（控制理论与控制工程专业论文）基于图象处理的凹版印刷误差自动检测技术的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 套印误差的检测是凹版套色印刷中一个非常重要的环节，当前检测的方法仍然存 在着一定的缺陷。研制出更准确、更全面的印刷自动检测系统可以提高我国印刷行业 的整体自动化水平和推动其他相关行业的检测技术发展。 本文研究以图象处理为手段的套印误差自动检测系统，研究重点主要包括图象标 记的捕捉、图象的预处理和图象分割三个部分。 在介绍工业生产现场条件的基础上，根据实际情况，为了解决高速运动目标的采 集问题，本文提出了利用图象标记高速周期性出现的规律，将整个周期的图象完全采 集下来，再用b p 网络识别图象序列找出标记图象的策略。文中分析了常见的图象滤 波和增强的方法，特别对其在彩色图象中的应用做了详细的讨论，还根据小波变换的 多尺度分析特点，讨论了一种将图象进行小波变换后，以低频分量重构的图象为模板， 以高频分量重构的图象为待分割图象来确定边缘的分割算法。 本文设计了模拟实际条件的实验，编写了实验平台的上位机程序，详细阐述了采 集脉冲的控制与神经网络识别图象序列的方法，给出了采集的结果，通过实验证明该 方法能够适应高速运动情况下的图象采集。并根据图象的拍摄现场特点，在实验中选 择了同态滤波的方法，有效地去除了噪声的影响，通过实验的结果对比，说明这些方 法的可行性。最后将小波变换的分割方法应用到实验中，得出实验的结果，与其它的 分割方法相比，可以看到该方法受到噪声的影响较小，分割结果更准确。 关键字：图象处理b p 网络同态滤波小波变换 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e t e c t i o no fr e g i s t e re r r o ri sav e r yi m p o r t a n tp r o c e d u r ei ng r a v u r ep r e s s t h em e t h o d o fd e t e c t i n gt h ee r r o rs t i l lh a v es o m ep r o b l e m s t h es u c c e s s f u l d e v e l o p m e n to ft h e a u t o m a t i cr e g i s t e re r r o rc o n t r o l l e rw i t hm o r ep r e c i s i o nc a nh e l pt oi m p r o v ef u l la u t o m a t i o n i nt h ep r i n ti n d u s t r ya n da d v a n c et h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t e di n s p e c t i o nt e c h n o l o g yi n o t h e rr e l a t e di n d u s t r y t h i st h e s i si sf o c u s e do nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa u t o m a t i cr e g i s t e re r r o r c o n t r o l l e rb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n g t h ee m p h a s e so ft h er e s e a r c hi n v o l v ea c q u i r i n g r e a l t i m ei m a g ei np r i n t i n g ，t h ep r e - p r o c e s so fi m a g ea n di m a g es e g m e n t a t i o na l g o r i t h m o nt h ec o n d i t i o no ft h eg r a v u r ep r e s s ，a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fa c q u i r i n gr e a l - t i m e i m a g ei np r i n t i n g ，an e wa p p r o a c hh a v eb e e np r e s e n t e di nt h i st h e s i s ，w h i c hg i v em e t h o d s t oh o wt oa c q u i r eas e q u e n c eo fi m a g e si ns e v e r a lt a r g e t c y c l e s ，t h e ni d e n t i f yt h et a r g e t u s i n gn na f t