钝化图像、去除噪音n n计算公式：计算公式：R=mid zR=mid zk k|k=1,2,9|k=1,2,9n n最大值滤波最大值滤波n n主要用途：寻找最亮点主要用途：寻找最亮点n n计算公式：计算公式：R=max zR=max zk k|k=1,2,9|k=1,2,9n n最小值滤波最小值滤波n n主要用途：寻找最暗点主要用途：寻找最暗点n n计算公式：计算公式：R=min zR=min zk k|k=1,2,9|k=1,2,9 9可整理ppt3.2.2.1 概述概述n n举例：最大值滤波举例：最大值滤波返回中值滤波10可整理ppt3.2.2.2 平滑滤波器平滑滤波器n n1 1.平滑（钝化）滤波器的主要用途n n2.基本低通滤波n n3.中值滤波11可整理ppt1.平滑（平滑（钝化）滤波器的主要用途钝化）滤波器的主要用途n n对大图像处理前，删去无用的细小细节对大图像处理前，删去无用的细小细节n n连接中断的线段和曲线连接中断的线段和曲线n n降低噪音降低噪音n n恢复过分锐化的图像恢复过分锐化的图像12可整理ppt2.基本低通滤波基本低通滤波n n滤波器模板系数的设计滤波器模板系数的设计n n模板尺寸对滤波器效果的影响模板尺寸对滤波器效果的影响n n低通空域滤波的缺点和问题低通空域滤波的缺点和问题13可整理ppt2.基本低通滤波基本低通滤波n n滤波器模板系数的设计n n根据空域中低通冲激响应函数的图形来设计根据空域中低通冲激响应函数的图形来设计模板的系数模板的系数例如，选择高斯函数作为冲激函数例如，选择高斯函数作为冲激函数g(x,y)=h(x,y)*f(x,y)014可整理ppt2.基本低通滤波基本低通滤波n n设计模板系数的原则设计模板系数的原则1 1）大于）大于0 011111111111111111111111111111111113x3的模板5x5的模板15可整理ppt2.基本低通滤波基本低通滤波111111111111111111111111110.5110.510.5110.510.5110.50.50.50.50.50.50.50.50.50.50.51/25*1/17*n n2 2）通过求均值，解决超出灰度范围问题）通过求均值，解决超出灰度范围问题16可整理ppt2.基本低通滤波基本低通滤波n n模板运算举例模板运算举例以模块运算系数表示即：1 12 21 14 43 31 12 22 23 34 45 57 76 68 89 95 57 76 68 88 85 56 67 78 89 91 12 21 14 43 31 12 22 23 34 45 57 76 68 89 95 57 76 68 88 85 56 67 78 89 9344456678Mean filterBox模板17可整理ppt2.基本低通滤波基本低通滤波将以上的均值滤波器加以修正，可以得到加权平均滤波器。高斯模板18可整理ppt2.基本低通滤波基本低通滤波n n模板尺寸对滤波器效果的影响n n模板尺寸越大，图像越模糊，图像细节丢失模板尺寸越大，图像越模糊，图像细节丢失越多越多19可整理ppt2.基本低通滤波基本低通滤波原图3 3x x3 3模板9 9x x9 9 模模板板5 5x x5 5 模模板板20可整理ppt2.基本低通滤波基本低通滤波n n低通空域滤波的缺点n n如果图像处理的目的是去除噪音，那么，如果图像处理的目的是去除噪音，那么，低通滤波在去除噪音的同时也钝化了边和低通滤波在去除噪音的同时也钝化了边和尖锐的细节。尖锐的细节。21可整理ppt3.中值滤波中值滤波median filter 虽然均值滤波器（虽然均值滤波器（Mean filterMean filter）对噪声有抑）对噪声有抑制作用，但同时会使图像变得模糊。为了改制作用，但同时会使图像变得模糊。为了改善这一状况，必须寻找新的滤波器。中值滤善这一状况，必须寻找新的滤波器。中值滤波就是一种有效的方法。波就是一种有效的方法。22可整理ppt3.中值滤波中值滤波n n中值滤波的原理中值滤波的原理n n用模板区域内象素的中值，作为结果值用模板区域内象素的中值，作为结果值R=mid zR=mid zk k|k=1,2,9|k=1,2,9n n强强迫迫突突出出的的亮亮点点（暗暗点点）更更象象它它周周围围的的值值，以消除孤立的亮点（暗点）以消除孤立的亮点（暗点）23可整理ppt3.中值滤波中值滤波例（一维）：原图像为：2 2 6 2 1 2 4 4 4 2 4 处理后为：2 2(1,2,2,2,6)2(1,2,2,2,6)2(1,2,2,4,6)2 2 44 4 4 4(2,4,4)24可整理ppt3.