（精密仪器及机械专业论文）气象传真图像格式转换研究与实现.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f m e t e o r o l o g i c a lf a c s i m i l ec h a r tf o r m a t j 1 , 5o n v e r s l o n c a n d i d a t e ：l i us h a s u p e r v i s o r ：p r o f l i uf a n m i n g a c a d e m i cd e g r e ea p p li e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：p r e c i s i o ni n s t r u m e n ta n dm a c h i n e r y d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y ， l i j 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：刘秒 日期：文d ，d 年弓月6 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 耐在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：刘涉导师( 签字) ：孑。嘲 日期：0 2 o l e 年弓月6 日矗刁9 年弓月匆日 k一 ； 0 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 摘要 气象传真图像是海上航行中获取气象资料的主要手段。由于原始气象传 真图是一种准点阵数据，它具有信息动态性强，气象传真图像信息量巨大的 特点。在信息数字化的今天，图像数据在传输过程中所耗用的时间严重影响 了气象传真机的性能。不利于图像的后续处理和应用。本文主要针对气象传 真图像原始数据量大的问题，对图像进行处理，通过对准点阵图像数据进行 压缩和格式转换以及将点阵图像转换为矢量图像两种方法实现传真图的数据 压缩和格式转换。 原始气象传真图像数据利用点阵式图像格式储存，通过分析比较两种常 用的压缩算法，确定了适用于气象传真图像的压缩算法。气象传真图通过短 波无线电传送的，传送过程由于天气或其它干扰使接收到的图像噪声较强， 难以识别。本文通过对原始图像进行降噪、增强、分割等预处理，提高图像 数据的压缩率。 将气象传真图矢量化，可以实现与电子海图等系统的进一步融合，扩大 气象传真图的应用范围，并大幅减少图像的数据量。通过分析气象传真图的 特性，利用区块标记图像中字符信息，并通过聚类方法进行字符区域的定位， 有利于矢量图像的分层处理：针对气象传真图矢量化后由大量的曲线段组成 的特点，提出通过动态分割法将曲线拟合、利用少量关键点描述整条曲线的 方法，实现了压缩矢量图像数据量的目的，为气象传真图的扩展应用奠定了 基础。 关键词：气象传真图；格式转换：矢量化；字符定位 ? f ， j 哈尔滨t 稃大学硕十学付论文 一t i 膏| _ 嗣暑罱萱昌毒薯宣审j 萱曹宣萱i i 宣宣i 篁萱葺曩_ _ 皇置_ _ _ _ 置置| _ _ | _ _ 盲_ a b s t r a c t m e t e o r o l o g i c a lf a c s i m i l ec h a r t sa lep r i m a r ym e a n st oo b t a i nm e t e o r o l o g i c a l d a t ai nt h en a v i g a t i o n r a wi m a g ed a t ai sa q u a s il a t t i c ed a t aw h i c hh a sd y n a m i c i n f o r m a t i o na n dh u g em o u n to fd a t a r a w i m a g e c o s t l o n gt i m e i nt h e t r a n s m i s s i o np r o c e s s i nt h ei n f o r m a t i o n d i s t a lf i e l d ，l o n gt i m ed u r i n gt h e t r a n s m i s s i o n p r o c e s si n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo fm e t e o r o l o g i c a lf a c s i m i l e r e c e i v e r i t sb a df o rs u b s e q u e n tt