e rp r e p r o c e s s i n g t h em e t h o do fr e m o v en o i s ea n de n f o r c ei m a g eh a v eb e e n i n t r o d u c e d t h es o l u t i o n o fr e m o v en o i s ei nc o l o ri m a g ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l an e w a p p r o a c hf o rm u l t i s c a l ei m a g ee d g ed e t e c t i o nb a s e do nt h ew a v e l e td e c o m p o s i t i o nh a v e b e e nd i s c u s s e d p a r to ft h el o wf r e q u e n c yo fd e c o m p o s i t i o nr e c o n s t r u c t si sl a r g es c a l e i m a g e p a r to ft h eh i g hf r e q u e n c yo fd e c o m p o s i t i o nr e c o n s t r u c t si st h ed e t a i lo ft h ei m a g e t h ec o m b i n a t i o no f t w op a r tc a l lg e ti m a g ee d g ew i t hh i g hq u a l i t y t h ee x p e r i m e n th a v eb e e nd e s i g n e dt os i m u l a t et h ea c t u a ls i t u a t i o n t h ep cs e r i a l c o m m u n i c a t i o np r o g r a mo fe x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sd e s i g n e d t h em e t h o do fc o n t r o l l i n g p u l s et oa c q u i r eas e q u e n c eo fi m a g e sa n dr e c o g n i z et h ei m a g e sw i t hb pn e t w o r ka r e d i s c u s s e di nd e t a i l ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t ei tc a na d a p tt of a s t e rm o v e m e n t t h e nf o r m e rc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lm e t h o d s ，i tc a l lf i n do u tt h em o v i n g - t a r g e t e f f i c i e n t l y i nt h i st h e s i sh o m o m o r p h i cf i l t e ri sp e r f o r m e dt or e m o v et h en o i s e f i n a l l y ，t h e r e s u l to fi m a g ee d g ed e t e c t i o nb a s e do nt h ew a v e l e tt r a n s f o r mh a v eb e e ng i v e n ，w h i c hi s m o r ep r e c i s i o na n dl e s ss e n s i t i v i t yt on o i s et h e nt h er e s u l to fi m a g ee d g ed e t e c t i o nb a s e do n o t h e rm e t h o d k e y w o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ，b p n e t w o r k ，h o m o m o r p h i cf i l t e r , w a v e l e tt r a n s f o r m 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 凹版印刷广泛地应削f 现代印刷业中，这种方法j f j 速度快、即刷效率高、层次 丰富、质感好的特点，但在塑料薄膜、眷筒纸、铝箔等1 j 料的印刷中，由：材料的伸 缩、张力波动、制版的误差等因素的影响，需要定期对l 刷的精度进 j 检测，以保证 印刷的质量。