（计算机科学与技术专业论文）面向pdf文档的图像恢复系统的设计与实现.pdf

a d e s i g na n di m p l e m e n to ni m a g er e s t o r a t i o ns y s t e mf o rp d f d o c u m e n t b y t a n gl a n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 4 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e m c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh uf e n g s o n g s e p t e m b e r , 2 0 10 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期： 移fd 年f 1 月幻日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在一年解密后适用本授权书。 2 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打”) 篡撩乡承缮导师签名：1 矾峰幸乡 承缮 日期：为o 年71 月母 日期：p ，p 年，月2 夕日 面向p d f 文档的图像恢复系统的设计与实现 摘要 随着信息技术、i n t e m e t 的迅猛发展，人们可以很方便地获得所需的电子资料， 其以文档形式储存在计算机中，而使用较为广泛的一种文档格式就是p d f 。然而由 于从纸质材料转换成电子文档的原因，p d f 文档中经常出现字迹断裂，不清晰等情 况。本文主要对这些p d f 文档进行图像恢复与增强处理，从而提高其阅读质量。 本文主要研究内容如下： 1 分析了低质量p d f 文档出现污渍的成因，介绍了噪声监测的m a d m 方法，并 且为减少p d f 文档的噪声而设计了开闭噪声滤波器方法。 2 基于扫描仪成像原理，分析扫描成像可能出现模糊的成因，基于扫描成像的特 性，结合一次成像中的运动模糊恢复方法设计了扫描成像模糊图像恢复算法。 3 对比分析了扫描成像文字与手动输入文字的p d f 文档的区别，分析了字迹断 裂的形成原因。针对p d f 文档的字迹不清晰，设计了滑动窗口各向异性插值算法。 本文基于v i s u a ls t u d i o n e t 集成开发环境与o p e n c v 库，使用c + + 语言编写了 p d f 文档恢复系统。该系统可以对5 类受污染文档进行恢复，分别是存在污渍、扫 描倾斜、图像不清晰、文档模糊、字迹断裂。运行结果表明，恢复的图像比较令人 满意，比恢复前的图像具备更好的可阅读性。 关健词：p d f 文档；椒盐噪声；运动模糊；图像恢复；维纳滤波；各向异性插值 i i 1 工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n di n t e m e t ，p e o p l ec a n e a s i l yo b t a i nt h er e q u i r e de l e c t r o n i cd a t aw h i c ha r es t o r e di nc o m p u t e r sa sd o c u m e n t s ， a n dam o r ew i d e l yu s e dd o c u m e n tf o r m a ti sp d f h o w e v e r ，d u et ot h er e a s o no f c o n v e r t i n gf o r mp a p e r - b a s e dm a t e r i a l st oe l e c t r o n i cd a t a ，t h e r ea r eo f t e np h e n o m e n ao f w r i t i n gb r o k e na n di l l e g i b i l i t yi nt h ep d f d o c u m e n t s i nt h i st h e s i s ，t os o l v et h i sp r o b l e