r e a t m e n ta n di m p l i c a t i o n a c c o r d i n gt or a w i m a g ei sah u g ed a t a , c o m p r e s sa n df o r m a tt r a n s f o r m e dq u a s il a t t i c ed a t aa n d v e c t o rt h e1 a t t i c ed a t aa r et w om e a n so fr e a l i z a t i o no fd a t ac o m p r e s s i o na n d f o r m a tt r a n s f o r m a t i o n r a wm e t e o r o l o g i c a lf a c s i m i l ec h a r td a t aw a s s a v i n g a sl a t t i c e i m a g e t h r o u g ha n a l y s i s t w ou s u a l c o m p r e s s i o na l g o r i t h m s ，a l la l g o r i t h mf o r m e t e o r o l o g i c a lf a c s i m i l ei m a g ew a sp u tf o r w a r d m e t e o r o l o g i c a lf a c s i m i l ec h a r t w e r et r a n s m i tb yw i r e l e s ss h o r t b a dw e a t h e rm a d e m e t e o r o l o g i c a lf a c s i m i l ec h a r t h a v et o om u c hn o i s ei m a g e t h ec o m p r e s s i o nr a t ew a si m p r o v e db yi m a g e d e n o i s e ，i m a g ee n h a n c e m e n ta n di m a g es e g m e n t a t i o n v e c t o r i z a t i o nc a l lm a k ef u s i o ne l e c t r o n i cc h a r tf u r t h e ra n de x p a n dt h es c o p e o fa p p l i c a t i o no fm e t e o r o l o g i c a lf a c s i m i l ei m a g ea l s od e d u c et h em o u n to fi m a g e d a t a t h r o u g ha n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i co fm e t e o r o l o g i c a lf a c s i m i l ei m a g e ， r e g i o nl a b e l i n ga n dc l u s t e r i n gw e r eu s e dt ol o c a t e dt h ec h a r a c t e rr e g i o nw h i c h b e n e f i c i a lt ov e c t o r i m a g el a y e r e d ；a r e rv e c t o r i z a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fc u r v es e g m e n t ，d y n a m i cs e g m e n t a t i o nm e t h o dw a su s e dt oc u r v e f i t t i n gw h a tr e a l i z e dc o m p r e s s i n gt h ev e c t o ri m a g ed a t aa n dl a i dt h ef o u n d a t i o n f o re x p a n d i n gi m p l i c a t i o no f m e t e o r o l o g i c a lf a c s i m i l ei m a g e k e yw o r d s ：m e t e o r o l o g i c a lf a c s i m i l ei m a g e ；f o r m a tt r a n s f o r m a t i o n ； v e c t o