e p b u 精度的检测是通过对印在产品上的专刷f 二检测的标圯的分析来实现。 传统的检测方法主要用肉眼观察比较，由j i 检测的埘象在运动的过程中，不仅检 测的精度受各人的主观条件，操作水平的影响，向且4 ：能实现检测的数捌化，在印刷 速度较高时也是不可行的：而臼自“使用的光电f l 动套色乐统检测的过转1 0 i 透明，存 在检测的结果与实际有较大出入时不易在线脱洲的川题。圳此，研究采刚数，剀像处 理的方法来检测控制印刷生产线，克服以上缺点，住i 叼版；l i e u 系统中提高睑测的自动 化水平、透明度及印刷质量就显得非常必要。此外，系统的研制可以提高我因在印刷 行业的整体自动化水平，对其它相关行、l k 的自动检测技术的发展也有借鉴作用。 1 2 印刷检测原理 随着印刷技术的发腱，在彩色剀像的印刷过程中i - 受朵用凹版套印的疗法，这种 方法将需要印刷的成品的每种颜色分别刻在个版辊 i ，有多少种颜色，原材料就 需要经过多少次的版辊雎印，最后得到需要的，品。由j 。这个过程中个版辊只印刷 - 一种颜色，颜色很多的图象经过多次印刷就可形成，冈此_ 以形成生产流水线，很大 地提高生产率。 套色印刷的过程中，为了检测印刷质量的好上1 、，在，、。占占的边缘印有用f 检测的标 记，这些标记是刻在印刷版辊的边缘，小i 几j 的印刷牛。， ，震用的标记形状叫能小j 司 但总的可分为两类： 1 直接测距标记 这一类是在印刷产品的边缘隔+ 定l t j g b 离印种颜包的标记，检测的对象就是标 记之间的距离，标记的形状主要有以f 几种，如图】一l _ j 。 华中科技大学硕士学位论文 - 一 ， 幽1 1帕、记彤状 2 重复覆盖类标址 这类标记主要是如图l 一2 所刀；。通常称为m a r k 线。这种线的头部表示印刷的方 向，对检测误差有用的信息包含在卜字架上。印刷过程t 每印一种颜色就将此颜色的 m a r k 线覆盖在原来的m a r k 线上，印刷完成后，如果所仃颜色都没有误差，则得到的 m a r k 线应为最后印刷的颜色，岔则会有 m m 颜包的m a i k 线偏出，通过分析卜字架周 围信息，可以得到横向和纵向的误差。 倒1 - 2r e g i s t e r m a r k 线 目前，使用最广泛的是第种标记，它呵通过光电_ 、来检测，实现起来很方便 能满足大多数印刷精度的要求。 1 3 目前所用的l ；p l l i l 精度检测方法 目前使用的自动套色误差检测方法主要是用光电扫描头来实现，使用_ j ：述的第 一种标记。在产品上印刷标记有两种情况，分别如图1 3 所示。在第一种标记的情况 卜_ ，俭测的是各种颜色硝、记在纵向 ：的他移，如果颜色际记在1 条水叮j 线匕，【兑明误 差为零。否则标记之i 剐d 二纵向上的位移量就是误差量。舀- 第二种标记的情况下，相邻 标记之问的纵向距离是固定的，检测的 3 标就是相邻标记的纵向距离，如果该距离等 于固定距离，说明没有误差，否则，两档邻标记的纵向距离与固定距离之差就是误差 量。 用光电头检测的光路示意蚓如图1 4 所小以第，种标记印刷方式为例。它由两 个光源，二个透镜和两个光电池组成，住光源的照射卜，在透镜另一侧的焦点处，将 形成二个光点( 叫光斑) ，调节透镜的位霄使其纵向距离j 颜色标记之间的距离相等， 设为d ，在焦点处安装块反射板，则存焦点处的个兜斑将会产生反劓，在与入射 角对称处安装二个光电接收管，以接收：个反射信号。 华中科技大学硕士学位论文 第一色 第三色 _ 一一_ 第二色 第四色 第一种 卜 。1 l 一 i l 卜 r f h 幽】一3 印刷 ，j 、记的f _ 置 第二种 透镜1 光电池l 移p 司 非专觏 幽1 4 光电描又光路示意剀 第一色 第二色 第三色 第四色 当套色标记线通过一个光斑时，就引起反刺光强度n 0 变化，光电池将这种反射光 强崩的变化转换成电脉冲信i 州q 变化( 将山第个光f 乜池得到的信号叫t 】，由第二个 光电池得到的叫f 2 ) ，经放大、整形后送入计算机系统 由于光斑的距离为d ，当相临：根丰，j 、记线的距离也为d 寸，则t 1 的第：个脉冲与 t 2 的第一个脉冲重叠，如图1 5 ( a ) 所_ i 当标记线的距离小j d ，t 1 的第一个脉冲将超前t 二的第一个脉冲，如图l 一5 ( b ) 所u i ，反之，则t 】的染个脉冲将滞“t 二的笫个脉冲，如图l 一5 ( cj 所_ j ，利用 电 ! 二线路测出超自u 或滞后的时间a t ， i ! | jn r 洲出榴临j 额邑m 的议差。 华中科技大学硕士学位论文 ， 兰 三 t 2，： ， ，。 壤一一八。 一卜t t 1 t 2 上= s + t 叫卜一a7 幽l 一5 光电扫描输出信号 s 印刷物通过光电义的速度； t 从光电头信号中，捡h 的两脉冲时洲差 由于般印席0 图案均有二种以上颜色，凶此在检测毵二个颜色以后的套印误差时， 还需要有配套的措施，消除所要观察的十目临一根标记线以外信号的影响。最简单的办 法足采用屏蔽的方法来实现。利用光电编码器产q -加度信号，困为一幅图案只有 一组标记线，而标记线相对图案的位置义是固定的，l 问此，确定零位后，使町通过 改变编码器输出的角度束选择所要观察的标记线，如蚓1 6 所示。 