中值滤波中值滤波n n中值滤波算法的实现n n将模板区域内的象素排序，求出中值。将模板区域内的象素排序，求出中值。例如：例如：3x33x3的模板，第的模板，第5 5大的是中值，大的是中值，5x55x5的模板，第的模板，第1313大的是中值，大的是中值，7x77x7的模板，第的模板，第2525大的是中值，大的是中值，9x99x9的模板，第的模板，第4141大的是中值。大的是中值。n n对于同值象素，连续排列。对于同值象素，连续排列。如（如（10,15,20,20,20,20,20,25,10010,15,20,20,20,20,20,25,100）25可整理ppt3.中值滤波中值滤波例：1 12 21 14 43 31 12 22 23 34 45 57 76 68 89 95 57 76 68 88 85 56 67 78 89 91 12 21 14 43 31 12 22 23 34 45 57 76 68 89 95 57 76 68 88 85 56 67 78 89 923456667826可整理ppt3.中值滤波中值滤波n n中值滤波算法的特点n n在在去去除除噪噪音音的的同同时时，可可以以比比较较好好地地保保留留边边的的锐度和图像的细节锐度和图像的细节n n对滤除椒盐噪声最有效对滤除椒盐噪声最有效n n当当噪噪声声点点个个数数大大于于模模板板宽宽度度的的一一半半时时,中中值值滤滤波效果不好。波效果不好。比较：最大值滤波器，最小值滤波器27可整理ppt3.2.2.3 锐化滤波器锐化滤波器1.锐化滤波器的主要用途2.一阶微分滤波器3.二阶微分滤波器4.Canny算子5.高频补偿滤波28可整理ppt1.锐化滤波器的主要用途锐化滤波器的主要用途n n超超声声探探测测成成象象，分分辨辨率率低低，边边缘缘模模糊糊，通通过过锐锐化化来改善来改善n n图像识别中，分割前的边缘提取图像识别中，分割前的边缘提取n n锐化处理恢复过度钝化、曝光不足的图像锐化处理恢复过度钝化、曝光不足的图像29可整理ppt2.一阶微分滤波器一阶微分滤波器n n一阶微分滤波器的原理n n均均值值产产生生钝钝化化的的效效果果，而而均均值值与与积积分分相相似似，那那微微分分能能不不能能产产生生相相反反的的效效果果，即即锐锐化化的的效效果呢？结论是肯定的。果呢？结论是肯定的。n n在在图图像像处处理理中中应应用用微微分分最最常常用用的的方方法法是是计计算算梯梯度度。函函数数f(x,y)f(x,y)在在(x,y)(x,y)处处的的梯梯度度为为一一个个矢矢量量：f=f/x,f/y 30可整理ppt2.一阶微分滤波器一阶微分滤波器n n一阶微分滤波器的原理 计算这个矢量的大小（模）为：计算这个矢量的大小（模）为：f=mag(f=mag(f)=(f)=(f/f/x)x)2 2+(+(f/f/y)y)2 2 1/21/2 考考虑虑一一个个3x33x3的的图图像像区区域域，z z代代表表灰灰度度级级，上上式在点式在点z z5 5的的 f f值可用数字方式近似。值可用数字方式近似。(f/f/x)x)用（用（z z5 5 z z6 6）近似）近似 (f/f/y)y)用（用（z z5 5 z z8 8）近似，组合为）近似，组合为：f f (z5-z6)(z5-z6)2 2+(z5-z8)+(z5-z8)2 2 1/21/2z2z8z5z3z9z6z1z7z431可整理ppt2.一阶微分滤波器一阶微分滤波器n n一阶微分滤波器的原理用绝对值替换平方和平方根用绝对值替换平方和平方根 有：有：f f|z|z5 5-z-z6 6|+|z|+|z5 5-z-z8 8|另外一种计算方法是使用交叉差：另外一种计算方法是使用交叉差：f f (z(z5 5-z-z9 9)2 2+(z+(z6 6-z-z8 8)2 2 1/21/2 f f|z|z5 5-z-z9 9|+|z|+|z6 6-z-z8 8|z2z8z5z3z9z6z1z7z432可整理ppt2.一阶微分滤波器一阶微分滤波器n n一阶微分滤波器模板系数设计n nRobertsRoberts交叉梯度算子交叉梯度算子n nPrewittPrewitt梯度算子梯度算子n nSobelSobel梯度算子梯度算子33可整理ppt2.一阶微分滤波器一阶微分滤波器n n一阶微分滤波器模板系数设计n nRobertsRoberts交叉梯度算子交叉梯度算子 f f|z|z5 5-z-z9 9|+|z|+|z6 6-z-z8 8|n n梯度计算由两个模板组成，第一个求得梯梯度计算由两个模板组成，第一个求得梯度的第一项，第二个求得梯度的第二项，度的第一项，第二个求得梯度的第二项，然后求和，得到梯度。