（计算机系统结构专业论文）工程扫描仪软件中的图像色彩校正和去噪方法.pdf

摘要 摘要 工程扫描仪广泛应用于印刷、科研、医疗等领域，本研究来自于西安电子科 技大学海光数码公司工程扫描仪的设计与开发。该扫描仪的应用软件主要是依赖 于第三方图像处理软件来实现图像“导入”和处理等功能，为了更好的服务于本 系统，本文试图改变这样的现状，设计和开发了自主的扫描仪上层软件，并着重 研究其中的图像色彩校正和去噪方法。 本文首先介绍了扫描仪系统的硬件结构和软件结构以及图像数字化处理的基 本原理；其次详细介绍了扫描图像的色彩校正方法，并给出了叠加校正算法的设 计，提出并实现了一种色偏校正的算法；然后介绍了图像质量评价的基本方法并 分析了扫描仪图像中的噪声，接着简要介绍了一般的图像去噪方法；最后通过对 图像去噪方法的详细论述，引出了图像小波去噪的数学原理，重点论述了小波去 噪的实现方法。最终给出了一种适合工程扫描仪软件系统的图像去噪方法。 关键词：扫描仪色彩校正图像增强图像去噪 a b s t r a c t e n g i n e e r i n gs c a n n e rh a sm a d eaw i d eu i np r i n t i n g s c i e n t i f i c r e s e a r c ha n d m e d i c a lt r e a t m e n tf i e l d ，e t c t h i sr e s e a r c hc o m e sf r o mt h ed e s i g n i n ga n dd e v e l o p m e n t o fe n g i n e e r i n gs c a n n e ro fh i g h d i gc o m p a n yo fx i d i a nu n i v e r s i t y t h ea p p l i c a t i o n s o f t w a r eo ft h es c a n n e ri sm a i n l yd e p e n d e do nt h ef u n c t i o no fi m a g e i n p u t a n d p r o c e s s i n gb yt l l i r dp a r t yi m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r e w et r yt oc h a n g et h i ss i t u a t i o nf o r b e t t e rs e r v i n gt h i ss y s t e m ，t h e nd e s i g na n dd e v e l o pi t so w n u p p e rs o f t w a r e ，a n df o c u so n i m a g ec o l o rc o r r e c t i o na n dd e n o i s i n gm e t h o d sd u r i n gt h es y s t e m t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o t h v a r es t r u c t u r eo fs c a n n e rs y s t e m a n db a s i cp r i n c i p l e so fi m a g ed i g i t a l i z a t i o np r o c e s s i n g s e c o n d l yi td e t a i l e di n t r o d u c e s s c a n n i n gi m a g ec o l o rc o r r e c t i o nm e t h o d ，a n ds u p p l i e st h ed e s i g n i n go fi n t e g r a t i v e c o r r e c t i o na r i t h m e t i c ，a n dt h e nam e t h o do fi m a g ec o l o rd e f l e c t i o nc o r r e c t i o ni s p r e s e n t e da n di m p l e m e n t e d t h e ni t i n t r o d u c e sb a s i cm e t h o d s o fi m a g eq u a l i t y e v a l u a t i o na n da n a l y z e st h en o i s e sd u r i n gt h es c a n n e rs y s t e m ，a n db r i e f l yi n t r o d u c e s g e n e r a li m a g ed e n o i s i n gm e t h o d s a tl a s t ，t h r o u g ht h ed e t a i l e dd i s c u s s i o no fi m a g e d e n o i s i n gm e t h o d s ，w ee d u c et h em a t h st h e o r yo fw a v e l e ti m a g e d e n o i s i n g ，a n dw i t h e m p h a s e s d i s c u s st h er e a l i z a t i o nm e t h o d so fw a v e l e t d e n o i s i n g e v e n t u a l l ya n i m a g e - d e n o i s i n gm e t h o dt h a tf i t st ot h es o f t w a r es y s t e mo fe n g i n e e r i n gs c a n n e ri s p r e s e n t e d k e y w o r d ：s e a n n e r c o l o rc o r r e c t i o n i m a g ee n h a n c ei m a g e - d e n o i s i n g 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包括为获得西安电子科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作过 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：饵 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。本人保证 毕业离开学校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技 大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密 的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：绊 翩躲蜷 日期：型2 ：乏15 日期：坐6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源 如今越来越多的二维平面信息需要进行数字化的保存和管理，如绘画、平面 工艺品( 编织品、丝织品) 、乐谱、经卷、工程图纸等等。扫描仪作为准确而高效 的图像采集设备得到了广泛的应用。扫描仪是继键盘、鼠标之后的第三代计算机 输入设备【2 】，可将影像转换为计算机可以显示、编辑、储存和输出的数字格式，已 经被广泛应用到诸如测绘、机械、建筑、勘测、交通、城市规划、国土资源、印 刷、医疗、航天等各个领域。 随着计算机科学技术的发展，与电脑搭配的专用外设产品的需求日渐高涨， 扫描仪技术的发展十分迅速，其具体表现就是国际市场上扫描仪的种类繁多、型 号多种多样且功能各异，其中工程中需要的扫描仪的需求和发展更是得到了国内 外众多扫描仪厂商的高度关注。因为这样的扫描仪精度要求越来越高，工作环境 要求越来越复杂，使用范围越来越广阔，设计难度也越来越大，这些特点都使得 开发这样的扫描仪可获得更高的经济效益，但同时其中的设计难度又使得很多厂 商望而却步，仅仅止足于一般的家用扫描仪。目前国内市场上的大幅面工程扫描 仪并不多见，主要是从国外进口的，国内生产厂家很少。 由于军事应用领域和飞机、船舶工业的信息化发展要求，对大幅面扫描仪的 需求是很迫切的。本课题来源于海光数码公司大幅面彩色工程扫描仪的设计与开 发，它不仅满足了一般工程应用，且具有大幅面图像扫描的能力。由于数据量大， 对配套的计算机设备运算速度要求比较高，而相应的应用软件很少。现今，包括 本扫描仪在内的大多数国产工程扫描仪的上层应用软件都是使用第三方图像处理 软件来完成图像“导入”和处理等功能。为了更好的服务于本系统，本文试图改 变这样的现状，设计和实现了自主的扫描仪上层软件，并着重研究其中的图像色 彩校正和去噪方法，满足了一般工程扫描仪的实际使用需要。 1 2 本文主要工作和意义 本世纪是数字化的世纪，社会的各领域都在不同程度的数字化军事、测 绘、建筑、艺术等领域的数字化过程中，扫描仪起了很重要的作用。这些需求一 般都是通过进1 3 国外的大幅面扫描仪来满足，然而国外产品的价格很高，扫描质 2 工程扫描仪软件中的图像色彩校正和去噪方法 量也不能完全满足用户的要求。