也就是说，以零位为基准，当编码器转到与设定知j 叟十廿同时将观测fj ( 也称波门) 打开一固定角度，在这一固定角度内，光电信譬可以通过，而其它时间则_ i 能通过， 从而达到观测任意一：个棚l l 高标i 已线之m 距离误差的1 j 的 4 华中科技大学硕士学位论文 编码 输出 重叠 输出 厂 ! a ： 幽1 6 利崩编码器观测相邻色怕、l l 线 1 4 国内外图象检测研究概况 通过图象处理的方法检测无需接触待测对象便i j j 通过采集装置从外界获取物体的 图象信息，并且能对这些信息进行分析处理，进而实现质量的综合评价。采用图象处 理技术极大地改变了传统的检测手段，通过计算机实施多种自动识别技术和智能技术 j j 极大提高检测任务的f 动化水平和智能水平。国外学揣从9 0 年代开始，在计算机图 象检测方面已经做了大量的研究工作，并提出1 j 少解决方案。根据目前国内外文献有 关计算机进行质量检测技术研究的报导，从检测的原列：u j 以将这些技术入致分为： 大类： 1 图象一图象参考( i m a g e - i m a g er e f e r e n c e ) ” 直接将被检测图象和参考图象进行比较，最简单的就是求异或运算，发现显著区 别的就判为缺陷存在点。这种詹法常用于印刷电路板的缺陷检测。般分两步进行， 首先从参考图象中建立模板( 参考图象是与被检测幽象类似但无缺陷的图象) 。然后， 将被检溯的图象与参考图象和模板进行比较。还有研| f 况是将伺一图象的被检测区 域_ 标准区域进行比较判断。文献【3j 扫：擘纸缺陷检洲t l l 川剑的就是这种方法。作为被 检测对象的壁纸，正常情况f 是左右对称的，如果扫：生，、。1 t 扣壁纸出现缺陷，! i 【| 罐纸图 案将不再左右对称，由此而引起对应位置上的狄度出现较大的差别。 2 基于规则的检测技术1 3 5 l l i i 基 j 姚则的检测口j 以看 1 ：足基j 矢u 捡测的种粕例，这单知u 库由组通过样 本学刊或专家经验建立的觇则水表达。j 自u 者比较，它九需进行图缘的校准，曲且系 4 n 一 一 一 一 一 一 一 日i一l。 3 一 一坚 兰 华中科技大学硕士学位论文 统便j ：修改或增加规则，具有疋活。忖，f 1 比较 忑时。检i 蛳立程中，先根掘譬家经验和 样本学习建立相应的规则库，由图象。4 j 提取的特征j 之比较，满足觇则的为 ：常点， 违背的为缺陷点。规则的形式臼多种，特征向鞋的取值池就是搏i 之 。“j 检测 点的特征向量在特征空l j j | p 的位苜槭j 。| 一占的j 式域，| j ! | j j 幺点为) 1 - 常，? i ；台则为缺陷点。 3 基于模型的方法 建立所检测蚓象的模型，碍到模型的参数，由实际旧参数值与设计值足台符合来 进行判断，符合者为正常点，西则为缺陷点。孩方法较多地用在具有明显纹理特征的 织物缺陷检测中，用来描述其纹理特征的模型常见的有75 尔可夫随机场校型( m r f ) 、 自回归滑动平均模型( a r m a ) 等。神经嘲络也j 离f 模型榆测的。种。 1 5 本课题拟解决的关键问题及创新之处 目前国内外研制的通用型视觉图象处理系统很多，f i n b 于浏象处理包括人砖的数 据，因而作为实时系统仍有一些困难。另个原因是它们鄙址通j 1 j 型的图象处删系统， 导致价格较高。因此，根据确定的目标和任务以及蚓象的特征束研制实时控制系统是 进步推动视觉方法在制造行业方曲应片j 的重要方向。1 、史提出采用一个传感器，通 过定的图象处理算法对标记图象迸行实时处理、提取控制量加以控制的山法。浚方 法使系统不但具有较强的实叫处理功能，另外还有较岛的性能价格比。吲此需要根执， 印刷过程的特点研制适用的图象摄耿和处理系统，束提取1 到象的特征，剧以完成印刷 的控制。 本课题处理的对象是m a r k 线标记，如图l 一2 ，山j ：此标、庀可以记录每种颜色的 套印误差，因此分析标记就可以很好达到检测的目的。 本课题中，首先采集标记剧象，再将矧象进 适“j 的处_ j = ! i ，最后得到各颜色的m a r k 线与前一种颜色m a r k 线之阳j 的纵横曲力向误差，最后将以孳反馈给汁算机i j 以啕节印 刷控制的伺服电机，实现一个闭环控制系统。 1 5 1 拟解决的关键问题 1 高速运动目标图像的采集； 2 图象背景噪声的去除： 3 目标图象的分割。 1 5 2 课题的特色及创新之处 1 它是一涉及到检测技术、光 u 技术、计锋机坎术、图象处理与以别的多学 科交叉的项日； 2 先进的数字图象处理技术来检测印刷误差； 华中科技大学硕士学位论文 3 提出用神经h 络识别图象序列的方；_ 去来累集m - 琏运动的l j 标图琢： 4 根据正交小波变换的特点，讨论将图象进ij 讣波变换后，以低频分量重构 的图象为模扳，以高频分量蕈构的图象为待分割图象束确定边缘的分割算 法。 1 6 全文内容安排 第一章介绍印刷检洲的原理、现在使用的方法及 jl 量勾外图象检测的研究概况， 并指出本文研究的重点。 第二章阐述了图象处理的基本原理，是全文的理论址础。 