小波变换在图像去噪中的应用
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小波变换在图像去噪中的应用
随着科技水平的快速发展,对于图像的质量提出了更高的要求,这也加快了图像处理技术的发展。
为了有效保证图像质量,需要后续对图像进行处理,小波变换技术去噪是常见的图像处理技术,对于图像质量提供了保证。
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一、前言
图像的后期处理是图像质量的有效保证。
小波变换去噪能够有效抑制噪声并保持图像的细节,是常用的图像处理技术。
二、小波变换的意义
图像在其获取及传输过程中不可避免会受到外界噪声的干扰,从而影响其后续进一步的图像处理工作。
为了提高图像的质量以及满足后续图像处理的需求,对图像进行去噪预处理成为一项重要的工作。
目前,常用的图像去噪方法按实现的空间可分为空间域、频率域和时频域去噪三类。
前两类图像去噪方法虽然能够抑制噪声,但是易造成图像边缘特征或图像细节的损失。
二维小波时频域的去噪方法,既能有效去除噪声又能保留图像细节,成为一个研究热点。
近年来,小波变换一直不断丰富和完善,并发展出了小波包理论、脊波、曲波等新的小波理论。
分数阶小波变换作为一种新的信号处理方法,1997 年Mendlovic 和Zalevsky 首次提出了FWT 的定义形式,2005 年Chen Linfei 提出了二维FWT 的定义,并通过光学实现。
近年来,FWT 已初步用于光谱分析以及一维信号去噪领域,其他领域还有待进一步研究与推广。
三、基于分数阶小波变换的图像去噪
设带噪图像可表示为:
f(x,y)=g(x,y)+d(x,y)(1)
其中,g(x,y)表示原始图像信号,d(x,y)表示干扰噪声,且噪声为加性噪声。
根据线性变换的叠加性可知,两个加性且相互独立信号的二维FWT 等于它们各自的二维FWT 之和。
因此,式(1)两边同时做二维FWT 可得
其中Fp(u,v)、Gp(u,v)和Dp(u,v)分别表示f(x,y)、g(x,y)和d(x,y)的二维离散FWT,p 表示FWT 的阶数。
FWT 用于图像去噪的具体实现流程如图 1 所示。
图1 FWT 图像去噪流程图
FWT 图像去噪方法的具体实现步骤如下:第一步,输入带噪图像,根据输出图像的峰值信噪比,采用迭代法,p值范围从0 到1,迭代步长取为0.01,寻找使输出图像峰值信噪比达到最大的最优分数阶p 值;第二步,对带噪图像作p 阶FWT,映射到最优FWT 时频域,得到变换后的图像;第三步,在最优FWT 时频域内,对变换后的图像作滤波,采用软阈值法,取使去噪效果最好的阈值作为带宽阈值;第四步,对滤波后的图像作p 阶的FWT逆变换,还原时域图像,便可得到去除噪声之后的图像。
四、基于多小波域变换和分形维数的图像融合介绍
多图像传感器输出的信息可以分为像素级、特征级和决策级3级,通过图像融合将这些多级信息进行合成,旨在获得对同场景更准确、更全面、更可靠的图像描述。
随着图像处理技术的发展和社会的进步,图像融合技术在军事、民用等各领域中发挥着越来越重要的作用。
对图像融合的研究,很多算法采用了多分辨率分解方法。
由于多小波变换具有正交性、平滑性、对称性、有限多小波系统支持等特性,多小波变换比单小波变换显示了更好的性能,但是融合后的图像对比度和清晰度无法得到很好的保证,甚至还会引入噪声。
分形理论是现代数学和非线性科学的一个非常活跃的分支,它在数字图像处理领域起着越来越重要的作用。
利用分形理论进行了自然图像建模、图像纹理等相关分析和研究。
图像和分形之间有着密切的联系,通过简单的迭代法和有效的参数对对象的复杂性进行测量,分形可以生成复杂的自然场景。
分形理论在图像处理中的应用,为一个新的图像处理领域的开辟奠定了基础。
分形维数是分形图像处理技术中的一个主要的测量方法,是分形理论中最基本的概念,也是分形理论应用最重要的方面。
图像的纹理是图像分析和处理的一个重要因素。
图像的分形维数不仅测量图像表面复杂的凹凸性,而且在多分辨率和多尺度中还具有不变性。
它与人类视觉感知图像表面纹理粗糙度的程度相一致。
图像的分形维数越大,图像表面越粗糙;分形维数较小的,对应的图像表面就平滑。
人类视觉感知认知科学的实验显示,人眼感知自然目标时,人们往往注重规则散乱度和特征剖面,而忽略了其一般的细节。
分形模型作为一种统计模型,它有能力从大量多样的细节和物理背景中抽象出物体表面的结构信息,这适用于描述具有复杂和不规则形状的研究对象。
因此在低频分量图像的表达中,分形模型明显优于传统的自回归和马尔可夫纹理模型。
五、基于多小波变换和分形维数的图像融合算法描述
用分形来描述灰度图像每个像素的空间坐标和灰度值构成的三维模型。
因此,三维表面粗糙程度反映了图像强度的变化。
使用不同的尺度来测量三维表面,我们可以得到图像的分形维数。
这意味着图像的复杂性可以通过分形维数测量。
由于低频多小波分解模型反映了图像主要的细节信息,本文提出了一种利用分形维数值融合低频模块的新算法,该算法充分利用了图像分形理论和方向对比度在人类视觉感知方面的优点。
假设已预先录入所有的原始图像,该融合算法的具体操作步骤描述如下:
1.通过一定的多小波预过滤器分解原始图像
2.计算分解图像的每个低频部分的分形维数
六、仿真实验
1.实验说明
先将图像加上噪声,然后分别用软阈值函数、硬阈值函数和新阈值函数进行小波阈值去噪,并显示去噪结果。
由于小波函数众多,分解层次也是自由选取的,所以所期望的实验效果也会不尽相同。
理论上讲,小波分解层次越高,对去噪越有利,但是相对于重构就会产生困难,从而造成误差。
所以在本文的试验中,如没有特殊说明,则取分解层次为3层,而小波则取sym6小波。
下面将对该算法的主要过程步骤进行简单描述:
(1)读入图像,对图像加噪声:使用sym6小波对含噪图像进行3阶小波变换,得到各层小波系数;
(2)更新小波系数:用本文方法计算各层的小波阈值,并依据新的阈值函数对小波系数进行阈值处理,得到新的小波系数;
(3)根据更新后的小波系数进行小波逆变换,得到去噪后的图像。
2.实验结果
由于篇幅有限,本文仅对经典的摄像师图像进行说明。
其中,噪声图像为高斯噪声(σ=0.025)。
从实验仿真结果可以看出,软阈值函数和硬阈值函数对高斯白噪声的去噪能力都是比较强的,它们都使噪声图像得到了很大程度的还原。
但是,由于软阈值的平滑作用,它去噪后的图像变得模糊。
新的阈值函数也取得了比较好的去噪效果,从去噪后的图像上看,它的去噪能力要比软、硬阈值去噪更好一些。
七、结束语
综上所述,与传统的去噪技术相比,小波变换去噪能够达到更好的去噪效果,适合图像的去噪预处理,并最大限度保留了图像的轮廓和细节,实现最佳的去噪效果。
参考文献
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[2]陶然,鄧兵,王越.分数阶Fourier 变换在信号处理领域的研究进展[J].中国科学(E 辑:信息科学),2006,36(2):113-136.。