图像复原_先建立退化的数学模型,然后根据该模型对退化图像进行拟合

数学建模运动模糊图像的复原在我们的日常生活和各种科学研究、工程应用中，图像是一种非常重要的信息载体。

然而，由于多种原因，我们获取的图像有时会出现模糊的情况，其中运动模糊就是较为常见的一种。

运动模糊图像的复原是图像处理领域中的一个重要课题，它对于提高图像质量、获取更准确的信息具有重要意义。

想象一下，当你用手机拍摄一张快速移动的物体，比如飞驰的汽车，或者在不太稳定的情况下按下快门，得到的照片往往就会出现运动模糊。

这种模糊使得图像中的细节变得模糊不清，给我们的观察和分析带来了很大的困难。

那么，如何才能让这些模糊的图像恢复清晰，重新展现出原本的细节呢？这就需要运用数学建模的方法。

数学建模，简单来说，就是用数学的语言和方法来描述和解决实际问题。

在运动模糊图像的复原中，我们首先需要对运动模糊的形成过程进行数学描述。

运动模糊的产生是因为在曝光时间内，成像物体与相机之间存在相对运动，使得像点在成像平面上形成了一条轨迹，从而导致图像的模糊。

为了建立运动模糊的数学模型，我们需要考虑多个因素。

其中，最重要的是运动的速度和方向。

假设物体在成像平面上沿着水平方向以匀速 v 运动，曝光时间为 T，那么在这段时间内物体移动的距离就是vT。

在成像过程中，像点在水平方向上就会被拉伸，形成一个模糊核。

这个模糊核可以用一个函数来表示，通常称为点扩散函数（Point Spread Function，PSF）。

有了点扩散函数，我们就可以建立运动模糊图像的数学模型。

假设原始清晰图像为 f(x,y)，经过运动模糊后的图像为 g(x,y)，那么它们之间的关系可以表示为卷积运算：g(x,y) ＝ f(x,y) h(x,y) ＋ n(x,y) ，其中h(x,y) 就是点扩散函数，n(x,y) 表示噪声。

接下来，就是要根据这个数学模型来复原图像。

图像复原的方法有很多种，常见的有逆滤波、维纳滤波和 LucyRichardson 算法等。

逆滤波是一种简单直观的方法。

图像复原技术研究国内外文献综述作为日常生活中广泛使用的技术，图像修复技术汇集了国内外许多重要技术。

实际上，图像复原分为三种标准：首先是搭建其劣化图像的图像模型；其次去研究和筛选最佳的图像复原方法；最后进行图像复原。

所有类型的成像模型和优化规则都会导致应用于不同领域的不同图像恢复算法。

我们对现有的图像复原方法大致做了总结，如利用线性代数知识的线性代数复原技术、搭建图像退化模型的去卷积图像恢复技术以及不考虑PSF的图像盲解卷积算法等。

其中，去卷积方法主要包括功率谱均衡、Wiener滤波和几何平均滤波等，然而这些方法需要许多预信息和噪声稳定假设，这在现实当中我们不可能利用计算机去做到的的事情，因此它们只适用于线性空间不变的理想系统，仅当噪声与信号无关时才能达到很好的效果。

但是在一些条件恶化的情况下，就不能满足图像修复的效果了。

在图像恢复领域当中，另一个重要且常见的方法是盲去卷积复原法。

它的优势是在没有预先了解退化函数和实际信号的知识前提下，可以根据劣化图像直接估计劣化函数和初始信号。

实际上，现在有几个算法通过不充分的预测信息来恢复劣化图像。

由于我们需要对图像和点扩展函数的一些相关信息进行假设和推导，所以这就导致图像恢复的解通常并不存在唯一性，并且我们已知的初始条件和对附加图像假设的选择也会对解的优劣产生很大的关系。