第三章讨论了本文蚓象处理的具体步骤，提出新的l 蚓象采集和图象分割思路。 第四章介绍了图象处理软件的设计，给出r 实现图像榆测系统的结果，并j 其他 乃+ 法进行比较。 第五章总结了所完成的工作并指出需要进一步改进的地方。 华中科技大学硕士学位论文 2 图象处理的基础理论 2 1 彩色空间的表示 目前广泛采用的彩色信息表达方法都是建立在t y o u n 9 1 8 0 2 年提出的理论基础 之上的。该理论指出，任何彩色都可以用三种基本颜色按不同的比例混合而得到口】 即： c = a c i + b c2 + c c3 ( 2 1 ) 其中c c ，c 、为三基色，a bc 为市义值，c 为任意。种颜色。 t y o u n g 的这一理论与人眼视网膜中存在三种不同类型的锥状晶体的事实相吻 合。这三种锥状晶体对可视光谱中黄绿区、绿区与蓝区分别呈现出失峰反应。任意选 取三种颜色，只要其中的一种不能由其它两种混合而产生，就可作为三基色。而四种 颜色就不行，因为它永远存在着线性关系，即其中的一色u j 。由其它三色合成。摄像系 统都选用红、绿、蓝作为三基色。 1 r g b 彩色空间 在多媒体计算机技术中，用得最多的是r g b 彩色空间表示。因为计算机彩色监视 器的输入r g b 三个分量，通过三个分量的不同比例，在显示屏幕上合成所需要的任意 颜色。在r g b 彩色空间的原点上，任一一基色均没有亮度，即原点为黑色。三基色部达 到最高亮度时则表现为白色。亮度较低的等亮的兰种基色产生灰色的影调。所有这些 点均落在彩色立方体的对角线上，该对角线被称为狄度线。彩色立方体中有二i 个角对 应于三基色一红、绿、蓝，剩下的三个角对应于三次色一黄、青( 蓝绿色) 和品红( 紫 色) 。 2 h i s 彩色空间 在h i s 彩色空间中，人们用h 、s 、i 三参数描述颜色特性，其中h 表示色调( h u e ) ， s 表示颜色的饱和度( s a t u r a t i o n ) ，i 表示光的强度( i n t e n s i t y ) 。用。个二维空间的双 锥体可以把这三个参数表示出来( 如图2 - - 2 ) 。 在颜色立体图中，垂直轴表示光的亮度变化，顶部最亮表示白色，底部最暗表示 黑色，中间是介于白黑之间深浅不同的灰度。与黑白轴垂直的水平面圆周上，各点代 华中科技大学硕士学位论文 表光谱上各种不恫的色渊。 b 蓝 b la c k 黑 削2 一ir g b l 颡色模口 e 白 1 。”置 r 红 t y 幽2 2h i s 锄色模 3 y c r c b 彩包。产问 往j p e g 畅、准i _ | _ 】，r g bi 到像破转搬剑一j 01 ： ：一包嫂7 i - | l , j ，通讹4 ；j ：之为、一c r - - c b 形式，定义成： y - 03 x r + 0 6 0 + 0i b ( 2 一! ) c r ：型+ o l s( 二一3 ) 2 b ：旦! 。o 5 ( ! 一4 ) 1 6 4 彩色宅问的转换 r g b 彩色伞n ! f j 到、t 一一c rc b 幂；包。l i 换n l l7 翟膏出。r g b 彩色tn | j j 0 h i s 彩色空间的转换如下： h = c o s ( 月一g ) + ( r b 1 = = = = = = = = = = ：= = = = = = 一 2 ( 月一“) 二+ ( 尺一b ) ( o 日) 符b gh = 2n 一 1 s2 1 一i 焉 m i n ( r ，b u ) j 尺+ 占+ g 。 r ( j 二恒r b2 5 ) 2 6 ) 华中科技大学硕士学位论文 i ：竺立坠g 一 3 二一7 ) 要处理。幅彩色图像，酋先璺选好i ? 遁的彩包删：儿；欠委采 j 适合1 0 此。州日j 的 分割策略和方法。 2 2 图象的滤波 实际观测的图像信l ；，在形成、传输、接收和处理过 辛，l l lj ：通过媒质的实5 ，j ： 性能和接收设备的限制，_ i 可避免地存住着外部l 扰硐1 内部1 一扰例如， i j 目! 遥感 像，经过大气紊流和电高层时，由川嗄收乐数和折射乐数吲埴机性，必然j 1 q i 时信i j 振幅、频率和相位的调制，这属r 乘性| - 扰。人。u 2 - 、i u 离层、字宙! 三f h j 等各种自然 抖的电磁过程以及电i 发备、人为斟索、接收和处理设蔷内部也存在：十二扰，属j 二加悄 卜扰。j | 是由于随机干扰的存在，使观测的蚓像信号变质。因此，对图像的预处理， 包括滤除噪声、恢复和唾建原始图像以及l 剞象的增强就彤成图像处理学的个霞要部 分。 所谓噪声图像滤波，概括地说，就是列术阳实助：删测帕j 划像加 。，提瞅俐 j 信息。 任本世纪的四f 年代，n w i e n e r 等人刚明了在、1 ，稳条什h 的线性滤波论，即著名的 w i e n e r 滤波器理论i ”1 。这些理论在通信及控制领域得i ir j j 泛应j 十 ，并已m 月j n 图像 滤波中但是，w i e n e r 滤波要求存储量人，亡1 算复杂度岛，1 i 便j 实时处删，1 i 适h j f 矢量和非甲稳过程的滤波。