m a n dt op r o m o t et h er e a d a b i l i t y ，t h ep d fd o c u m e n t sa r ep r o c e s s e db yi m a g er e s t o r a t i o n a n de n h a n c e m e n tt e c h n o l o g y t h es t u d yi nt h i st h e s i si n c l u d e st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： 1 t h ef i r s ts e c t i o nf o c u s e so nt h ea n a l y s i so ft h ec a u s eo ff o u l i n gm a r k si np d f d o c u m e n t s ，t h em a d mm e t h o df o rd e t e c t i n gn o i s ew a si n t r o d u c e d ，a n dt h eo p e n i n ga n d c l o s i n gf i l t e rm e t h o df o rd e n o i s yw a sd e s i g n e d 2 b a s e do ni m a g i n gp r i n c i p l eo fs c a n n e r ，t h ec a u s eo fm o t i o nb l u rw a sa n a l y z e di n t h en e x t p a r t t h e nb a s e do ns c a n n i n gi m a g i n gf e a t u r ea n dm o t i o n b l u rr e s t o r a t i o n m e t h o d ，ab l u r - i m a g er e s t o r a t i o na l g o r i t h mi sd e s i g n e dt op r o c e s sb l u r i m a g e so b t a i n e d f r o ms c a n n i n g 3 t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nt h ew o r d si ns c a n n i n gi m a g ea n di nm a n u a l l yt y p i n g w e r ea n a l y z e d t h ec a u s eo ft h ei l l e g i b l ew r i t i n gw a se x p l o r e da n dt h es l i d e - w i n d o w a n i s o t r o p i ci n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mw a sd e s i g n e df o rt h i ss i t u a t i o n a tl a s t ，t h ep d fd o c u m e n tr e s t o r a t i o ns y s t e mw a sr e a l i z e db yc + + l a n g u a g ew i t h v i s u a ls t u d i o n e ti n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n ta n do p e n c vl i b r a r y w i t ht h i s r e s t o r a t i o ns y s t e m ，f i v ek i n d so fp d fd o c u m e n t sc a nb er e s t o r e d ，i n c l u d i n gf o u l i n gm a r k s i np d fd o c u m e n t ，s c a n n i n gt i l t ，n o n s h a r pi m a g e ，b l