所以，研究和设计具有自主知识产权的工程扫描 仪具有非常好的社会价值和经济价值。 本文作者在该项目中主要从事扫描仪应用软件中的图像色彩校正和去噪方法 的研究。研究过程中，主要运用了数字图像处理知识、位图编程方法、数字信号 分析以及小波变换理论等。所设计的校正算法满足了一般图像处理对图像校正的 需要。在科研、生产、国防等众多领域对图像质量的要求越来越高的今天，探索 去噪算法以提高图像的质量有很大的实际意义。文中主要研究的图像去噪问题主 要具有以下特点：1 信噪比不能太低；2 信号和噪声的频带存在混叠的情况；3 噪 声信号可能是非平稳的随机过程。本研究来源于具体的工程应用，并且所开发的 工程扫描仪满足了实际的生产规格，并得以在市场上进行推广，可以满足工程领 域对扫描仪的需求。 1 3 论文的各章安排 第一章绪论简单介绍了大幅面工程扫描仪及其配套软件的发展现状和前景、 本论文的主要工作和意义及论文的组织结构。 第二章首先介绍了工程扫描仪的硬件结构和工作原理，以及图像数字化处理 的方法。最后介绍了该系统的软件结构。 第三章本章的内容是扫描图像的色彩校正。首先介绍了本软件中图像增强算 法的实现原理，然后给出了其中的亮度和对比度校正的试验步骤和最终校正结果， 设计了各种校正效果叠加的算法，最后提出并实现了一种色偏校正算法，然后进 行试验分析。 第四章首先介绍了图像的质量评价方法，然后分析了本扫描仪系统中图像噪 声的来源和性质，最后给出了图像噪声的分类和去噪的一般方法。 第五章分别从空间域和频率域来研究图像的去噪问题，详细论述了一些主要 的去噪方法，然后着重分析了小波变换的图像去噪原理，并结合理论实现了本章 中一些重要的算法，最后实现了一种比较适合工程扫描仪的图像去噪方法，解决 了本扫描仪系统对去除图像噪声的需要。 第六章对全文进行总结，提出进一步完善的方法。 第二章系统体系结构概述 第二章系统体系结构概述 本论文的主要工作是研究工程扫描仪上层软件中的图像色彩校正和去噪方 法，但在此之前，我们有必要先来了解整个扫描仪系统的工作原理，这对后面的 论述会有极大的帮助作用。首先我们来看它的硬件结构。 2 1 工程扫描仪系统硬件结构概述囝【5 】 扫描仪是除键盘和鼠标之外被广泛应用于计算机的输入设备，它能通过光电 器件将接收到的光信号转换为电信号，再将电信号通过模拟数字转换器转换为数 字信号传输到计算机中处理。目前扫描仪中最常用的光电器件为c c d 即电荷耦合 器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 。一个电荷耦合器件是一种由很多细小的探测器构成 的固态电子元件，这些探测器可以寄存模拟电荷量，其值正比于照射它的光强度。 当一行采样完成后，c c d 将电荷量发送给模，数转换器，将它转换为二进制数据， 接着又去采样下一行电荷量。不同的电荷耦合器件具有不同的光灵敏度和附加电 噪声，其质量与数量直接影响到扫描质量。简单的讲，扫描仪的功能就是对原稿 进行光学扫描，然后将光学图像变为模拟电信号，又将模拟信号变换成为数字信 号，最后送至计算机中。 按照扫描方式，扫描仪可分为平板式、滚筒式、馈纸式和手动式几种。工程 扫描仪一般采用平板式。平板式扫描仪对原稿几乎没有什么限制，使用起来很方 便，目前的最高光学分辨率己可达5 0 0 0 d p i 以上。 从性能方面看，工程扫描仪的分辨率普遍在2 4 0 0 d p i 以上，色彩位数在3 6 位 以上，扫描速度每分钟可完成5 页以上照片扫描，扫描对象既有反射稿也有透射 稿，扫描幅面既可扫描3 5 毫米的彩色负片也可以扫描a 3 以上大幅面彩色印刷图 像。平板式工程扫描仪是一款融合了多项扫描新技术、新工艺，具有较高光学分 辨率和较高扫描速度的传统扫描仪。它是通过稿件表面的反射光线来完成扫描成 像的，所以大都是反射稿式扫描方式。并配有动态范围控制、智能扫描、微步进 电机等扫描控制先进技术，既可以方便完成透射稿的丰富层次扫描，也可以极大 地提高扫描图像的质量。 下面来看一下扫描仪的工作原理，如图2 1 所示： 4工程扫描仪软件中的图像色彩校正和去噪方法 图2 1 扫描仪工作原理图 灯管发出光线，照射到扫描仪玻璃板上的反射稿件上，根据稿件不同地方亮 暗程度的不同，形成强弱不等的反射光线，然后通过一系列反射镜，聚焦在镜头 另一端的c c d 上，c c d 将光学信号转换为相应的电信号，即模拟信号，这些信号 最终通过a d 转换器转化为计算机所能识别的数字信号，然后经不同的接口输送 到计算机。整个扫描过程涉及到光学、机械、电子等不同方面，任何一个部件的 设计都会影响到最终的数字化结果。 ( 1 ) 灯管：对扫描仪而言，光源是非常重要的，因为c c d 上所感受的光线， 全部来自于扫描仪自身的灯管。光源不纯或偏色，会直接影响到扫描结果。 ( 2 ) 镜头：由反光镜反射的原稿图像需经过镜头投射到线性c c d 上。 ( 3 ) c c d ：目前大多数扫描仪采用的是c c d 感光技术。c c d 全称 c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ，c c d 芯片上有许多光敏单元( 几千到几万个光电三极管， 这些光电三极管分为三列，分别用红、绿、蓝三色的滤色镜罩住，光电三极管在 受到光线照射时可以产生电流，经放大后输出) 。它是扫描仪扫描成像装置中的核 心部件，是一种细长型的图像传感器，主要作用是将照射到c c d 上的光信号转换 成电信号。 ( 4 ) 其它机械传动装置部分：包括步进电机、驱动皮带、滑动导轨和齿轮组。 2 2 图像的数字化处理【1 9 】 扫描仪等各种图像采集设备的主要作用就是要完成图像的数字化处理。对于 连续图像，即空间分布和亮度取值均连续分布的图像，计算机无法接收和处理。 图像数字化就是将连续图像离散化，其工作包括两个方面：采样和量化。 所谓采样，就是把一幅连续图像在空问上分割成m x n 个网格，每个网格用 一亮度值来表示。由于结果是一个样点值阵列，故又叫点阵采样。采样把连续图 像变为离散的点状图像，这是图像进入计算机进行处理的重要步骤。 所谓量化，就是把采样点上对应的亮度连续变化区间转换为单个特定数码的 第二章系统体系结构概述 5 过程，即样点亮度的离散化。 连续图像经过采样、分层、量化、编码等步骤变成数字图像才能进入计算机 进行处理。数字图像可以使用一个( 或多个) 矩阵来表示，矩阵中的每个元素表示图 像中的一个像素的亮( 灰) 度值。黑白图像可用一个矩阵来表示，彩色图像要用一组 矩阵来表示。 图像数字化中的一个主要概念就是分辨率，一般分辨率越高，获得到的数字 图像就越清晰。 ( 1 ) 空间分辨率 空间分辨率是指网格在水平方向和垂直方向上分为多少格，通常空间分辨率 用水平方向m 格、垂直方向n 格表示，记为m x n 。每一个离散的点称为像素。 ( 2 ) 密度分辨率 一幅图像亮度层次变化多，则图像看起来越柔和越逼真。这个亮度层次的多 少称为密度分辨率，是由光学图像处理中的名称延续下来的。例如n 为2 时密度 分辨率称为四级；n 为8 时密度分辨率称为2 5 6 级。目前常用的是2 5 6 灰度级，相 当于8 位，其数值由0 到2 5 5 。一个图像在存储或处理时都采用一个以像素为位置、 灰度值为数组元素的矩阵表达式。 从模拟图像形成数字图像的过程可看出，一幅图像的空间分辨率越高，密度 分辨率越高，则图像的质量越好越逼真。但在计算机图像处理中这两项指标越高， 则占用的存储空间越多。 l图像处理软件 i 工 l i数据源管理器 j f i通信扫描界面 0 i 设备驱动软件 u i硬件电路 0 c c d 传感器 2 3 软件系统概述 应用软件 n 数据源管理器 一- n 一 i t w a i n 接e l i 用户 纠用户界面 l甜盟控” 图2 2 扫描仪系统结构图图2 3 工程扫描仪上层软件结构图 6 工程扫描仪软件中的图像色彩校正和去噪方法 扫描仪的软件系统包括两大部分：位于底层的设备驱动软件和位于上层的图 像处理软件。而且系统软件的设计符合t w a i n 规范，系统结构如图2 2 所示。 数据源模块在文件中是一个后缀名为d s 的动态链接库。图像处理软件( 如 p h o t o s h o p 圆等) 可以调用该动态链接库，直接获取图像数据。数据源模块的开发要 遵循t w i n 协议。因此我们的软件可以运行在任何符合该协议的扫描仪系统上。 我们所开发的部分主要是最上层的图像处理应用软件，如图2 3 所示。 本软件系统的开发和应用使得本系统可以脱离诸如p h o t o s h o 滞i 具的制约 而直接调用数据源模块，同时又根据扫描仪的特点设计了图像校正和图像处理模 块，省去了很多不必要和不方便的功能，增加了导入、色彩校正、曲线、纠斜、 灰度、消蓝、二值化和去噪等更加实用的功能。 2 4 本章小结 本章介绍工程扫描仪的工作原理，主要是硬件结构和软件系统的概述。中间 还简要介绍了图像数字化的基本原理和概念。 此章的目的是介绍扫描仪软件的背景知识，并且从总体上概述了工程扫描仪 的原理及设计方法，为后面的进一步论述打下基础。 第三章扫描图像色彩校正 7 第三章扫描图像色彩校正 图像在数字化的过程中，受到扫描仪本身以及各种外界因素的影响，可能会 造成原始图像的失真，比如亮度过低或过高，或者严重的偏色现象等。这就需要 对扫描获得的图像数据进行相应的校正，即图像色彩校正或称图像增强。图像增 强技术用于图像的改善包含两个方面的含义【2 】：从客观上讲，它可以提高图像的信 噪比；主观方面，可以使图像的某些特征更加容易辨认。下面主要介绍本软件系 统中的图像增强算法以及实现的具体步骤，并给出了使用该方法进行图像增强前 后的对比效果。特别是叠加和色偏校正算法具有一定的新颖性。 