1 9 6 0q - ：，r e k a l m a n 提l 尔曼滤波理论i 1 12 ，但是， 它仍然存在着计算复杂发高，1 i 便实时处理等缺点。 线性滤波器以其完薄的理论基础数学处理简j 弘，易r 采用f f 丁和碗仆实规等优 点，一直在图像滤波领域占有举足轻重的地位。但是，s 诅线性滤波器埘加性岛斯噪 声有较好的平滑作用，却时脉冲 二扰和其它形式的噪声允抑制效果差，叮能模糊信 号边缘。为此，1 9 7 1 年t u k e ) r 提出 种 二线性滤波器l i 值滤波器1 1 3 1 由于中值滤波器具有冲激响应为零和保持边缘的特。m 近十l 年来， 直足非线 性滤波研究的主法，所删巾值滤波，就址指把以某点( x j ) 为l 托州门小窗| jj 勺的所有像 案的灰度按从大到小的眦睁排列，将l j 删值作为( x ) ) 处n 0 耿忮值( ? 窗口中仃偶数个像 桌，则墩两个中川值的f i 均) 。 中值滤波器从一维信号扩展到多维f 矗号处理，容易使荆加倍l ；失真和使图像信号 的结构信息丢失。例如在一一维图像中的细线、尖锐的边f i j ，经r 1 值滤波后u 。能丢 失。另外，虽然中值滤波器对 受拖尾分佃噪声滤波性能f h 虬，但埘中拖尾和短拖尾分 华中科技大学硕士学位论文 布噪声，滤波性能较差，且当分布拖尾越短，其滤波能力越差。基于中值滤波器这些 缺点和优点，1 9 8 3 年，a c b o v i k 和t s h u a n g 等人，在中值滤波器原理和秩 排序统计学基础上，提出一种广义化中值滤波结构排序统计滤波器- ( o s p ) ”“，一 维定义为： 2 n + i y = 正x 厶 ( 2 8 ) i z l 其中， y 。是滤波器在窗中心为k 位置时的输出，x j 是滤波窗为2 n + l 内样本排 序值，满足，x ( ”茎x 1 2 ) 蔓。( 2 。) ，从定义式看出，o s 滤波器是把滤波窗内的样本 排序加权组合作为滤波器的输出。在性能上，o s 滤波( 也称l 滤波器) 是线性滤波器和 中值滤波器的有效折衷。对于嵌在独立同分布噪声中的常数信号，在m se 准则下，l 滤波是最优滤波器。这之后许多具有实用价值的非线性滤波结构和实现算法相继提出， 如具有自适应结构的中值型滤波器”“、自适应排序统计滤波器0 5 、堆栈滤波器的结构 “1 等等。 目前，图像滤波文献主要是叙述灰度图像滤波的。近些年，彩色图像滤波也得到 越来越多的重视1 1 7 - 2 2 。 彩色图像可以看作是三通道图像，是多通道图像的一个特例。适用多通道图像滤 波的算子，可以用来处理彩色图像。多通道信号，在多数情况下，各通道间具有一定 的相关性，彩色图像r 、g 、b 各通道间就有很强的相关性。处理多通道信号的一种普 通的方法是用已有的单通道处理技术单独处理多通道中各通道的数据。但是，这方法 不是最合适的，因为它没有利用通道之间的相关性。而且，就象”1 指出的那样，这种 方法还易导致不自然的输出效果。对于彩色图像，可能会产生虚假的色彩，这一般是 很难让人接受的。通道单独处理的方式，还比较难检测出输入数据中可能有的异常值， 因为这些异常值在各通道中表现得并不十分明显。另一种可选的处理方式是先用l ，_ l 变换去除通道之间的相关性，然后再使用单通道的处理技术。然而，一般认为考虑通 道之间相关性的多通道处理技术，是处理多通道信号更自然的选择。 前面讨论的次序统计滤波器，对加性噪声有很好的滤除效果，但对乘性噪声显得 无能为力。在图象的采集过程中可能因为光源的照度不是理想化的常数，会在图象的 某些部分产生光斑，它与图象信号存在相关性，是一种乘性噪声，在这里讨论一种针 华中科技大学硕士学位论文 刈乘性噪声的同念滤波力法12 3 1 。 定义2 - 1 设“卓”和“”分别是输入信弓空削和输h i 号空问的两种运算：d 。雨 d 。分别是将输入信号窄问和输出信l j 空问变换到。个辅助公共兮i h j 的两个变换：崩 反、d 。卡ud1 分别是x , j 应的反变换；l 足辅l 功公j l 、川f f , j i 丘性滤波器。j 址，町得 式中h ( ) 是输入信号空问到输出信 j 空删的变换。这样，定义列念滤波器输出y ，为 y ，= d ：1 ( l ( d ，( x ，) ) ) 根据定义2 - - 1 可得如卜关系： d + d ：。= 1 。、吖：， r 是，同态滤波器的分解如图2 - - 3 所示。 x ( i ) or x ( - ) 卜lh 卜+ y ( i ) ( 2 一1 0 ) ( 2 1 1 ) x ( d 一j c b ) h ( c ) 图2 3 同态滤波器分解过“( a ) 一【bj 一( cj 了( 1 ) y ( i ) 华中科技大学硕士学位论文 现在讨论输入几个相关信号( 办u j 能有噪声信号) 的情况。设两个输入1 啬弓矢量x ( i ) 和x ，( i ) ，它们通过“运算后形成输入信。；矢量x ( j ) x ( i ) 二= 。i ( i ) 4 、：( j ) 若x ( i ) 经j 司念滤波器处理，如图2 - 3 【cj 所_ i ，m 1 宵： 。 、 x ( i ) = d x ( i ) 。d 。 