然后求和，得到梯度。n n两个模板称为两个模板称为RobertsRoberts 交叉梯度算子交叉梯度算子z2z8z5z3z9z6z1z7z401-10-100134可整理ppt2.一阶微分滤波器一阶微分滤波器n n一阶微分滤波器模板系数设计n nPrewittPrewitt梯度算子梯度算子3x33x3的梯度模板的梯度模板 f f|(z|(z7 7 +z+z8 8+z+z9 9)-(z-(z1 1+z+z2 2+z+z3 3)|+|+|(z|(z3 3 +z+z6 6+z+z9 9)-(z-(z1 1+z+z4 4+z+z7 7)|z2z8z5z3z9z6z1z7z4-110-110-110000-1-1-111135可整理ppt2.一阶微分滤波器一阶微分滤波器n n一阶微分滤波器模板系数设计n nSobelSobel梯度算子梯度算子3x33x3的梯度模板的梯度模板 f f|(z|(z7 7 +2z+2z8 8+z+z9 9)-(z-(z1 1+2z+2z2 2+z+z3 3)|+|+|(z|(z3 3 +2z+2z6 6+z+z9 9)-(z-(z1 1+2z+2z4 4+z+z7 7)|z2z8z5z3z9z6z1z7z4-220-110-110000-1-1-211236可整理pptn nKirsch算子：考察像素z5的8个邻点。用三个相邻点的加权和减去剩下5个邻点的加权和，并令z5三个邻点环绕移位，经多次计算，取其中差值大者。2.一阶微分滤波器一阶微分滤波器z2z8z5z3z9z6z1z7z437可整理ppt2.一阶微分滤波器一阶微分滤波器一阶微分滤波器的两种应用（1 1）梯梯度度2525的的赋赋最最大大值值255255，否否则则赋赋原原值值。边被增强，背景保留边被增强，背景保留（2 2）梯度）梯度2525的赋最大值的赋最大值255255，否则赋，否则赋0 0。边边被增强，图被二值化被增强，图被二值化38可整理ppt3.二阶微分滤波器二阶微分滤波器n n滤波器模板系数的设计n n根据空域中高通冲激响应函数的图形来设计根据空域中高通冲激响应函数的图形来设计模板的系数模板的系数:g(x,y)=h(x,y)*f(x,y):g(x,y)=h(x,y)*f(x,y)039可整理ppt3.二阶微分滤波器二阶微分滤波器二阶微分算法的基本原理40可整理ppt3.二阶微分滤波器二阶微分滤波器由前面的推导，写成模板系数形式即为由前面的推导，写成模板系数形式即为由前面的推导，写成模板系数形式即为由前面的推导，写成模板系数形式即为LaplacianLaplacian算子：算子：算子：算子：41可整理ppt3.二阶微分滤波器二阶微分滤波器Laplacian变形算子 42可整理ppt3.二阶微分滤波器二阶微分滤波器MarrMarr算子算子(LOG(LOG算子算子)由于Laplacian算子对噪声点比较敏感，所以效果更好的是高斯拉普拉斯(LOG)算子。它把高斯平滑滤波器和拉普拉斯锐化滤波器结合了起来，先平滑掉噪声，再进行Laplacian 运算。43可整理ppt常用的LOG算子是55的模板：检测结果与的值选取有关。小时，边缘位置准确，但细节过多。LOG算子表达式:44可整理pptLOG到中心点的距离与位置加权系数的关系曲线到中心点的距离与位置加权系数的关系曲线45可整理ppt3.二阶微分滤波器二阶微分滤波器WallisWallis算子算子算子算子它可以看作是校正了视觉的指数特性后的Laplacian运算。因为人眼对画面信号的处理过程中有一个近似的对数运算环节，wallis算子解决了Laplacian微分算子算子对画面比较暗的部分锐化比较弱的缺陷。46可整理ppt3.二阶微分滤波器二阶微分滤波器n n设计模板系数的原则设计模板系数的原则1 1）中心系数为正值，外围为负值）中心系数为正值，外围为负值2 2）系数之和为）系数之和为0 0（变形算子除外）（变形算子除外）3 3）模板元素个数作为模板前平均系数，解决超出灰度范围问题）模板元素个数作为模板前平均系数，解决超出灰度范围问题1-118-11-111-11-111-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-18-1-1-1-1-1-11/9*1/25*3 x 3 模板5 x 5 模板47可整理ppt3.