u ri m a g ea n di l l e g i b l ew r i t i n g t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h er e s t o r e di m a g e sw e r es a t i s f a c t o r ya n dm o r er e a d a b l et h a nf o u l i n g i m a g e s k e yw o r d s ：p d fd o c u m e n t ；i m p u l s en o i s e ；m o t i o nb l u r ；i m a g er e s t o r a t i o n ；w i e n e r f i l t e r ；a n i s o t r o p i ci n t e r p o l a t i o n i i i ，一一 面向p d f 文档的图像恢复系统的设计与实现 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 主要研究内容与意义1 1 1 1 研究意义1 1 1 2 主要研究内容一2 1 2 图像恢复技术研究现状3 1 3 小结4 第2 章面向污渍噪声的去噪算法6 2 1 噪声模型介绍6 2 1 1 高斯噪声6 2 1 2 瑞利噪声：。6 2 1 3 伽马噪声7 2 1 4 指数分布噪声。7 2 1 5 均匀分布噪声7 2 1 6 椒盐噪声8 2 2 噪声检测的艄伽方法8 2 3 开闭噪声滤波器设计9 2 4 小结1 0 第3 章扫描中运动模糊图像恢复方法1 1 3 1 扫描成像中运动模糊模型1 1 3 2 扫描成像中模糊图像恢复方法设计1 3 3 2 1 逆滤波法1 3 3 2 2 维纳滤波1 3 3 2 3 针对扫描图像的维纳滤波器的设计1 4 3 3 小结1 5 第4 章字迹笔画断裂修复方法1 6 4 1 各向异性插值模型简介1 6 4 1 1 插值模型简介16 4 1 2 偏微分图像法的缺陷1 7 4 2 面向p d f 文档的改进的各向异性插值算法设计17 i v 工程硕士学位论文 4 2 1p d f 文档的文字特征17 4 2 2 改进的各项异性插值算法设计18 4 3 + 小结19 第5 章实现与结果分析2 0 5 1 开发环境与功能界面2 0 5 1 1 开发环境说明2 0 5 1 2 功能界面实现2 1 5 2 算法实现与结果分析2 4 5 2 1 污渍去除运行结果2 4 5 2 2 扫描倾斜自动纠正运行结果2 7 5 2 3 分辨率较低图像修正3 0 5 2 4 模糊恢复运行结果3 2 5 2 5 墨迹不均匀、断裂处理运行结果3 5 5 3 小结3 7 结论3 9 参考文献4 1 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 4 5 致谢一4 6 v 1 、 工程硕士学位论文 1 1 主要研究内容与意义 第1 章绪论 随着信息技术、i n t e m e t 的迅猛发展，电子出版物的大量增加和因特网的飞速普 及，人们在互联网上可以便捷地获得各种所需的电子资料。在这些资料中，包括各 政府部门、学术单位、标准组织和大型公司所发行的各种资料文档与产品手册，越 来越多的在使用a d o b e 公司开发并着力推广的p d f 格式。互联网作为全球最大最 重要的信息载体和传输渠道，逐渐成为人们获取图书文献信息的主要方式，越来越 受到重视，在目前计算机基本普及，网络硬件基本成型的良好内外环境下，电子文 档的发展越来越快，其以海量的方式存储在i n t e m e t 的各个服务器上。 1 1 1 研究意义 p d f 文档格式是由a d o b e 公司开发研制，其是p o r t a b l ed o c u m e n tf o r m a t ( 便 携文件格式) 的英文缩写，是现行电子版文档分发的实际公开标准。p d f 是一种通 用文件格式，在任何操作系统上上使用任何软件创建的p d f 文档都能完整地保存源 文件的全部字体、格式、颜色以及图形。p d f 文档的优点如下： 1 便于阅读：通过免费的p d f 阅读软件，我们可以从任何操作系统的电脑上查 看，检索和打印p d f 文件。集约的p d f 文件相比转换前的源文件要小得多，特别适 合在互联网上传输并可以快速显示。 