r ； c h a r a c t e rl o c a t i o n 哈尔滨t 稗大学硕士学位论文 i i i 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的背景及意义1 1 2 国内外研究动态2 1 3 课题研究内容及工作安排4 第2 章气象传真图预处理7 2 1 图像增强7 2 1 1 频域滤波增强”7 2 1 2 空间域图像1 2 2 2 图像分害0 1 9 乙2 1 经典方法o t s u 法”1 9 2 2 2 迭代法算法2 0 2 3 3 结果分析2 2 2 3 本章小结2 3 第3 章气象传真图格式转换2 4 3 1 图像的原始数据2 4 3 2 原始图像数据向位图的转换2 5 3 3 图像数据的压缩3 2 3 3 1 最小内存压缩算法3 3 3 3 2 最短时间压缩算法3 6 3 3 3 压缩法选取及效果分析3 9 3 4 本章小结4 1 第4 章字符定位4 3 4 1 提取经纬线和海岸线4 3 4 2 字符定位“4 4 4 2 1 气象传真图字符特点4 4 4 2 2 区块标记举 4 2 3 区块聚合4 6 哈尔滨下程大学硕十学位论文 4 3 实验结果与分析4 9 4 4 本章小结5 0 第5 章矢量化研究及实现“5 1 5 1 矢量图像的生成5 l 5 1 1d w g 文件的总体结构5 1 5 1 2 生成矢量文件5 2 5 2 遍历像素连接值5 4 5 3 曲线拟合“5 4 5 4 拟合结果分析5 9 5 5 人机交互界面实现6 1 5 6 本章小结”6 8 结论”6 9 参考文献7 0 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 4 致谢”7 5 哈尔滨t 程大学硕十学仲论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 气象传真图是船舶在航行中获取气象资料的一种主要手段。利用无线气 象传真接收设备，船舶以及海运部门可以及时方便地接收到众多种类的气象 传真图，得到内容丰富的海洋气象情报，用以分析和追踪大洋中风暴的形成、 演变及移动路径，从而得出正确的决策，为船舶的安全航行提供了有力的保 障。然而，随着信息化时代的来临，航海气象信息的高效和快捷处理已是目 前众多新型气象传真机改进的方向。气象传真信息的应用涉及计算机技术、 图形处理技术以及图像符号识别技术。作为一种智能化技术，气象传真图像 符号的识别是通过计算机实现对气象传真图的阅读和理解。目前，图像数字 化一般分为人工数字化和计算机自动识别两种。人工数字化能直接生成符合 大多数工程制图要求的矢量数据，但该过程既费时又费力，且容易在工程中 产生误差和发生错误，已经远不能适应图像信息技术发展和应用的需求，这 迫切需要研究一种用自动化技术代替人工数字化的作业方式。气象传真图的 自动识别和字符信息的提取为气象传真图数字化开辟了新的途径，对促进气 象信息库的建立和应用具有重要的意义。 我国气象传真工作起步比较晚，在研究初期基本上是使用国外引进的设 备，而且这些气象传真接收机几乎都是采用打印方式输出气象传真图，气象 信息的获取只能依靠人工识图方式，信息辨别的准确程度基本取决于识图人 员的经验。目前气象传真机的研究在国内外已经有很大的突破，采用全数字 化气象信息收发成为一种必然的趋势，然而气象信息是一种海量数据，依此 进行气象信息的综合利用需要非常昂贵和能快速计算的设备，并不适用于某 些特殊场合，况且全数字化收发技术仍存在诸多困难，短时间内仍难以实现。 目前，对于现有传真图像发送方式，已经实现了图像信息的数字化，保 持了原有单幅图像信息量大、易于人工理解的特点。在当前快捷图象传输方 式的基础上，借助于图像处理技术对图像信息进行处理，使气象信息能够被 充分利用，不失为解决船舶气象信息和获取问题的一种有效手段，并且对于 解决短期内在特殊场合的应用具有重要意义，同时也可为将来全数字化气象 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 传真收发提供一定的技术支持。 在信息数字化的今天，图像信息传输速度成为束缚气象传真机性能的瓶 颈。由于气象信息动态性强，气象传真图像信息量巨大，图像数据在传输过 程中所耗用的时间严重影响了气象传真机的性能。因此，本文立足于有效解 决气象传真图像信息量大的问题，对气象传真图像进行格式转化处理研究， 以期提高新型气象传真机的性能。 为保证提供内容丰富、全面的气象情报，原始气象传真图像利用点阵式 图像格式储存，其图幅较大必然导致图像数据量巨大。由于气象传真图由短 波传输，在传输过程中不可避免会受到噪声的干扰，因此将气象传真机接收 到的原始图像数据进行格式转化处理前必须先对图像进行增强、分割等处理， 减小噪声对图像的压缩率的影响。 