3 1 1 亮度的校正 3 1 扫描图像增强算法 亮度是指图像的明亮程度，对象素的亮度调整是一种基本的校正操作。一幅 图像，如果亮度太高，图像会发白；如果亮度太低，则会趋向于黑色。 图像的亮度由图像中每个象素的有效位来决定。对于用一个字节来表示一个 象素亮度的灰度图像来说，它的亮度等级就是2 的8 次方，即2 5 6 级。改变图像 的亮度，实质上也就是对图像的每个像素对应的字节做操作。对于一幅图像亮度 的改变，可以看成是所有象素的值的改变，也就是增加或减少。当提高亮度时， 就是将各个象素的值增加一个相应常数；降低亮度时，就是将各个象素的值减去 一个相应的常数。如果最终的操作使得某一点象素的值大于2 5 5 ，则取该点的象素 值为2 5 5 ，因为，比2 5 5 还大的像素点是没有意义的；同样，如果象素的值小于0 ， 就取0 。 一幅灰度图像可以用一个二维整数矩阵来表示，矩阵中的每个元素的值对应 到图像相应位置的像素的值，即灰度值。因此我们可以用符号厂( 墨力来表示一幅 图像，x 、y 分别对应着图像中像素点的横坐标和纵坐标。因此，对于亮度校正的 描述，我们可以形象的使用数学表达式( 3 1 ) 来定义。 f 0 ( x ，y ) + a - o g ( x ，y ) = f ( x ，y ) + a0 0 时，图像就会变亮；当a o ) 时，对应的输入输出关系如图3 1 右边所示，刚才斜率为l 的直线沿输出方 向平移了a 个单位，但最大值只能是2 5 5 ，所以右边部分的输出值都是2 5 5 。当 a o 时，对应直线的斜率慢慢变大，直线的斜率等于乏莩， 3 1 3 对比度的校正 2 5 5 0 图3 3 变暗的校正 入 对比度是屏幕上同一点最亮时( 白色) 与最暗时( 黑色) 亮度的比值，它反映了颜 色的艳丽程度。对比度大的图像，在最亮点与最暗点之间的层次少，看到的细节 也少；相反，对比度小的图像，层次多，看到的细节也多，图像显得平滑。 调整对比度参数可以看作是调整函数的斜率。对比度参数越大，斜率越大， l o工程扫描仪软件中的图像色彩校正和去噪方法 图像对比度改变司以用式( 3 - 4 ) 描述。 ，2 5 6 f ( x , y ) - 1 2 8 + 1 2 8 2 5 5 g c x ，y ，： 三三睁+ z s 。 三三! 嬲2 5 6 - d + ，2 s 0 时，对应直线的斜率慢慢变大，直线的斜率就等于 兰型一，但是它不再通过圆点，而是始终通过点( 1 2 8 ，1 2 8 ) ；当d 0 时，直线的 z ) o 一上， 斜率会慢慢变小，且始终通过点( 1 2 8 ，1 2 8 ) 。 2 5 52 5 5 1 2 8 02 5 501 2 82 5 5 图3 4 对比度的校正 3 1 4 叠加校正算法设计 校正算法的叠加，就是要使上述的各种校正能够同时对图像起作用。例如， 一幅图像有些暗淡而且对比度太低，我们校正的时候就需要先校正亮度，再校正 对比度( 顺序反过来也是可以的) 。如果这两种校正算法分别处于两个函数中，并 且每种校正维护一张校正表，就会造成亮度调整完后继续调整对比度的时候，图 像的颜色发生突变，而且最终不会得到用户想要的效果。处理这个问题的方法就 是要采用叠加校正，也就是说，要在一个公式中计算出所有校正的结果，而这个 结果始终要保存在同一张校正表中。我们采用式( 3 5 ) ： 气，r 训r2 瓦看丢石( 卜c ) “加吣0 8 素 式( 3 5 ) 式中v a l 是校正后的值( 存放在校正表里) ，a 、b 、c 、d 分别是亮度、加亮、 变暗和对比度的校正值。i = 0 ，1 ，2 ，3 2 5 5 。如果我们只校正亮度，即b = c = d = 0 ，则 第三章扫描图像色彩校正 l l v a l i = i + a ；如果我们只校正加亮，即a = c = d ：o ，贝t v a i i = 孬2 而5 6 + f 我们 可以看到，这个公式经过这样分解后和前面的算法公式实际上是一致的，也就是 说这一个公式就包含了亮度、加亮、变暗和对比度的校正。需要指出的是，这里 的对比度校正采用了简化的方法：- 令a = b = c = o ，v a l l2 f d c 。s 去f ，如图3 5 所示，两者的效果是非常近似的，都经过点( 1 2 s ，1 2 8 ) 。 2 5 5 1 2 8 0 _ - z ，： 输出 ， l j j e ，7 ： ；趋一 ， 1 2 82 5 5 ， ， ， 2 5 5 1 2 8 0 图3 5 对比度校正的简化 简化的目的是为了方便构造出叠加的计算公式( 3 5 ) 。 变暗校正也做了简化，令a = b = d = 0 ，贝1 | v a l , = 荔2 而5 6 【f c ) ，! n n i3 6 所示， 两者的效果是非常近似的。右图直线恒过点( 2 5 6 ，2 5 6 ) _ 和1 a ( c ，o ) ，斜率为盖。 