与此同时，由于信道中不可避免的加性噪声的影响，会进一步导致盲图像的复原变差，给图像复原造成许多困难。

也就是说，如果我们直接利用点扩展函数进行去卷积再现初始图像，则一般会导致高频噪声放大，导致算法的性能恶化，恢复不出清晰的图像。

因此，我们要尽可能的提高图像的信噪比，从而提高图像复原的效果。

基于已知的降质算子和加性噪声的某些统计性质从而恢复清晰的图像，我们将这种方法叫做线性代数恢复方法，并且这种线性代数恢复方法在一定程度上提出了用于恢复滤波器的数值计算从而使得模糊图像恢复到与清晰图像一致的新的设计思想。

[题目]数字图像[参考答案]为了便于用计算机对图像进行处理，通过将二维连续（模拟）图像在空间上离散化，也即采样，并同时将二维连续图像的幅值等间隔地划分成多个等级（层次），也即均匀量化，以此来用二维数字阵列表示其中各个像素的空间位置和每个像素的灰度级数（灰度值）的图像形式称为数字图像。

图像处理[参考答案]是指对图像信息进行加工以满足人的视觉或应用需求的行为。

题目]数字图像处理[参考答案]是指利用计算机技术或其他数字技术，对一图像信息进行某此数学运算及各种加工处理，以改善图像的视觉效果和提高图像实用性的技术。

一、绪论(名词解释，易，3分)[题目]图像[参考答案]是指用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的、可以直接或间接作用于人的视觉系统而产生的视知觉的实体。

一、绪论(简答题，难，6分)[题目]什么是图像？如何区分数字图像和模拟图像？[参考答案]“图”是物体透射或反射光的分布，是客观存在的。

“像”是人的视觉系统对图在大脑中形成的印象或认识，是人的感觉。

图像是图和像的有机结合，既反映物体的客观存在，又体现人的心理因素；图像是对客观存在的物体的一种相似性的生动模仿或描述，或者说图像是客观对象的一种可视表示，它包含了被描述对象的有关信息。

模拟图像是空间坐标和亮度(或色彩)都连续变化的图像；数字图像是空间坐标和亮度(或色彩)均不连续的、用离散数字(一般是整数)表示的图像。

[题目]简述研究图像恢复的基本思路。

[参考答案]基本思路是，从图像退化的数学或概率模型出发，研究改进图像的外观，从而使恢复以后的图像尽可能地反映原始图像的本来面日，从而获得与景物真实面貌相像的图像。

一、绪论(简答题，易，5分)[题目]简述研究图像变换的基本思路。

[参考答案]基本思路是通过数学方法和图像变换算法对图像的某种变换，以便简化图像进一步处理的过程，或在进一步的图像处理中获得更好的处理效果。

一、绪论(简答题，易，5分)[题目]简述一个你所熟悉的图像处理的应用实例。

数字图像处理作业——图像恢复摘要数字图像恢复是数字图像处理的一个基本的和重要的课题，它是后期图像处理（分析和理解）的前提。

图像在摄取、传输、储存的过程中不可避免地引起图像质量的下降（图像退化），图像恢复就是试图利用退化过程的先验知识使已退化的图像恢复本来面貌，即根据退化的原因，分析引起退化的环境因素，建立相应的数学模型，并沿着使图像降质的逆过程恢复图像。

本文首先对测试图像进行模糊及加噪处理，然后用不同的图像恢复方法，如维纳滤波恢复、约束最小二乘滤波进行图像恢复，并比较它们的处理效果。

发现维纳滤波较约束最小二乘法滤波效果要好，这是因为前者利用了原图像的统计信息，采用了真实的PSF函数来恢复。

无论何种算法，它们都要依据获取的相关信息才能有效地实施，算法利用的信息越多，信息的准确性越高，复原图像的质量也就越高。

实验原理：图像复原处理是建立在图像退化的数学模型基础上的，这个退化数学模型能够反映图像退化的原因。

图像的退化过程可以理解为施加于原图像上的运算和噪声两者联合作用的结果，图像退化模型如图1所示，可以表示为：g ( x , y ) = H [ f ( x , y )] + n ( x , y ) = f ( x , y ) *h ( x , y ) + n ( x , y ) （1）图1 图像退化模型(1)在测试图像上产生高斯噪声lena 图-需能指定均值和方差；并用滤波器（自选）恢复图像；实验原理：噪声是最常见的退化因素之一，也是图像恢复中重点研究的内容，图像中的噪声可定义为图像中不希望有的部分。