2 打印效果佳：p d f 文件是建立在p o s t s c r i p t 语言图象模型基础上的，在各种类 型的打印机上均能实现精确的，颜色准确的打印效果。p d f 可以完整地重现你原稿 上的每个字符，颜色和图象。 3 适合在屏幕上浏览：无论显示器是哪种类型，p d f 文件精准的颜色匹配保证 忠实再现原文。p d f 文件可以被放大到8 倍而不损失一点清晰度。 4 高效的阅览：p d f 的创建者能够在文档中加入书签或者w e b 链接来让p d f 文 件更容易阅览，阅读者能够使用各种方式对p d f 文件进行标注。观看时，可以通过 放大或者缩小文件以适应屏幕和自己的视觉要求。 5 安全特性：p d f 的创建者可以控制机密文件的访问权限。 6 平台无关性：p d f 与软件，硬件和操作系统无关。举个例子：创建者可以从 w i n d o w sn t 的网站下载一个由u n i x 操作系统创建的p d f 文件，然后在苹果机 ( m a c i n t o s h ) q j 阅读。 面向p d f 文档的图像恢复系统的设计与实现 1 1 2 主要研究内容 基于以上描述的意义，现如今许多第三方公司、企业、政府等都采用p d f 文档 格式进行对文档的保存、阅读以及修改等。p d f 的阅读器有很多种，其包括了a d o b e 公司自己开发的a c r o b a tr e a d e r ，也有许多其他公司基于a d o b e 公司提供的a c r o b a t s o f td e v e l o p m e n tk i t ( a c r o b a ts d k ) 软件开发包开发的其他阅读器，这些阅读器的 功能都比较完整，a c r o b a tr e a d e rp r o f e s s i o n a l 版本，更是提供了许多方便的用户接 口，使得用户对其的操作十分方便。虽然p d f 文档的阅读器比较优秀，并且文件格 式的相互转换也比较方便易行，但是文档的输入却只有如下几种方式： 1 人工键盘输入：其输入方法完全是靠人工通过键盘将文字一个个输入进计算 机，然后保存成p d f 文档。 2 转换输入：由其他第三方软件提供源，例如m i c r o s o f tw o r d ，p h o t o s h o p 等文 字处理软件或者是图像处理软件提供数据源，然后通过相应的接口转换成p d f 文档 然后保存。 3 扫描输入：这种方式是以扫描仪作为输入装置，将文字文本或者图像等文档 通过扫描仪输入至计算机，由p d f 阅读器或其他相关软件将其转换成p d f 文档进行 保存。 4 其他输入方式：计算机提供的其他文档输入方式，如语音输入等。 人工键盘输入或者是其他输入方式都是以文字的形式存储在p d f 中，p d f 对每 一个文字对应相应的编码，以及其格式风格等等都是确定的，这种保存方式的文字 或者是插图其视觉效果是比较好的，但是其不适合大量输入，例如将五百万字的如 果希望转换成电子文档，如果其全部由人工通过键盘输入进计算机，其工作量可想 而知。因此这种方式不适合大批量输入。这时就得借入扫描仪方式输入。 扫描方式适合输入大批量文档，人员只需要简单的执行几个动作就可以将一页 文档输进计算机并且转成p d f 文档，一种是通过o c r 文本识别将源文件识别成文 字输入，另一种是页面直接扫描成图片输入。o c r 现在研究比较深入，但是实际应 用时存在许多问题；直接扫描成图片输入使用比较广泛，但是扫描方式有几个不足 之处： 1 输入文档存在污渍：由于输入的文档是纸质或其他材质的，其本身可能存在 一些污渍，又或者扫描仪本身的扫描板上就不清洁，导致了输入的文档存在影响阅 读或者是视觉效果不好的情况。 2 文档输入倾斜：众所周知，扫描仪扫描的时候需要将书本翻开的某一页进行 扫描，如果扫描的时候书本过厚，就会导致扫描后的图像发生倾斜，从而影响视觉 效果。 3 文档不清晰：由于扫描仪d p i 设置过低，导致扫描后的文档不清晰。 4 文档模糊：由于扫描过程中为人工操作模式，可能出现扫描过程中源文件被 2 工程硕士学位论文 移动导致扫描后的文档动态模糊。 5 墨迹不均匀：由于扫描仪的原因导致扫描后的文档出现墨迹不均匀状况，或 出现字迹断裂的情况，影响视觉效果和阅读。 本文针对这5 种情况对p d f 文档进行修复研究分析。 