另一方面，图像的矢量化作为一种图像处理的前沿技术，它能够提高数 据存储效率，并且通过图文分离或叠加显示，使气象传真图像与电子海图结 合后更直观的显示图像信息：因此图像矢量化的研究与应用，必然能够使气 象传真机的性能更加优越。 1 2 国内外研究动态 气象传真广播既能传送信息的内容，又能传送信息的图像，在7 0 年代海 上航行已经开始使用这种技术。近几十年来，几乎所有重要的沿海国家都通 过传真广播，为沿岸航行的船舶服务，并为沿岸航行的船舶提供各种气象图、 海况图及卫星云图等，使航行在该海区的船舶能及时获得周围海区各种气象 信息和海况资料信息；船舶可以通过这些信息资料选择安全、经济且环保的 最佳航线，保障顺利完成在海上的运行。 为了能清楚地表示天气系统的分布及其发展的情况，过去气象传真机通 常将所观测到的气象要素，用国际规定的天气符号，按统一的格式，把有关 信息资料通过热敏打印机打印出来。这种图像信息的存储方式不仅不利于长 时间存放，也不利于历史资料的存储、分析、比对、总结等处理。随着气象 传真机的发展，国外许多先进技术已将计算机与传真机相结合，利用嵌入式 实时控制传真机的操作，这样做能有利于图像的保存和实时的操作。在此情 况下，国内外各个公司和科研机构相继开发出了多种气象传真图接收系统。 2 哈尔滨t 稗大学硕十学位论文 国外气象传真技术起步比我国要早，在各方面有着一定的优势。国外的 气象传真机主要是采用计算机和传真机相结合，并开发出相应的软件用来接 收和查看图像。日本古野外电气株式会社已经推出的新型f a x 3 0 气象传真 机，它是一种将气象传真机网络化的产品，通过与计算机相连，可以利用软 件控制气象传真机并且对接收到的气象传真图进行编辑或查看操作。 与国外相比，国内的气象传真技术仍较落后，在引进国外气象传真机的 同时也在努力研发新型气象传真技术。在研究早期，只能做到将接收到的气 象传真图像进行简单的处理，如图像旋转、同相、正反片、彩色化等。为了 减小图像的数据量并且能与电子海图融合使气象信息能更加直观的展示在人 们面前，需要将接收到的图像进行矢量化处理。下面对进行矢量化处理时用 到图像处理技术的研究状况做一简单的叙述。 1 字符定位 目前已经有许多对图像中的字符进行定位的方法。这些方法主要有如下 几类： 美国m a s s a c h u s e t t s 大学的v i c t o rw u ，r m a n m a t h a 和e d w a r dm r i s e m a n 提出基于纹理方法定位法川，主要步骤：1 ) 纹理分割；2 ) 字符区域划定；3 ) 字符区域的搁置分割和字符识别。主要原理是利用字符区与背景区的纹理特 征不同，分离字符区与背景区。然而，纹理分割的复杂度和计算量比较大， 因此在检测和提取的效率上可能会存在问题。 x i a n s h e n gh u a 等人提出基于字符边缘的方法口1 ，是一种在视频帧中提取 字符区域的算法，该算法基于字符的纹理特征角点，即字符，特别是汉字， 含有丰富的角点。首先，在视频帧中进行角点检测，得到视频帧的角点的分 布图。其次进行角点的滤波，即在角点分布图中剔除一些比较分散的，可认 为不是从字符中检测到的角点。再次对角点分布图中余下的角点聚类形成候 选字符区域，采用水平方向和竖直方向的投影对这些区域进行分化。最后进 行字符区域确认并除去噪声。然而，此方法需要涉及到很多的阈值，在提取 区域时容易因阀值选取的不当使误差较大，并不适用于气象信息主要由数字 和字母表示的气象传真图像。 2 图像增强 胡琼等人提出了一种带色彩恢复的均衡化算法。根据彩色图像各个分量 3 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 的灰度直方图，利用灰度中值和直方图等面积原则对灰度直方图进行分割， 同时对分割后的各个子灰度直方图分别进行均衡化处理，然后通过计算r ，g b 各个分量子图的灰度级总数占原彩色图形灰度级总数的比例，将均衡化处理 后的各个分量子图进行合并p 1 。该方法对具有1 6 级灰度的气象传真图像并不 适用。 王科俊描述了一种新的结合模糊变换和r e t i n e x 理论静脉图像的增强方 法，可以解决近红外静脉图像所存在的低对比度、动态范围狭窄和强度分布 不对称问题。最优模糊变换用于加强全局对比度，引入的r e t i n e x 方法可以 增强图像细节信息，弥补最优模糊变换的细节缺失。由于图像从空间域向模 糊域转换时，使用一个参数优化隶属函数，使处理的图像不具有最佳性h 1 。 3 矢量化 针对气象传真信息的研究，国内多家公司已经着手对气象传真图像进行 矢量化研究。目前，矢量化方法大致可分为两类，基于细化的方法和基于非 细化的方法。 基于细化的矢量化方法。对图像进行细化处理提取其骨架，在图像识别 领域有着广泛的应用。一个好的细化结果能够在不改变原有拓扑结构的前提 下既保持骨架的连通性又不过度腐蚀，同时还应具有一定的抗噪性胪们。