噪声是一种随机过程，它的波形和瞬时振幅以及相位都随时间无规则变化，因此无法精确测量，所以不能当做具体的处理对象，而只能用概率统计的理论和方法进行分析和处理。

本文中研究高斯噪声对图像的影响及其去噪过程。

①高斯噪声的产生：所谓高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。

一个高斯随机变量z 的PDF 可表示为：P （z ）（2）其中z 代表灰度，u 是z 的均值，是z 的标准差。

1. 图像处理的主要方法分几大类?答：图字图像处理方法分为大两类：空间域处理（空域法）和变换域处理（频域法）。

空域法：直接对获取的数字图像进行处理。

频域法：对先对获取的数字图像进行正交变换，得到变换系数阵列，然后再进行处理，最后再逆变换到空间域，得到图像的处理结果2. 图像处理的主要内容是什么?答：图形数字化（图像获取）：把连续图像用一组数字表示，便于用计算机分析处理。

图像变换：对图像进行正交变换，以便进行处理。

图像增强：对图像的某些特征进行强调或锐化而不增加图像的相关数据。

图像复原：去除图像中的噪声干扰和模糊，恢复图像的客观面目。

图像编码：在满足一定的图形质量要求下对图像进行编码，可以压缩表示图像的数据。

图像分析：对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，从而获得所需的客观信息。

图像识别：找到图像的特征，以便进一步处理。

图像理解：在图像分析的基础上得出对图像内容含义的理解及解释，从而指导和规划行为。

3. 名词解释：灰度、像素、图像分辨率、图像深度、图像数据量。

答：像素：在卫星图像上，由卫星传感器记录下的最小的分立要素(有空间分量和谱分量两种)。

通常，表示图像的二维数组是连续的，将连续参数 x,y ，和 f 取离散值后，图像被分割成很多小的网格，每个网格即为像素 图像分辨率：指对原始图像的采样分辨率，即图像水平或垂直方向单位长度上所包含的采样点数。

单位是“像素点/单位长度”图像深度是指存储每个像素所用的位数,也用于量度图像的色彩分辨率.图像深度确定彩色图像的每个像素可能有的颜色数,或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数.它决定了彩色图像中可出现的最多颜色数,或灰度图像中的最大灰度等级（图像深度：位图图像中，各像素点的亮度或色彩信息用二进制数位来表示，这一数据位的位数即为像素深度，也叫图像深度。

图像深度越深，能够表现的颜色数量越多，图像的色彩也越丰富。

）图像数据量：图像数据量是一幅图像的总像素点数目与每个像素点所需字节数的乘积。

图像增强和复原以及图像变换的区别和特征一、三者的共同点：体现在都是对图像进行后处理，实现的共同目的是能够使图像表现出更好的视觉效果。

二、三者的区别和各自主要特征图像增强：利用一定的技术手段，不用考虑图像是否失真（即原始图像在变换后可能会失真）而且不用分析图像降质的原因。

针对给定图像的应用场合，有目的地强调图像的整体或局部特性，将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，扩大图像中不同物体特征之间的差别，抑制不感兴趣的特征，使之改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效果，满足某些特殊分析的需要。