oj ( i ) + x ! ( i ) 2xl ( i ) 十x ! ( i ) 由于l 变换是线件的，所以有： y ( i ) ；l 工( i ) = l 【x1 ( i ) + x ! ( i ) 2 1 l ( i ) + j ! ( i j 于是，整个i 叫态滤波器输出y 0 ) 是： ， y ( i ) = d j l yi ( i ) ty2 ( i ) 卜y | ( 旷) ! ( i ) 可见，州态滤波器满足厂义的叠加定律即 n x 【i ) + x ! ( i ) j - h x ，( i ) 卜h 【x ! ( i ) 】 在许多图像处理应用中，运算“”和“”刚好是通常 佝0 i 量点秘 x 1 ( i ) 4 x2 ( i ) 2 x i ( i ) x2 ( j ) 2x l ( 1 ) x ：( i ) 因此函数d + ，d - ”。雌选择为： d ( x ) = 1 n ( x ) d l ( x ) = e 1 与此时j 追的川态滤波器翻j 旧2 4 所, j i ，j i i ji 。仍， l ! = 线性处 。i m 系统 x ( d，叵吲b 日 圈2 4 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) ! 一1 5 j ( 2 1 6 ) ( 2 17 ) 【2 一1 8 ) ( 2 1 9 ) y ( 9 另一种图像处理t | 非常柏j 目的同态滤波器的非线性两敏d ，干d 选择为 华中科技大学硕士学位论文 d ( x ) = d ( x ) = x ( 2 2 0 ) 显然，d 。和d 选择适、j 后，m 态滤波替的特性就取j 线性滤波器l 的适“j 选择 7 jo !睢矧(2-21)9 1 1i 8 1 | 一 一l一1 华中科技大学硕士学位论文 从廿j 圯，如果一片培区出现了。个癌j 、l ，揶么锐化处娌的绐粜是这个亮点变得 更亮，增加了图象的噪声。因为图象中的边缘就是那些扶j 耍发生跳娈的域，所以锐 化模板在边缘检测中很有j 目。 2 3 2 频域增强 苍秋理论是频城技术f 一钙；础。发蛹数( x jj1 j t , f l ：f 1 、变算j 7 n1 ) 的卷移! 结果 是g ( x ，) 即g ( x ，y ) = h ( x y ) + ( 石，j ) ，那么根掘卷秘正胖住频域仃： g ( “，、，) = h ( “、v ) f ( u 1 ) ( 2 2 ：) 其中g ( u 1 ，) ，h ( u 1 ，) ，f u 1 ) 分圳址譬【_ 1 ) ，h ( x 。j ) ) ，l x 。j ，) | 0 傅咀叶。竖换。 用线性理论的话来说，h ( u ，) 是转移函数 在具体的增强应用中，( j 川是给疋的( 所以f ( u 、) j 利用变换得到) ，需要确定 的是h ( u ，1 - ) ，这样县有所需待性的矾x j 。就l ，川j 式( ! 一2 2 ) 强出d ( u 、) 矶得到 g ( x ，y ) = f “ ( ，1 ) ，( ) j ( 2 2 3 ) 根据以上讨论，在频率域，p 进行增强是, f h “) 直观的，具弘篮步骤f j ： ( 1 ) 计算需增强图象的傅罩叶变换； ( 2 ) 将其与1 个( 根据需要设计的) 转移函数枷乘： ( 3 ) 再将结果傅里叶反变换以得到增强的图。 常用频域增强方法有：1 f 氐通滤波；2 岛通滤波：3 带通平带阻滤波 对一图像进行傅立叶变换后，物体边缘或扶度变动较剧烈的部分反i 、女在傅立叶系 数中的“高频部分”( 即爿标较大荷) ，、1 i 滑的部分则反府n 傅立叫系数中的“低频部 分”( 即坐标较小者1 。依此原理，若要散低通滤波的效粜，口，将较高频部分的系数衰 减，甚至全部为零，再对所有处理过的变换系数墩反傅点叶变换即u ，得到低通滤波的 效果。反之，若要育高通滤波的效果，| ! | j 将较低频系数衰减。 2 3 3 直方图均衡化 。个图像的直南。图p 【，) 代太狄皮为的像隶的个数隙以总像粜所形成的函数，u j 视为概率密度函数的一个f 4 0 1 8 。a 方矧处胖的 j 的足将眩隅像的 + | _ 方图修栏成某个所 希望的形式。例如町将具何狭窄直方劁的低对比度l 冬| 像延腱其直山l 划变成埘比度较高 的图像而达到图像增强的目的。 华中科技大学硕士学位论文 直方图均衡化的目的足希望获得 个均匀分布直方l 蚓旧输出罔琢。改变量，代表 像素捩度大小在【厂m 。、】区间的个变鞋。考虑如r 的变换 g = t ( ，) ( 2 2 4 ) 此变换必须满足f 列两个条件： ( 】) t ( ，) 在。，t 。的m 卜是单蒯递增的。 ( 2 ) 对于厶。f ，。、，g 。s ，( ，+ ) s g 。、。 将f 与g 视为随机变量，其概率密度函数分别为p ，( ) lp 。( g ) 。基奉的概率理论 可知 蹦刑f = 小心) 蟛( 2 - 2 5 ) 即两边的累积分布函数相等，记为p 。( g ) = p ( ，) 。考虑如卜变换 丁( n 2 尸凡门2j ，心) 蟛 ( 2 2 6 ) 显然此函数满足上述( 1 ) 和( 2 ) 的条件。 假设输出是概率密度函数如下的均匀分布 p 。( g ) = 】 二， g 。