青岛 远洋船员学院和国家海洋局第一海洋研究所联合研制的“传真天气图的计算 机接收识别系统”是建立在对全图细化的基础上，细化所引起的节点畸变等 弊端增加了后续各个要素识别和提取的难度f 。上海海运学院的凌锡璜在船 基气象定线系统中哺1 ，先采用几何校正和经纬线与等值线的分离，然后对等 值线进行细化、跟踪处理。本文所处理的气象传真图像也基于细化的基础上 进行图像矢量化的转换。 基于非细化的轮廓匹配方法。基于轮廓跟踪的矢量化，首先检测图像的 边缘轮廓信息，然后对图像边缘的轮廓信息进行对称搜索，在该过程中获得 图线的中轴骨架矢量嘲0 1 。 1 3 课题研究内容及工作安排 针对现有气象传真接收机的应用需求，本文提出了适用于新型的气象传 真机的图像处理过程。并对新型气象传真机的关键技术进行研究，具体内容 4 哈尔溟t 程大学硕十学侍论文 如下： ( i ) 气象传真机图图像增强的实现 由于气象传真图通过短波无线电传送的，传送过程由于天气或其它无线 电信号的干扰使接收到的图像噪声较强，造成字符难以识别、曲线断裂等现 象。在压缩格式转换过程中这类噪声图像容易被误认为目标图像，本文通过 对多种类似方案的研究，在频域内和空间域内分别对图像进行降噪处理，试 图找到一种能有效增强图像的方法。 ( 2 ) 灰度图像分割的实现 气象传真图像中多级灰度虽然能辅助识别图像中的细节信息，如大气云 图中图像的灰度值能有效识别出乌云及白云。但是若图像中的多级灰度信息 容易干扰对图像的正常理解，则可以根据实际需要( 若多级灰度对气象传真 图像的理解没有明显帮助) 对图像进行二值分割，减少噪声图像对图像压缩 率的影响。 ( 3 ) 原始图像数据向图像压缩格式的转换 气象传真图像文件数据量较大及气象传真机存储能力有限，限制了图像 传输速度。针对以上问题，必须对原始图像数据进行压缩格式转换处理。g i f 图像格式作为当前网络上非常流行的图像压缩格式被广泛应用在各大领域， 本文通过分析g i f 图像压缩格式和l z w 压缩算法将气象传真图像转换为压 缩格式图像，并确定了基于气象传真图像的压缩方法实现了图像数据的快速 传输。 ( 4 ) 字符定位 气象传真图矢量化除了能减少图像的数据量还能将不同作用的图像信息 进行分层提取，字符信息在一定程度上反映了图像的重要内容，因此字符区 域的提取是图像信息提取的主要内容，其中字符定位是字符提取的关键，它 直接影响了字符提取的精确程度。本文针对字符信息提取的需求，研究了基 于区块标记和聚类的方法确定文字区域，同时通过先验知识筛选出不属于文 字区域的部分。 ( 5 ) 气象传真图矢量化研究 借鉴地图矢量化相关技术，对现有的气象传真图的矢量化算法进行补充。 由于经过矢量化后图中的信息将由长短不一的曲线表示，本文提出利用动态 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 分割法对气象传真图中的曲线进行拟合，即用最少的关键点表示一条曲线， 从而达到减少图像信息的数据量的目的。 论文共分为五章，具体安排如下： 第1 章为绪论，主要概括了课题的应用背景和相关技术的发展动态，介 绍了课题所研究的主要内容及章节安排。 第2 章在探讨图像预处理的基础理论的基础上，分析了气象传真图像的 噪声特性，并提出一种快速图像增强方案，实现对气象传真图的降噪处理； 分析几种分割算法及其原理，通过比较实验结果选取一种有效方法。 第3 章分析了压缩位图文件格式，提出了原始数据位图文件向g i f 位图 格式转换的方法。针对气象传真图像特性选取压缩算法，实现了图像的无损 压缩编码，最后通过图像的压缩率对压缩效果进行验证。 第4 章研究了气象传真图像中字符的特性及字符定位技术。采用区块标 记和聚类的方法实现了字符区域的定位。 第5 章对现有气象传真图矢量化技术做进一步研究。采用动态分割法对 曲线进行拟合处理。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第2 章气象传真图预处理 气象传真图是船舶在航海过程中获取温度、气压、风向等信息的主要途 径。气象传真图像在接收、生成、传输或变换的过程中，由于受环境因素、 成像设备、传输过程中所用的传输信道的干扰、接收系统性能等诸多因素的 影响等都可能会产生噪声，易造成清晰度下降、对比度偏低、动态范围不足 等现象。这些噪声不但影响图像的正常阅读，更不利于对图像进行压缩格式 的转换，通过图像增强可以提高或恢复图像质量，尽量将其还原到原始水平。 常见的图像增强算法一般都是对噪声特性作出分析，得到噪声模型再进行处 理，而对于噪声特性未知的随机噪声处理，尤其是各种噪声混杂在一起质量 较差的图像，各种常见算法往往不能达到理想的效果。针对上述情况，针对 几种降噪方案进行研究，旨在找到适合气象传真图像特点的降噪方法。 2 1 图像增强 气象传真机接收一种灰度级为1 6 的灰度图像，文中针对接收到的带有典 型噪声的气象传真图像分别通过在频域和空间域中对其噪声进行滤除处理。 