1 2 图像恢复技术研究现状 如上所述，扫描仪以源文件的图片格式输入存在一些不足之处，因此需要对p d f 文档进行一些恢复处理。 图像恢复也叫图像复原，是图像处理中的一大类技术。无论是由光学，光电或 者电子方法获得的图像都存在各种程度的退化。由于获得图像的方法有差别，其退 化的原因是多种多样的，比如传感器产生的噪声、摄像机聚焦时不准确、物体和摄 像设备之间的相对移动、随机大气湍流、光学系统的相差、成像光源或射线的散射 等，这些因素都会使成像的分辨率和对比度退化【1 】【2 】。由于成像系统的光散射现象而 导致图像的模糊。如显示器上的图像或像纸上的图像噪声，即使很小，但逃不出敏 锐的视觉系统。图像恢复的目标是对退化的图像进行处理，使它趋向于恢复成没有 退化的理想图像。视其具体应用的不同，将损失掉的图像质量部分恢复过来可以起 到不同的作用；也可能起到成败攸关的作用。 图像恢复和图像增强有着紧密的联系，相同的地方是，它们都希望得到在某种 意义上改进的图像，或者说都想要改进输入图像的视觉质量。不同的地方是，图像 增强技术一般要借助人的视觉系统的特性以取得看起来较好的视觉结果，而图像恢 复则认为图像是在某种情况下退化p 1 1 4 1 ，需要根据相应的退化模型和知识重建或恢复 原始的图像。图像恢复在初级视觉处理中占有极其重要的地位，从历史上看，数字 图像处理研究很大部分是致力于图像恢复的，包括对算法的研究和针对特定问题的 图像处理程序的编制，国内外学者都很重视这方面的研究。对于退化的修复，一般 可使用两种方法。一种方法适合用于对要修复的图像缺乏经验知识的情况，此时可 对退化过程( 模糊和噪声) 建立模型，进行描述，并进一步寻找一种去除或削弱其 影响的过程。由于这种方法试图估计图像被一些特性相对说来为已知的退化过程影 响以前的情况，故是一种估计方法【5 】【6 】【7 】。另一种方法，若对于原始图像有足够的经 验知识，就可以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会更有 效。由于仅是原始图像很少的几个参数未知，因此这是一个检测问题。因此，图像 恢复可以理解为图像降质过程的反向过程。建立图像恢复的反向过程的数学模型， 就是图像恢复的主要任务【8 1 【9 l 【l o 】。 图像被噪声污染是计算机视觉和图像处理经常要考虑的情形。图像噪声的类型 很多，如加性噪声、乘性噪声、量化噪声、椒盐噪声等。一般的原始图像都混有各 种噪声，但主要表现为高斯噪声和椒盐噪声。椒盐噪声的形成通常不依赖于其相邻 面向p d f 文档的图像恢复系统的设计与实现 像素，而是随机产生，在图像中表现为黑色或者白色污点【1 1 1 。其产生的原因通常是 由于传输错误、相机传感器元件缺陷或者存储器的错误定位等引起的。噪声过滤是 图像预处理的一个基本内容，其目标是在滤除噪声的同时尽可能地保留图像的边缘 和细节特征。现有的滤波方法很多，大致上可分为线性方法和非线性方法两类。图 像中混入的高斯噪声，一般采用线性的均值滤波；而对图像中混入的椒盐噪声，则 一般采用非线性的中值滤波。中值滤波是最早提出的一种有效的椒盐噪声滤除算法， 后来在中值滤波的基础上，提出了很多有效的滤波算法，如加权中值滤波，中心加 权中值滤波，多级中值滤波等【l2 1 。这些算法的一个最大的缺点是对所有像素采用统 一的处理方法，因此在滤除噪声的同时也改变了那些非噪声像素的灰度值，造成了 图像模糊和细节丢失，而且增加了处理的时间【l 引。 近年来，数学形态学图像处理已发展成为图像处理的一个重要研究领域。形态 学是研究数字图像形态结构特征与快速并行处理方法的理论，是通过对目标影像的 形态变换来实现结构分析和特征提取的。与其他空域或频域图像处理和分析方法相 比，形态学方法具有一些明显的优势【l4 1 。如：在图像恢复处理中，基于形态学的形 状滤波器可借助于先验的几何特征信息，利用形态学运算有效地滤除噪声，又可以 保留图像中的原有信息【1 6 】【1 7 】；形态学算法易于用并行处理算法实现，而且硬件实现 容易，因此基于形态学的图像噪声滤波器值得深入研究。形态学滤波器是一类基于 数学形态学的非线性滤波器，在图像分析与处理、计算机视觉和模式识别等领域获 得了广泛的应用。近年来，一些基于形态学技术滤除噪声的算法发展起来。最早比 较流行的是交替序列滤波器( a s f ) f l 引，通过交替使用形态学操作达到滤噪的效果； 但在图像受到严重噪声污染时，会破坏图像中的一些细节，或者无法有效地消除图 像中的噪声干扰。 