茎g g 。、 ( 2 - - 2 7 ) g m a x g m i n 则由( 2 2 5 ) 到( 2 - - 2 6 ) 式司得如f 变换函数 g = ( g 一g m ) p ，( ，) + g 。( 2 - - 2 8 ) 将上述观念延伸到狄度在【厂m m 厂m 。、】的真实图像来。f 现铂：是有限个离散值，原先概 率密度函数变成下列概率 。 p ，( f ) ：上 。兰，厂。 ( ! 一2 9 ) 其中n ，表示狄度，出现的像素个数，nm 0 为所仃像索的个数。岗此( 4 3 7 ) 一的离散形 式为 华中科技大学硕士学位论文 m 诅( ，) _ 妄k 。_ c 。， ，。、 ( 2 - 3 0 ) 将此结果代入( 2 2 8 ) 式即得均衡化变换后的输出为 州x 一妻鲁” 2 3 4 彩色图象的增强 以上介绍的图象增强疗法t ，j 以应1 jj 二彩包图象的增锄，但教粜并小好，因为将彩 色图象r g b 值分别取出来单独处理，割裂，州旺之州的相火性，合并后u j _ 能会造成颜 色的改变，产生与原来颜色差别很大的颜色。 r 7 誓 g 7 垦 r 一t z l 单色蒯曾强j 二0 萋 b 7 銮 l r g 坐 - 萋 马j 单色喇冁l 三 r b 旦叫单色图象增强l ! - 幽2 6 彩色l 到象增强 针对彩色图象应首先消除分量削的相关性，如图2 6 所1 j ，先把输入的r g b 彩 色空问的向量变换成另种彩色坐标，再选择合适的扶皮i 划象增倒算了诅7 墅换后的彩 色空间中单通道独立地增强彩色图象，最后增强后的世n ；丁i nt 37 再反变换叫 r g b 用以显示l ，变换的彩色空削一般视具体问题向定，常j l j 的是s 空间。 采用h i s 坐标一般只处理i ，不处理h 分量，人们般难接受。町对1 分量单独 进行处理以改变图象的对比度，对s 进行线性拉伸，增强l 冬象的细微结构。 除了在变换域进行圈琢增强外，也口j 以概率理论为依捌对多通道图象i i 接进行直 方图修改，以达到增强的目的。直方【冬j 修改足次度h 象，：引 j 的增姒办法，时彩色图象 各分量独立使用直方图修改方法，并小赴彩包恻象增啦m 0 蚶方法，拈对多维直方j 割进 行修改，则是可行的。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 图象的分割 图象分割的任务是把i 刳象分离成互4 i 父叠的有意义的k 域，以他f 进步的分析。 分割的隧域一1 般是相对于：i 封象q ，我们感兴趣的 f 标。它垃| 冬l 象处理中的重爱环节， 般也是比较困难的环节。其它分析过程经常依赖于分割的结果，准确的分剖影响甚至 决定其它部分分析的准确程度。分割问题的困难在j i 二幽象数据的模糊和噪卢的十扰。 至今，还没有一个判断分割是古完全正确的准则，分割得好坏必须从分割的效果来判 断。实际景物中情况各异，具体问题具体分析，根据实弦情况选择适合的方法。 基本的图像分割方法包括以卜几种： 1 边界类技术i ”j ”边界类技术”指对目标边界的检测来实埘剀像的分割。t 一在1 9 6 5 年就订人提出检 测边缘的算子1 2 “，最常见的是基于微分算f 的模板，如p r e w j t t 算于和s o h e l 算子以 及r o b e r t s 算子，构造边缘检测算子的数学基础是一+ 阶利一阶导数变化，如图2 7 可见，一阶导数的大小可以用于判断边缘点。二阶导数的过零点口，以判断边缘，过零 点附近的符号确定边缘像素在图象边缘的亮区或暗区”。这螳算r 实际上都是- 种高 通滤波器，对噪声有相当的敏感性。 图象 剖面 一阶导数 = 阶导数 厂j l 八 止 厂+ 吧 + + 十v 幽2 7 边缘平| j 导数 从其他方面着手人们提出各种边界跟踪的算法，即确定搜索的起点，按一定的数 据结构和搜索机理寻找下一个点m l ，并在满足条件时停止。这种方法较常圯的是使用 华中科技大学硕士学位论文 状态空矧搜索和动态规划的策略。还有通过曲线拟台来挟墩边界段并进而得到完整边 界的方法等。 2 区域类技术1 2 8 “区域类技术”指通过对目标区域的检测术实现图像的分割。最常址的灶闽值化分 割算法，可追溯剑旧十。年i “ 3 1 l ，单纯使用刚缸分割_ _ j 三望h j _ 荻度图像的处胖，茸先需 确定分割的阈值，再将分割闽值与象素值比较以划分象索。但闽值分割叮能出现4 i 问 区域具有相同闽值的情况，往往需要其他蝗先验知识柬确定。j 二是有人提出使用区 域生长的方法i ”l ，根据图像的某一特性，对图像的区域分裂或合并得到所；籍的结果。 3 结合特定数学方法的分割，如专门对直线的h o u g h 变换l ”l 等。 图像分割技术的发展与许多其他的学科和领域密切相关，近年来人们根据新的数 学工具提出不少特殊的算法。例如基于随机场理论的算法，基r 数学形态学的算法， 利用神经网络的算法以及利用模糊理论等工具的算法1 “驯“l 。并有人提出基于模型的 分割，影响很大的有s n a k e s 模型1 3 7 1 ，它是通过对能量函数的动态优化来逼近目标的真 实轮廓，具有较好的抗噪性埘目标的局部模糊也不敏感，川而适用性t t 4