图像复原：针对质量降低或者失真的图像，恢复图像原始的内容或者质量。

图像复原的过程包含对图像退化模型的分析，再对退化的图像进行复原。

图像退化是由于成像系统受各种因素的影响，导致了图像质量的降低，称之为图像退化。

这些因素包括传感器噪声、摄像机聚焦不佳、物体与摄像机之间的相对移动、随机大气湍流、光学系统的象差、成像光源和射线的散射等。

图像复原大致可以分为两种方法：一种方法适用于缺乏图像先验知识的情况，此时可对退化过程建立模型进行描述，进而寻找一种去除或消弱其影响的过程，是一种估计方法；另一种方法是针对原始图像有足够的先验知识的情况，对原始图像建立一个数学模型并根据它对退化图像进行拟合，能够获得更好的复原效果。

图像变换：图像可以看作是一个矩阵，所谓图像变换，就是通过变换矩阵，将图像矩阵变换成另一个矩阵。

变换后的矩阵能得到某些图像的信息。

通常，变换后的图像能体现图像的频率特征，可以用于图像的数据压缩和各种处理。

实现图像变换的手段有数字和光学两种形式，常用的有三种变换方法。

①傅里叶变换②沃尔什-阿达玛变换③离散卡夫纳－勒维变换。

去除数字图像中乘性噪声的方法评述数字图像在获取和传输过程中常常会受到各种各样的噪声的干扰，所以图像去噪和增强一直是图像学术领域众学者的重要研究内容。

数字图像噪声按其影响可分为加性噪声和乘性噪声两大类。

如何去除数字图像所含加性噪声，理论与实践中都发展的相当成熟，然而对于去除乘性噪声还没有一套完善的理论与方法，一般处理是通过某种变换转变将其变为为加性噪声(例如对数变换)，由于噪声的复杂性，这种处理方法往往并不能得到理想的结果，特别在强烈的乘性噪声环境下，这种差距尤其明显。

因此必须针对乘性噪声采用不同的方法，否则很难获得满意的处理效果。

本文意在学习国内外同行的研究经验,略加归纳分析,与同学者研讨继续努力之路径。

1图像去噪的基本思想图像去噪是图像复原的一种特例，图像复原是根据退化原理，建立相应的数学模型，从被污染或畸变的图像信号中提取所需要的信息，沿着使图像降质的逆过程恢复图像本来面貌。

实际的复原过程是设计一个滤波器，使其能从降质图像g(x,y)中计算得到真实图像的估值f?(x,y)，使其根据预先规定的误差准则，最大程度地接近真实图像f(x,y)。