频域降噪法，由于气象传真图频域基本处于低频和中频区域，而大部分 噪声属于高频区，因此可以通过滤除高频分量达到降噪和增强的目的。通常 采用的降噪方法有理想低通滤波、同态滤波等。 空域降噪法，可利用各种模板对图像各邻域问像素进行平滑，以达到降 噪的目的。图像灰度变换主要针对独立的像素点进行变换处理，而无需考虑 其他因素，在处理时通过改变原始图像数据的灰度值达到改善图像的视觉效 果。 2 1 1 频域滤波增强 频域增强主要是根据图像模型，对图像的傅里叶频谱各频段进行不同程 度的修改技术。通过对图像进行f o u r i e r 变换得到它的频谱，在频率域中，零 频率分量相当于图像的平均灰度，低频分量对应将要平滑的图像信号，较高 频率的分量对应于图像的细节和边界。通常噪声的频谱会引起图像灰度值的 突变，因此可以认为噪声的频谱也存在于高频分量中。通过傅里叶变换将图 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 像从空间域转换到频域中处理，只需要将空域中的算子进行f o u r i e r 变换后， 再与图像的f o u r i e r 变换所对应的滤波器相乘即可。 ( 1 ) 理想低通滤波 低通滤波的目的是滤去噪声( 图像噪声多处于高频部分) ，即保留低频段， 使高频段受到抑制。频域低通滤波的数学表达式为： g ( u ，) = h ( u ，1 ，) f ( u ，1 ，)( 2 1 ) 其中，f ( u ，1 ，) 是原始图像f ( x ，y ) 的傅里叶变换；g ( u ，) 是低通滤波处理 后图像g ( x ，y ) 的傅里叶变换；h ( u ，v ) 是频域低通滤波器的传递函数，选择不 同的传递函数可产生不同的h ( u ，v ) 平滑效果。 理想低通滤波是可以抑制图像傅里叶变换中的所有高频分量，其传递函 数为： 脚，= 儡 尉：垮，( 2 - 2 ) r ( u ， ，) r 其中，r ( u ，1 ，) ：也而，r 是截止频率。图2 1 为典型带噪气象传真 图，图2 2 为图2 1 的频谱图，由图2 3 所示，以r 为半径的圆域内所有频率 分量无损的通过。根据频域中总能量与不同半径所通过能量的关系如图2 3 、 表2 1 所示，选取不同半径对图像进行处理。 图2 1 典型噪声气象传真图图2 2 带噪声图像的频谱 8 过滤的效果图。 在频域理想滤波算法中，低通滤波能减少高频信息对图像的影响，半径 越d , n 通过的低频信息越少。如表2 1 所示，当半径r 达到2 2 时，能有效地 滤除高频部分的信息，但从实验结果得出过滤后的图像不但出现“振铃 现 象且噪声部分仍然无法去除。当半径r 达到9 8 时，图像只能过滤较少的高 频信息，此时无论在噪声的减弱上或者是加强清晰度上都未有良好的降噪效 果。由图2 4 ( c ) 、2 4 ( d ) 所示，通过改变r 进行滤波变换不能在图像降噪中取 得良好的效果。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 4 不同半径低通滤波后的图像 ( 2 ) 频域同态滤波 理想低通滤波器能抑制高频噪声分量，但是通过实验可知，经过过滤高 频信息后，图像噪声信息不但没有去除而且图像信息变得模糊难以识别。因 此提出一种能同时对高频信息和低频信息都进行处理的滤波器，既可以抑制 噪声，也可以进一步抑制图像灰度范围，从而达到了提高图像的细节范围。 同态滤波增强是把频率过滤和灰度变换结合起来的一种处理方式。它把 图像的照明反射模型作为频域处理的基础，利用压缩灰度范围和增强对比度 来改善图像的一种处理技术。同态滤波的主要目的是对图像的灰度范围进行 调整，以改善图像质量。其基本思想是：将非线性问题转化成线性问题处理， 即对非线性混杂的信号做某种数学运算d ，变换成加性的，然后用线性滤波 方法处理，最后做d 。1 运算，恢复处理后图像j i l l 。同态滤波流程图如图2 5 所示 图2 5 同态滤波处理流程图 图像f ( x ，y ) 由照射分i ( x ，y ) 与反射分l r ( x ，y ) 乘积构成。图像上照射 分量i ( x ，y ) 在空间上基本是一定的，只有缓慢的变化对应低频区域。反射分 量r ( x ，y ) 对应图像细节部分，随着物体的细节做快速的变化，增强这一部分 1 0 哈尔滨工程大学硕十学位论文 的对比度，等效于提升了高频成分。 f ( x ，y ) = i ( x ，y ) r ( x ，y ) 首先对f ( x ，y ) 取对数： z ( x ，y ) = l n f ( x ，y ) = i n i ( x ，y ) + i n r ( x ，y ) 将入射光和反射光分开，再进行f o u r i e r 变换 f l z l x 。y ) ) 2f i n i ( x , y ) + f i n r ( x , y ) 。 ( 2 - 3 ) ( 2 _ 4 ) 得z ( u ，砂= 讹v ) + r m ，砂 ( 2 5 ) 此处选择高斯滤波器进行图像信息的过滤，其滤波器传递函数为 h ( u ，1 ，) ： h ( u , v - ) = ( 一九) l1 一e x p ( 一( d ( 叫) d o ) 2 ) l + 九( 2 - 6 ) d ( u ，v ) = ( u - - u o ) 2 + ( v - v o ) 2 】v 2 为频率d ( u ，v ) 到滤波器中心d ( u o ，v o ) 的 距离，它与照射分量与反射分量有关。当丫h l ，丫l 1 时，滤波器函数将减 小低频部分、扩大高频部分，动态压缩灰度范围和扩大对比度。基于气象传 真图像特性，d ( u ，) = d ( u o ，v 0 ) = l 时，通过实验选取控制滤波器的参数，当 丫h = 1 0 ，丫l = 0 8 时，图像的对比度较好。此时传递函数h ( u ，) 的值为0 6 3 2 ， 传递函数三维投射图如图2 6 所示。 图2 6 传递函数三维透射图 l l ， 嘴 嘴 明， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 用滤波器对频域i ( x ，y ) 和r ( x ，y ) 进行滤波，s ( u ，v ) 为同态滤波输出图像 的傅立叶变换； s ( u ，1 ，) = h ( u ，v ) z ( u ，1 ，) = h ( u ，v ) i ( u ，1 ，) + h ( u ，v ) r ( u ，v )( 2 - 7 ) 最后，进行傅立叶反变换s ( x ，y ) = f 一( s ( 材，1 ，) ) ，并通过对s ( x ，y ) 取指数 得到最终处理结果： g 似纠= e x p ( s ( x , 训( 2 8 ) 同态滤波增强图像的效果与滤波曲线的分布形状有关。图2 7 ( a ) 为带噪 声气象传真图，2 7 ( b ) 为经过同态滤波后的气象传真图。 在气象传真图像的应用中，根据气象传真图像的特性和增强的需要，本 文选取了高斯滤波器对图像进行滤波。图2 7 ( a ) 为细节对比度差，分辨不清 的图像，经过同态滤波处理后，从实验结果2 7 ( b ) 看出图像画面亮度较均匀， 在增强对比度上有较好的表现。虽然增强对比度使图像的清晰度有一定的改 善，但只是将图像噪声减弱仍未能有效减少噪声对图像的影响，噪声仍大面 积的存在。 ( a )( b ) 图2 7 同态滤波前后图像 2 1 2 空间域图像 空域滤波在图像空间中借助模板进行邻域操作完成，根据其特点一般可 1 2 哈尔滨丁稗大学硕十学位论文 分成线性的和非线性的两类。线性系统的转移函数和脉冲函数或点扩散函数 构成傅里叶变换对，因此线性滤波器的设计常常是基于傅里叶变换的分析； 而非线性空间滤波器则是直接对邻域进行操作，其工作原理可借助频域进行 分析。它们的特点都是让图像在傅里叶空间某个范围内的分量受到抑制而让 它分量不受影响，从而改变输出图的频率分布，达到增强的目的。空间域的 处理是直接对图像的灰度级进行运算的。通常空域处理的表达式可以表示为： g ( x y ) = t 啉y ) i x y )0 2 - 9 、 式中：讹输入图像； g 伍输出( 处理后的) 图像； 丁对图像胞砂处理的操作符。 ( 1 ) 邻域平均值 若像素的灰度值为f c j ，k ) ，以其为中心，窗口像素组成的点集以彳表示， 点集内像素的个数以工表示。经邻域平均法滤波后，像素f ( j ，k ) 对应的输出 为 g ( ，后) = 了1 f ( x ，y ) ( 2 - 1 0 ) 厶i x y i e 一 即用窗口像素的平均值取代f ( j ，k ) 原来的灰度值。用邻域平均法平滑 时，邻域的选取通常有两种方式：以单位距离为半径或单位距离的2 倍为 半径。以3 x 3 窗口为例，若以单位距离为半径时如图2 8 所示，其4 点邻域 为： a 。= ( ，k 1 ) ，( - ，+ l ，足) ，( j ，k + 1 ) ，( ，一1 ，足) )( 2 一1 1 ) 若以2 倍的单位距离为半径如图2 9 所示，其8 点邻域为 4 = u l , k 一1 ) ( ，一1 ，蛾( ，一l ，七+ 1 ) u k - 1 ) , u 尼+ 1 ) ( ，+ l 七一1 ) ( ，+ 1 蛾( ，+ l 七+ 1 ) )( 2 - 1 2 ) 图2 84 邻域 图2 98 邻域 1 3 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 邻域平均法虽能有力地抑制噪声，但同时也使图像的边缘处的灰度趋向 平均，从而引起图像的模糊现象，模糊程度与邻域半径成正比。为了尽可能 减小模糊，可以采用“超限邻域平均法”，超限邻域平均法是以某个灰度值t 作为阈值，如果某个像素的灰度值大于其邻近像素的平均值，并超过阈值， 才使用平均灰度置换这个像素值，公式如2 1 3 所示： g u 栌i 。