如何将运动模糊图像恢复为清晰图像是图像恢复中的重要问题之一【l 引。对于点 扩展函数已知的运动模糊问题，现在已经有多种方法进行恢复，如反滤波、维纳滤 波、以及带最优窗的维纳滤波和r l 迭代算法【2 0 】【2 1 】【2 2 】【2 3 1 ；对于点扩展函数未知的运 动模糊问题，估计点扩展函数就成为图像恢复过程中的重要步骤。其中由匀速直线 运动所造成的图像模糊更具有一般性和代表性。因为变速的、非直线的运动在成像 瞬间可以看成是匀速的、直线运动。对于运动模糊图像的恢复，关键是要建立其退 化模型，即点扩展函数的形式。把极短时间内的运动简化为匀速直线运动是目前通 用的处理方法，两个运动模糊参数的识别和计算就成为极其关键和重要的环节。本 文的重点在于运用不同的技术手段对这两个参数进行识别和计算，并考虑了噪声污 染情形下的参数估计，最后由鉴别到的参数恢复运动模糊图像2 4 】【2 5 】【2 6 1 。 1 3 小结 综上所述，p d f 文档是电子文档的一种比较重要的格式，但是由于输入方式的 4 工程硕士学位论文 不同，尤其是在扫描输入下，p d f 文档存在一些不足。其包括文档中存在污渍导致 图像中有墨迹影响阅读；纸质文档在扫描过程中发生位移导致成像模糊或者倾斜； 由于扫描质量问题导致图像分辨率较低从而发生文档中的字迹出现断裂。 本文针对上述情况，首先针对文档中存在污渍的情况建立噪声模型，对p d f 文 档的特性建立噪声检测方法，根据其污渍的特点设计去噪滤波器；然后针对扫描中 运动模糊建立模糊模型，对扫描成像的特殊性设计图像恢复的方法；接着针对字迹 断裂这种情况设计各向异性差值模型，对退化图像进行建模分析及处理；最后使用 o p e n c v 库与c + + 语言对算法进行实现。比较实验结果发现对文档中存在污渍这种 情况，去噪算法能够保证不影响阅读的条件下可以有效地去除掉小面积污渍；对扫 描模糊与倾斜这种情况，模糊图像恢复算法能够有效地对倾斜图像进行恢复，对中 间断裂的图像进行接合，并能够对运动模糊图像做一定的修复；对分辨率过低导致 文档中字迹断裂的情况，使用各向异性差值算法能够有效地修复大部分字迹断裂的 文字，提高可阅读性。 5 面向p d f 文档的图像恢复系统的设计与实现 第2 章面向污渍噪声的去噪算法 2 1 噪声模型介绍 数字图像的噪声主要来源于图像的获取( 数字化过程) 和传输过程。图像传感 器的工作受各种因素的影响。其中，在图像处理中，由图像传感器、信道传输、解 码处理等所产生的脉冲噪声，会在图像中引起黑一白点子，因而常称为椒盐噪声。 这种椒盐噪声不但影响了图像的视觉效果，而且妨碍了人们的正常识别，因此图像 的噪声滤除成为图像处理的一项重要任务。在去除椒盐噪声方面，中值滤波是当前 应用最广的方法之一，其效果较好，但当噪声增加时，其过滤噪声的能力下降很快。 形态滤波器是一类基于数学形态学的非线性滤波器，它在图像分析与处理、计算机 视觉和模式识别等领域获得了广泛的应用。 接下来给出几个比较重要的噪声的密度函数模型。 2 1 1 高斯噪声 在空间域和频域中，由于高斯噪声【2 7 】在数学上的易处理性，因此高斯噪声也可 以叫做正态噪声模型，其经常被使用于实践中，这种易处理性非常方便，使得高斯 模型经常用于临界情况。 高斯随机变量z 的概率密度函数如公式2 1 所示 p ( z ) = 1 每p 七一p ) 2 尼一 ( 2 1 ) 二死。 其中z 表示灰度值，j l l 表示z 的平均值或者期望值，仃表示z 的标准差。标准差 的平方仃2 是z 的方差，当z 服从式2 1 分布时即服从高斯分布时，其值有7 0 落在 【( 一仃) ，( p + d ) 】范围类，且有9 5 落在【( p 一纺) ，( j l l + 2 0 - ) 】范围内。 2 1 2 瑞利噪声 瑞利噪声【2 8 】也是比较具有研究价值的噪声，其概率密度函数由式2 2 给出 r ， p ( z ) ：云( z 一口) p 一。一却6 z 口 ( 2 2 ) 【0 z o ，b 为正整数，其觅得均值如式2 6 所示，方差由式2 7 所示。 j l l ：皇 ( 2 一6 一) j l l = 一 l ) ( 2 7 )2 i( ) 2 1 4 指数分布噪声 指数分布噪声3 0 1 的概率密度函数如式2 8 所示： p c z ，= 0 e 一韶：茎巴 c 2 8 ， 其中a 0 。