二阶微分滤波器二阶微分滤波器n n滤波器效果的分析n n灰灰度度为为常常数数或或变变化化平平缓缓的的区区域域，结结果果为为0 0或很小，图像很暗，亮度被降低了或很小，图像很暗，亮度被降低了n n边缘被增强了边缘被增强了n n图像的整体对比度降低了图像的整体对比度降低了n n计算时会出现负值，归计算时会出现负值，归0 0处理为常见处理为常见48可整理ppt3.2.2.3 锐化滤波器锐化滤波器n n基本高通空域滤波的缺点n n高通滤波在增强了边的同时，丢失了图像的高通滤波在增强了边的同时，丢失了图像的层次和亮度层次和亮度49可整理ppt3.2.2.3 锐化滤波器锐化滤波器n n高频补偿滤波的原理n n弥弥补补高高通通滤滤波波的的缺缺陷陷，在在增增强强边边和和细细节节的的同时，同时，不丢失原图像的低频成分不丢失原图像的低频成分。高通滤波可看作为：高通滤波可看作为：高通高通 =原图原图 低通低通在上式原图上乘一个扩大因子在上式原图上乘一个扩大因子A A，有高频补偿滤波：有高频补偿滤波：高频补偿高频补偿 =A*=A*原图原图 低通低通50可整理ppt3.2.2.3 锐化滤波器锐化滤波器n n高频补偿滤波的原理高频补偿高频补偿 =A=A原图原图 低通低通 =(A 1)=(A 1)原图原图 +（原图（原图 低通）低通）=(A 1)=(A 1)原图原图 +高通高通n n当当A=1A=1时，高频补偿就是高通滤波，时，高频补偿就是高通滤波，n n当当A 1 A 1 时，原图像的一部分被加到高通中。时，原图像的一部分被加到高通中。51可整理ppt3.2.2.3 锐化滤波器锐化滤波器n n滤波器扩大因子及模板系数设计n n对对于于 3x33x3的的模模板板，设设 w w=9A 9A 1 1；（高高通通时时 w=8w=8）A A的值决定了滤波器的特性的值决定了滤波器的特性n n当当 A A=1.11.1时时，意意味味着着把把 0.10.1个个原原图图像像加加到到基基本高通上。本高通上。-1-1w-1-1-1-1-1-11/9*高频补偿模板52可整理ppt3.2.2.3 锐化滤波器锐化滤波器n n高通及高频补偿模板尺寸的选定n n照理讲，高通和高频补偿的模板尺寸可以比照理讲，高通和高频补偿的模板尺寸可以比3x33x3大。例如大。例如：模板取模板取7x77x7，高通权值为，高通权值为4848，其它均为，其它均为-1-1，规，规整化系数为整化系数为1/491/49n n根据经验，高通滤波模板很少有大于根据经验，高通滤波模板很少有大于3x33x3的的53可整理ppt3.2.2.3 锐化滤波器锐化滤波器n n高频补偿滤波器效果的分析n n高高频频补补偿偿比比高高通通的的优优点点是是很很明明显显的的，即即增增强强了边，又保留了层次了边，又保留了层次。n n噪噪音音对对结结果果图图像像的的视视觉觉效效果果有有重重要要的的影影响响，高频补偿在增强了边的同时也增强了噪音。高频补偿在增强了边的同时也增强了噪音。54可整理pptn n1、有1种常用的图象增强技术是将高频增强和直方图均衡化结合起来以达到使边缘锐化的反差增强效果，以上2个操作的先后次序对增强效果有影响吗？为什么？解答解答n n2、讨论用于空间滤波的平滑滤波器和锐化滤波器的相同点，不同点及联系。解答解答思考题思考题55可整理ppt 1、高频增强是一种线形操作，但直方图均衡化是一种非线形操作，所以2个操作的先后次序对增强效果有影响，不能互换。解答返回返回56可整理ppt解答n n2 2、相同点：都能减弱或消除傅里叶空间的某些分、相同点：都能减弱或消除傅里叶空间的某些分量，而不影响或减少影响其他分量，从而达到增量，而不影响或减少影响其他分量，从而达到增强某些频率分量的效果。强某些频率分量的效果。n n 不同点：平滑滤波器减弱或消除了傅里叶空间的不同点：平滑滤波器减弱或消除了傅里叶空间的高频分量，所以达到了增强低频分量，平滑图象高频分量，所以达到了增强低频分量，平滑图象中的细节效果。锐化滤波器减弱或消除傅立叶空中的细节效果。锐化滤波器减弱或消除傅立叶空间的低频分量，所以达到了增强高频分量，锐化间的低频分量，所以达到了增强高频分量，锐化图象中细节的效果。图象中细节的效果。n n 联系：两者效果相反，互为补充，从原始图象中联系：两者效果相反，互为补充，从原始图象中减去平滑滤波器的结果得到锐化滤波器的效果，减去平滑滤波器的结果得到锐化滤波器的效果，而从原始图象中减去锐化滤波器的结果则可得到而从原始图象中减去锐化滤波器的结果则可得到平滑滤波器的效果。平滑滤波器的效果。返回返回57可整理ppt作作 业业 1.1.已知图像为：已知图像为：请对其进行边界保持的中值和均值滤波（33模板）。58可整理ppt