02 5 5 2 5 5 c o 0 图3 6 变暗校正的简化 1 2 工程扫描仪软件中的图像色彩校正和去噪方法 3 2 亮度对比度校正试验方法和结果 对于2 4 位彩色图而言( 其它的不再详述) ，先定义变量u n s i g n e ds h o r t + mp g a m m a 3 ，它是一个指针数组。用来存放r g b 三个通道的校正后的值，我 们可以称它为校正表，如图3 7 。 r 通道：m j 3 g a m m a 0 = n e wu n s i g n e ds h o r t 2 5 6 s i z e o f ( s h o r ti n t ) 】； g 通道：m _ p g a m m a 1 = n e wu n s i g n e ds h o r t 2 5 6 + s i z e o f ( s h o r ti n t ) 】； b 通道：m _ p g a m m a 2 = n e wu n s i g n e ds h o r t 2 5 6 s i z c o f ( s h o r ti n t ) 】； m g a m m 邪，专回丑五五 三二三二工团三丑至习 m _ p g a m m a 1 - ) mo g a m m 啦，回丑玉五 三二三二工习碉 图3 7 校正表的数据结构 图中，每个格子( 以后称为单元) 大小为一个字节，它所能存放的整数范围 是0 到2 5 5 ，正好用来对应像素的灰度值。在没有任何校正的情况下( 或者校正值 为0 时) ，每个单元存放的值就是该单元的编号值，如图所示。例如第一个单元存 放的值为m _ p g a m m a o 0 = 0 ，最后一个单元是m _ p g a m m a 0 1 1 2 5 5 】= 2 5 5 。 进行亮度校正时，如果对r 通道单独进行校正，也就是单独校正红色的亮度 时，校正值为a ，则校正表的每个单元内容如图3 8 所示( 注意：当单元内的值大 于2 5 5 则取2 5 5 ，小于0 则取0 ) 。如果对r g b 总通道进行校正，则n lp g a m m a 1 】 和m _ p g a m m a 2 的内容同m _ p g a m m a 0 是一样的。 m p g a m m a o - ) mp g a m m a 1 - - ) m _ p g a m m a 2 + 图3 8 对r 通道单独校正，校正值为a 图像在每次重绘( w i n d o w s 编程中的概念) 时，都要使用校正表+ mp g a m m a 3 】 来校正。当然，在灰度图像中就只需要m 。pgamma1 下面是色彩校正的两个试验，第一幅图片经过扫描后的亮度有些偏暗，要使 用亮度校正，如图3 9 所示，亮度校正值a = 6 5 。 第二幅图像经过扫描后的对比度太大，要使用对比度校正，如图3 1 0 所示， 对比度校正值d = 一1 2 5 。 第三章扫描图像色彩校正 1 3 图3 9 亮度校正，校正值a = 6 5 ( t 图为校正后的) 图3 1 0 对比度校正，校正值d = - - 1 2 5 ( 右图为校正后的) 3 3 图像的色偏校正 色偏校正主要是为了处理图像经扫描后所产生的色偏现象，当然前面所述的 亮度等校正也是可以处理色偏的，只不过要考虑颜色通道的选择问题。首先我们 来了解色偏的含义。 色偏是指图像的颜色跟原有的色调不同，整幅图像或者局部总是偏向某种特 定颜色的现象。例如，风景图片总是偏于青色：而室内照一般都偏向于黄色。 以下是几种典型的色偏。 ( 1 ) 灯管作为光源，有时会产生偏绿的现象，这是因为荧光灯所发出的光看 起来是白色的，但实际上白色中含有强烈的颜色。 ( 2 ) c c d 质量的好坏以及老化现象也会导致严重的色偏。 ( 3 ) 一般显示器所显示的颜色是不能作为参考的，所以在一般显示器上发现 的色偏不一定是真实的，必须使用专业的显示器。 本文中图像的色偏校正使用的是色相( h u e ) 校正方法。 色相是色彩模式( c o l o rm o d e l s ) q b 的概念。色彩模式是用来提供将一种颜色转 1 4 工程扫描仪软件中的图像色彩校正和去噪方法 换成数字数据的方法，从而使颜色能够在多种媒体中得到连续的描述，能够跨平 台使用，比如从显示器到打印机，从m a c 机到p c 机。常见的色彩模式有：r g b 、 c m y k 、h s i 和l a b 等。 h s i 色彩模式中的h 表示色相、s 表示饱和度、i 表示明亮度，它是基于人对 颜色的感觉，将颜色看作由色相、饱和度、明亮度组成的，为将自然颜色转换为 计算机创建的色彩提供了一种直觉方法。 人眼看到的各种色彩都具有色相、饱和度和明度三种属性。我们可以把这三 种属性称为色彩的三要素。