概率密度函数的期望值和方差是式2 9 和式2 1 0 j l l = 二( 2 9 29 )= 一() 仃2 = 去( 2 1 0 )仃= 了( 1) 可以看出，指数分布噪声时的伽马噪声在当b = 1 时的一种特殊情况。 2 1 5 均匀分布噪声 均匀分布噪声【3 1 1 的概率密度函数可以由式2 1 1 给出 p - 击 a 观剃时我们简单的将m ( i ，) 取值1 ，表示有噪声；反 之我们认为没有噪声，m ( i ，) = 0 。 删，= 器泷三薏 利用上述的m a d 结果，应用标准中值滤波器便可有效的滤除噪声。由于是m a d 和m e d i a n 算法的结合，因此该算法称为m a d m ( m e d i a nf i l t e rb a s e do nm a d ) 滤波算 法。其流程如图2 1 所示， 噪声图 图2 1m a d m ( m e d i a nf i l t e rb a s e do nm 1 4 d ) 滤波算法 2 3 开闭噪声滤波器设计 对于m a d 算法检测到的椒盐噪声可由两个滤波器分别处理。对开闭运算设计之 前首先定义两个集合 么，b i ac 口2 ，b c 口2 ，那么集合b 的反射用雪表示，其定义如 2 1 9 所示。如果集合b 平移到点z = ( 互，乞) 其定义如2 2 0 所示。开闭运算中具备两个 基本运算：膨胀运算和腐蚀运算，膨胀运算定义如式2 2 1 所示，其运算操作符是o ， 腐蚀运算定义如2 2 2 所示，其运算操作符是口。膨胀和腐蚀并不是互为逆运算，所 以它们可以级连结合使用。可以根据2 2 1 定义开运算，其运算操作符是o ，根据2 2 2 定义闭运算，其运算操作符是。 b = w lw = - b ，b 毋 ( 2 1 9 ) ( b ) ：= w l w = a + z ，口b ( 2 2 0 ) 彳o b = zl ( 雪) ：n 么囝 ( 2 2 1 ) 彳口b = zi ( b ) ：么 ( 2 2 2 ) a o b = 彳口召) o b ( 2 2 3 ) a o 艿= 彳o b ) 口b ( 2 2 4 ) 在实际应用中，常采用开运算消除比结构元素尺寸较小的亮细节，而保持图像 整体灰度值和大的亮区域基本不受影响；用闭运算消除比结构元素尺寸较小的暗细 节，而保持图像整体灰度值和大的暗区域基本不受影响。 在此我们设计开闭噪声滤波器，其过程是先对图像进行闭运算，然后对开运算 的结果进行开运算。期间必须设计两种运算的尺度，我们使用鼠为膨胀尺度，蜀为 9 面向p d f 文档的图像恢复系统的设计与实现 腐蚀尺度，算法过程如下： 首先由m a d m 确定为椒盐噪声 根据获得的参数确定鼠和蜀，在此我们设计鼠和且具有尺寸联动性。 然后根据鼠首先进行闭运算，消除噪声。 最后根据晟进行开运算，恢复图像。 虽然开闭不是互逆操作，但是对图像中的噪声点可以进行过滤，其过滤能力取 决于参数鼠和墨的尺度。这两个阈值可以进行简单的统计求得。 2 4 小结 在本章中首先描述了椒盐噪声污染的图像的模型，分别介绍了高斯噪声、瑞利 噪声、伽马噪声、指数分布噪声、均匀分布噪声以及椒盐噪声，针对本文需要处理 的情况，对椒盐噪声进行了分析，介绍了m a d m 椒盐监测算法，设计了结合m a d m 检测方法的椒盐噪声开闭噪声滤波器，并且描述了算法，对椒盐噪声进行去噪处理。 1 0 工程硕士学位论文 第3 章扫描中运动模糊图像恢复方法 本章中主要针对扫描过程中，出现被扫描文件由于人为或者其他因素导致扫描 图像出现运动模糊的情况。首先介绍运动模糊模型，然后介绍针对扫描时的图像的 运动模糊模型，最后介绍针对扫描这种特殊情况的的运动模糊图像恢复方法。 3 1 扫描成像中运动模糊模型 在此小节中，介绍运动模糊模型，及其算法。 、运动模糊是指在成像设备在对景物进行成像过程中出现相对运动而导致的模 糊，例如在用摄像机拍摄景物图像时【3 4 1 ，如果在相机曝光瞬间景物和摄像机之间出 现了相对运动，那么会使得拍摄出来的照片变得模糊，这种情况称为运动模糊。对 运动模糊的处理一般有两种方法【3 5 】：其一是减小曝光时间，从而可以减少模糊的程 度。