磊一m 川，若f ( j , k ) - z 1 。磊一耶川l ” ( 2 - 1 3 ) 【f ( j ，k ) 说明：当f ( j ，尼) 大于邻域平均值一定值后，作为噪声处理，否则不改变 图像的灰度值。 ( 2 ) 灰度线性变换 灰度变换可扩展图像的对比度且使图像清晰，特征明显。它是图像增强 的重要手段。根据应用目的不同，可以设计出不同的变换函数。典型的对比 度拉伸变换可表示成如下的线性变换函数2 1 ，一般形式如图2 1 0 所示。 p fo y a g = ( f 一口) + g 。口f b( 2 - 1 4 ) ly ( 厂一b ) + 9 6b f c 其中，a 一确定中度灰度级范围的常数： 6 一确定高度灰度级范围的常数： 仗、y 一确定三段线段斜率的常数。 图2 1 0 典型的对比度拉伸变换函数 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 当0 口 b l ，扩大第二区间【口，b 】，增大该区间的灰度层次； 第三步，y 1 压缩第三区间 b ，c 】，减小该区间灰度层次； 最终，得到灰度级增强后的图像。 因此，在进行斜率选取时，需将 a ，b 】之间的灰度线性变换成新的图像灰 度，中度灰度区域的斜率越大区域增强效果越好。气象传真图2 7 ( a ) 经过线 性变换后图像如图2 1 l 所示，图2 1 2 为此图像的线性函数，当口= 2 ，b = 7 ， g 。= 2 ，g 。= 1 3 时，所得处理结果最清晰。 图2 1 l 灰度线性变换图像图2 1 2 灰度线性变换函数 ( 3 ) 快速灰度变换 基于以上线性变换函数得知，平滑的效果取决于线性函数的选取，需要 经过多次选择才能得到理想的线性函数。因此，提出快速灰度变换完成图像 降噪处理。 由于处理的气象传真图部分噪声图像与前景图像的灰度值相近，去掉这 哈尔滨丁稗大学硕十学f f z 论文 类噪声具有一定的困难。针对这一问提，引入一种改进的处理方式，即将原 图像的灰度级集中在少数几种灰度级中，使噪声数据与背景数据的灰度级相 近，然后将噪声数据的灰度级调整为规定的灰度分布，使得调整后新图像的 灰度分布趋近于所规定分布。在整个过程中，某级灰度像素只能集体转换为 其他灰度级的像素。这种方法是寻找一种合理的划分法，将图像中部分灰度 级归并构成规定要求的分布。无论需要一次合归并或连续几次归并，只能分 段逐次进行归并，其步骤如下： 第一步，由于实际接收图像的灰度级并不是0 - - , 1 5 级灰度，因此需要重新 遍历图像，统计图像的最大灰度值m a x 、最小灰度值r a i n 。 第二步，判断当前灰度值是否大于m a x ，若是则将当前灰度值映射为大 于当前灰度值的调整灰度值c m a x ；若当灰度值小于r a i n ，则将当前值映射 为小于当前灰度值的调整灰度值c m i n ；若当前灰度值既不大于m a x 也不小 于r a i n ，则不作任何操作。 一 第三步，整个数据归并完成一次，将m a x 、m i n 、c n l a x 、c m i n 进行灰 度值调整，使图像灰度值的差距变小直到当前最大灰度值等于当前最小灰度 值时结束。 第四步，采用阈值分割技术将背景数据转化为灰度值o x f 。本文处理图 像的最大灰度值m a x 为1 3 ，最小灰度值v a i n 为3 ，经过计算，背景灰度值为 o x 8 。 以一幅带噪声的气象传真图像2 7 ( a ) 为例，对噪声图像分别采用邻域平 均法、对比度拉伸以及快速灰度变换进行降噪处理。 o 图2 1 3 理想对比度示意图 1 6 k 如图2 1 3 所示，图像对比度比较理想的情况为仅有两个明显的峰值：一 个峰值( 左峰值) 对应于传真图中的前景图像；另一个峰值( 右峰值) 对应 于背景图像。峰、谷越明显，说明图像的对比度越好。在空间域中对灰度图 像的处理结果如下所示，图2 1 4 为带噪声气象传真图像，图2 1 5 为带噪声图 像的直方图。 图2 1 4 带噪声气象传真图图2 1 5 带噪声直方图 由图2 1 4 可知，未经过处理前图像的灰度值主要分布在3 1 3 级，每级 灰度的数量呈逐渐升高的趋势。我们观察到两端灰度值的数量并没有明显大 于中间灰度值的数量，即峰谷并不明显，使得图像的清晰度不高，对比度不 强。 图2 1 6 邻域平均法图像图2 1 7 邻域平均法直方图 1 7 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 由邻域平均法直方图2 1 7 可观察到灰度级较高的数量有所增多，说明背 景图像变均匀了，但是峰谷仍然并不明显。邻域平均算法虽能减少噪声的影 响，同时也增大的图像的模糊程度，对本文所处理的图像效果也不是很理想。 图2 1 8 线性变换降噪图像图2 1 9 线性变换直方图 由于线性灰度变换可以克服邻域平均法关