在色彩缤纷的世界里，我们可以区分红、绿、蓝等不 同特征的色彩，人们用不同的词语给这些不同特征的色彩命名，如红色、洋红色、 浅蓝色等等。当我们称呼某种颜色时就会联想到这种颜色的相貌来。所以，色相 就是颜色，即红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。色相实际上是指一种颜色在色盘上 所占的位置。色盘，是由十七世纪物理学家牛顿发明的，它以图解的形式阐述了 各种颜色在视觉上和科学上的相互关系。色相的单位是角度的单位，取值范围为0 到3 6 0 度之间。图3 1 1 可以帮助我们对h s i 色彩模式的理解。 图3 1 1( 左图) a 绿色b 黄色c 红色d 洋红e 蓝色f 青色 ( 右图) a 饱和度b 色相c 亮度 图3 1 1 左边( 称为色轮图) 告诉我们，处于相对位置的两种颜色为一对互补 色。例如，红色与青色、黄色与蓝色、绿色与洋红互为互补色。所谓互补，就是 色轮图中一种颜色的减少必然导致其互补色的增加。从色轮图还可以看出，每一 种颜色都可以由它两边的颜色混合得到。例如，洋红是由红色与蓝色混合得到的。 颜色常用色彩空间来表示，色彩空间是用一种数学方法形象化表示颜色。例 如，对于人来说，我们可以通过色相、饱和度和明度来定义颜色；对于显示设备 来说，人们使用红、绿和蓝的亮度来描述颜色；对于打印机和印刷设备来说，人 们使用青色、品红色、黄色和黑色的反射和吸收来产生指定的颜色。 色彩空问通常用三维模型来表示。色彩空间中的颜色通常用代表三个参数的3 维坐标来描述，其颜色要取决于所使用的坐标。图3 1 2 是r g b 模型和h s i 模型。 第三章扫描图像色彩校正 图3 1 2r g b 和h s i 模型 r g b 和h s l 只是不同的表示方法，它们描述颜色的范围是一样的，因此具有 确定的转换关系。r g b y h s i 转换的算法如下( h s i 专r g b 的转换算法略) ： ，= ；( 尺+ g + b ) s = i - 3 r a i n ( r , g , b ) r + g + b 胃：口g 那归c 。s j 【2 7 r 0 g 0 ，则这些点在色轮上就会沿着逆时针 方向旋转e 度；如果e 0 ，则这些点就会在色轮上沿着顺时针方向旋转一e 度。e 的取值范围是从一1 8 0 到+ 1 8 0 ，这样取值的目的是使这种旋转动作能够正好形成 一个圆。 红色 图3 1 3 在色轮上的旋转 如图3 1 3 ，我们先看e 为0 到1 2 0 的情况，此时，所有的点在色轮上会沿逆 时针方向旋转e 度。当e = 1 2 0 时，如果图像上某点恰巧为红色，旋转后的结果就 是它将变成绿色；如果某点恰巧为绿色，旋转后它将变成蓝色，而蓝色的点会变 成红色。当e = 6 0 时，原先是红色的点就会变成黄色，原先是黄色的点就会变成 绿色依此类推。而当e 为一1 2 0 度的时候，所有的点在色轮上会沿顺时针方向 旋转1 2 0 度，那么原先是红色的点就会变成蓝色 对于这些特殊的校正值e ，我们通过色轮图就可以看出校正前后图像的大致变 化趋势。而对于那些非特殊的校正值e ，我们可以认为，像素点的r g b 值是线性变 化的，这样我们就可以通过公式来计算在任何校正值下的所有像素点的校正结果。 例如我们知道当e = 1 2 0 时，色轮逆时针旋转1 2 0 度，原先红色的点会变成绿色， 绿色变蓝色，蓝色变红色，即r - ) g 、g - ) b 、b 专r 。当e 取值为从0 到1 2 0 之间变 化时，r 会随之缓慢变到g ，g 会缓慢变到b ，而b 会缓慢变到r 。这样的变化，我 们可以用式子( 3 7 ) 来描述： ，r ：星二! + e + ， 1 2 0 昭= 害e + gg g 。面产+ 式( 3 7 ) lb b ：上旦e + b 1 2 0 式中r ，g ，b 分别代表原图各点的r g b 值，r r ，g g ，b b 是色相校正后的r g b 值。 第三章扫描图像色彩校正1 7 色相校正的主要实现代码如下： f o r ( i n ti = 0 ，i n h e i g h t ；i + + ) f o r ( i n tj = 0 ；j = 0 & e = 1 2 0 & & e 1 8 0 ) ( r r = g g = b b = b g r b g r 1 2 0 1 2 0 1 2 0 e 1 2 0 e 一1 2 0 e 1 2 0 e l s ei f ( e = 一1 2 0 ) r r = g g = b b = e l s e r r = g g = b b = b r r g g b g b b - r r g 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 1 2 0 一e e e e e e + r + g + b + g + b + r 一1 2 0 一1 2 0 一1 2 0 + b + r + g l 运行效果如图3 1 4 和图3 1 5 。