数字图像噪声按其影响可分为加性噪声和乘性噪声两大类。

一幅图像中相邻像素的灰度之间大多具有很强的相关性，而且图像的大部分能量主要集中在低频区域，只有图像的细节部分的能量处于高频区域中。

因此在图像的传输和处理过程中出现的噪声，主要集中在高频区域内，所以消除噪声的一般方法是衰减高频分量或称低通滤波。

数字图像噪声处理方法大致可分为在空间域处理和在频率域处理。

2乘性噪声模型简介乘性噪声是一种广泛存在于遥感、合成孔径雷达等成像领域的噪声。

乘性噪声降低了图像的画面质量,严重影响图像的分割、分类、目标检测以及其他感兴趣区域的提取。

因此,研究和发展含乘性噪声的图像恢复方法具有重要的理论意义和应用价值。

本文考虑的乘性噪声模型为式中:为观察图像，是原图像，为噪声。

其中噪声的分布是未知的，一般假设是期望为1、方差为的高斯分布或者假设服从Gamma分布。

图像复原研究报告在当今的数字时代，图像作为信息传递的重要载体，其质量的优劣直接影响着我们对信息的获取和理解。

然而，由于各种因素的影响，图像在获取、传输和存储过程中往往会出现失真、模糊、噪声等问题，这就需要图像复原技术来对其进行修复和改善。

图像复原的目的是根据退化图像的特征和相关先验知识，尽可能地恢复出原始的清晰图像。

要理解图像复原，首先需要了解图像退化的原因。

常见的图像退化因素包括光学系统的像差、成像设备与物体的相对运动、大气湍流、传感器噪声、压缩失真等。

这些因素会导致图像的清晰度下降、细节丢失、色彩偏差等问题。

为了实现图像复原，研究人员提出了多种方法和技术。

其中，基于滤波的方法是较为常见的一类。

例如，均值滤波通过计算邻域像素的平均值来平滑图像，但它在去除噪声的同时也会模糊图像的边缘。

中值滤波则通过选取邻域像素的中值来替代中心像素值，对于椒盐噪声有较好的去除效果，同时能较好地保留边缘信息。

还有一种基于逆滤波的方法。

逆滤波的基本思想是根据图像退化的数学模型，通过对退化图像进行反卷积操作来恢复原始图像。

然而，在实际应用中，由于噪声的存在以及退化函数的不确定性，逆滤波往往效果不佳，甚至可能导致图像的进一步恶化。

除了上述传统方法，近年来基于模型的图像复原技术也取得了显著进展。

例如，全变分（Total Variation，TV）模型通过最小化图像的总变分来达到去噪和保持边缘的目的。

这种方法在处理具有平滑区域和锐利边缘的图像时表现出色。

另外，深度学习在图像复原领域也展现出了强大的能力。

深度卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）能够自动学习图像的特征和模式，从而有效地恢复出清晰的图像。

例如，一些基于生成对抗网络（Generative Adversarial Network，GAN）的图像复原方法，通过生成器和判别器的对抗训练，能够生成逼真的复原图像。

在实际应用中，图像复原技术有着广泛的用途。

第一章绪论课后4.1. 数字图像处理的主要研究内容包含很多方面，请列出并简述其中的4种。

①图像数字化：将一幅图像以数字的形式表示。

主要包括采样和量化两个过程。

②图像增强：将一幅图像中的有用信息进行增强，同时对其无用信息进行抑制，提高图像的可观察性。

③图像的几何变换：改变图像的大小或形状。

④图像变换：通过数学映射的方法，将空域的图像信息转换到频域、时频域等空间上进行分析。

⑤图像识别与理解：通过对图像中各种不同的物体特征进行定量化描述后，将其所期望获得的目标物进行提取，并且对所提取的目标物进行一定的定量分析。

2. 什么是图像识别与理解？图像识别与理解是指通过对图像中各种不同的物体特征进行定量化描述后，将其所期望获得的目标物进行提取，并且对所提取的目标物进行一定的定量分析。

比如要从一幅照片上确定是否包含某个犯罪分子的人脸信息，就需要先将照片上的人脸检测出来，进而将检测出来的人脸区域进行分析，确定其是否是该犯罪分子。

3. 简述图像几何变换与图像变换的区别。

①图像的几何变换：改变图像的大小或形状。

比如图像的平移、旋转、放大、缩小等，这些方法在图像配准中使用较多。

②图像变换：通过数学映射的方法，将空域的图像信息转换到频域、时频域等空间上进行分析。

比如傅里叶变换、小波变换等。

4.一个数字图像处理系统由哪几个模块组成？答：一个基本的数字图像处理系统由图像输入、图像存储、图像输出、图像通信、图像处理和分析5个模块组成5.连续图像和数字图像如何相互转换？答：数字图像将图像看成是许多大小相同、形状一致的像素组成。

这样，数字图像可以用二维矩阵表示。

将自然界的图像通过光学系统成像并由电子器件或系统转化为模拟图像（连续图像）信号，再由模拟/数字转化器（ADC）得到原始的数字图像信号。

图像的数字化包括离散和量化两个主要步骤。

在空间将连续坐标过程称为离散化，而进一步将图像的幅度值（可能是灰度或色彩）整数化的过程称为量化。

6.采用数字图像处理有何优点？答：数字图像处理与光学等模拟方式相比具有以下鲜明的特点：1．具有数字信号处理技术共有的特点。