由于相机的曝光时间不可能无限制地减小，而且随着曝光时间减小，所得图像 信噪比减小，图像的质量也会降低，所以这种方法的用途是很有限的；其二是建立 运动图像的成像模型，即研究图像的退化原因，并由此构建相应的退化模型，然后 根据该模型及原始图像的某些知识，设计一个恢复系统，该系统应使其输出的恢复 图像按某种准则最接近原始图像。这种方法具有普遍性，因而也是研究解决运动模 糊的主要手段【3 6 】f 3 7 】。 图像恢复处理可看成是一个估计过程，如果已经给出模糊图像g ( x ，y ) 并估计出 点扩展函数h ( x ，y ) ，或者说估计出了退化模型，就可以近似恢复出f ( x ，y ) 。点扩展函 数的设置是影响图像恢复结果好坏的关键问题，而点扩展函数中最重要的参数是模 糊度参数。对于匀速直线运动模糊，其点扩展函数中含有两个主要参数：模糊方向 和模糊长度。在此首先介绍匀速运动产生的运动模糊的模型，其模型定义如式3 1 。 假设物f ( x ，y ) 在一个平面运动，x o ( t ) 与y o ( t ) 分别表示其在x 和y 方向上运动的 变化分量，丁表示运动的时间，其记录介质的总曝光量是在快门打开后到关闭这段 时间的积分，则模糊后的图像为： f g ( x ，y ) = 【f ( x x o c t ) ，y y o ( t ) ) d t ( 3 1 ) 式3 1 中如为模糊后的图像，以上就是由于目标与成像设备相对运动造成的 图像模糊的连续函数模型。如果模糊图像是由景物在x 方向上作匀速直线运动造成 的，则模糊后图像任意点烈f ，) 的值为式3 2 ： ， g ( x ，y ) = 【f ( x - x o ( t ) ，y ) d t ( 3 2 ) 式3 2 中x o ( t ) 是景物在x 方向上运动分量，若图像总的位移量为a ，总的时间为 面向p d f 文档的图像恢复系统的设计与实现 乃则x 方向上的位移为x o ( t ) = a t t ，则式3 2 变为式3 3 ： ，y ) ：fi a t g ( x f ( x - ，y ) a t ( 3 3 ) ，y ) = 【i ， ( 3 3 ) 由于图像是离散的，因此对式3 3 进行离散化即得到式3 4 。 垡 g ( x ，y ) = f ( x i ，y ) a t ( 3 4 ) i = 0 其中三为照片上景物移动的像素个数的整数近似值。出是每个像素对模糊产生 影响的时间因子。由此可知，运动模糊图像的像素灰度值是原图像相应像素灰度值 与其时间的乘积的累加。从物理现象上看，运动模糊图像实际上就是同一景物图像 经过一系列的距离延迟后再叠加，最终形成的图像。 以上描述的是简单的匀速运动模糊模型，接下来介绍模糊图像的退化模型。 我们知道连续函数f ( x ，y ) 的傅里叶变换f ( u ，v ) 如式3 5 ，( 州) = f = r 厂( x ，y ) p 川咖删嘞 ( 3 5 ) 通过式3 5 将式3 1 的傅里叶变换形式为式3 6 ，d = fne 一 ，y 一 印咖例 (36g(uf ( xx o ( t ) yy o ( t ) ) d t ea x a y ) ，d 。l 出j ： 一 ，一 吖撕似州 ( ) 通过改变积分顺序以及傅里叶变换的平移性质，式3 6 变换成式3 7 g ( u ，v ) = f ，v ) e - j 2 x 嘞小咖t ) i d f ( 3 7 ) 从这里可以得出f ( u ，v ) 与r 无关。在此我们令h ( u ，v ) = ee - j 2 x 嘞。卜嘞( t ) l d t ，可以 将式3 7 转换成3 8 g ( u ，v ) = f ( u ，v ) h ( u ，v ) ( 3 8 ) 式3 8 则为图像退化模型。也可以根据是3 7 得出，匀速直线运动模糊为其的一 个特例。 以上描述了运动模糊的模型，但是扫描图像与单纯的运动模糊图像存在一定的 差别。可以看出运动模糊图像是成像设备与目标之间出现相对运动造成的，成像设 备一次将目标成像，而扫描成像与一次成像不同，因为扫描过程中可能是一段时间 源文件没有移动，而突然发生位移，造成中间过程模糊断裂，而以后又没有移动。 这时式3 7 并不适用，为了适合针对扫描成像过程中的模糊，本文建立了扫描成像运 动模糊模型。 根据上述，扫描成像过程中只有部分运动模糊，因此对式3 6 加入限定条件，令 薯x x ，以y y j 即x ，x ，】，y 【乃，少，】，则式3 6 变成式3 9 g ( 叩) = ff 【f ( x - - x o ( r ) ，y y o ( f ) 渺】e - j