图3 1 4 是扫描后的原始图像，它的色彩有些发 紫、发红。图3 1 5 是经过校正后的图像，校正值e = 1 1 2 。 1 8工程扫描仪软件中的图像色彩校正和去噪方法 图3 1 4 未经偏色校正的，校正值e = 0 图3 1 5 经过偏色校正的，校正值e = 1 1 2 3 4 本章小结 本章首先介绍了图像增强算法的实现原理，然后给出了其中的亮度和对比度 校正的试验步骤和最终校正结果，设计了校正效果叠加的算法，最后提出并实现 了一种色偏校正算法。这些都是专业图像处理软件的必备功能，但是本文提出的 实现方法是比较特别的，效率是可以满足本工程扫描仪实际应用的。 第四章图像质量评价方法和扫描仪噪声分析 1 9 第四章图像质量评价方法和扫描仪噪声分析 4 1 图像质量评价方法概述【1 刀 图像处理系统其信息的主体是图像，衡量这个系统的重要指标，就是图像的 质量。例如在图像编码中，就是在保持被编码图像一定质量的前提下，以尽量少 的码字来代表图像，以便节省信道和存储容量。图像增强就是为了改善图像的主 观视觉显示质量。图像复原则用于补偿图像的降质。这些都要求有一个合理的图 像质量评价方法。 图像质量的包括两方面：一个是图像的逼真度。即被评价图像与原标准图像 的偏离程度；一个是图像的可懂度，是指图像能向人或机器提供信息的能力。最 理想的情况是能够找出图像逼真度和图像可懂度的定量描述方法，以作为评价图 像和设计图像系统的依据。但是，由于目前对人的视觉系统性质还没有充分理解， 对人的心理因素还找不出定量分析方法。因而用得较多、最具权威性的还是主观 评价方法。 4 1 1 图像的主观评价 图像的主观评价就是通过人来对图像的优劣作主观评定，然后对评分进行统 计平均得出评价的结果。评价出的图像质量与观察者的特性及观察条件等因素有 关。为保证主观评价在统计上有意义，选择观察者时既要考虑有未受过训练的观 察者，又要考虑有对图像技术有一定经验的观察者。另外，参加评分的观察者至 少要有2 0 名，测试条件应尽可能与使用条件相匹配。 国际上通行的5 级评分的质量尺度和妨碍尺度，如表4 1 所示。它是由观察者 根据自己的经验，对被评价图像做出质量判断。 表4 1图像质量主观评价，两种尺度的图像5 级评分 妨碍尺度得分质量尺度 无觉察 5 非常好 刚觉察 4 好 觉察但不讨厌 3 一般 讨厌 2 差 难以观看 l 非常差 2 0 工程扫描仪软件中的图像色彩校正和去噪方法 4 1 2 图像的客观评价 在一些研冗场合，我们也希望对图像质量有一个定量的客观描述。图像质量 的客观评价有多种方法，这里介绍的是一种经常使用的逼真度测量。对于彩色图 像逼真度的定量表示是一个十分复杂的问题。目前应用得较多的是对黑白图像逼 真度的定量表示。合理的测量方法应和主观实验结果一致，而且要求简单易行。 对于连续图像场合，设( x ，y ) 为一定义在矩形区域一l x l ，一l y l 的 连续图像，其降质图像为7 ( x ，y ) ，它们之间的逼真度可用归一化的函数k 来表示： ，丘，丘，厂( ) 7 ( x ，y ) d ，d ， 扯壹了瓦矿 却山 对于数字图像场合，设，( ，七) 为原参考图像，7 r 式。；国 【f ( x ，y )其它 式中t 是一个规定的非负阈值，当一些点和它们邻值的差值不超过规定的t 阈值时，仍保留这些点的像素灰度值。这样处理后的图像比直接采用公式( 5 1 ) 的 模糊度要小。当某些点的灰度值与各邻点灰度的均值差别较大时，它很可能是噪 声，则取其邻域平均值作为该点的灰度值，它的处理效果仍然是很好的。 为了克服简单局部平均的弊病，目前己提出许多保留边沿细节的局部平滑算 法。它们讨论的重点都在如何选择领域的大小，形状和方向，如何选择参加平均 的点数以及邻域各点的权系数等1 1 。”。 5 1 2 低通滤波法 一噶i i 咤那卸 5 1 3 多幅图像平均法【1 7 】 多幅图像平均法是利用对同一景物的多幅图像取平均来消除噪声。设原图像 为f ( x ，y ) ，图像噪声为加性噪声n ( x ，y ) ，则有噪声的图像g y ) 可表示为： 第五章扫描图像去噪方法 g ( x ，y ) = f ( x ，y ) + n ( x ，y )式( 5 4 ) 若图像噪声是互不相关的加性噪声，且均值为0 ，则 f ( x ，y ) = f 4 9 c x ，y ) j 式( 5 5 ) 其中e g ( x ，y ) j 是g ( x ，) ，) 的期望值，对m 幅有噪声的图像经平均后有： 。 厂( z ，y ) = e k ( x ，j ，) 】“虱z ，y ) = 苦g ，( x ，y ) 式( 5 6 ) 1 i = 1 当m 增大时，g ( x ，力将更加接近于f ( x ，y ) 。 多幅图像取平均处理常用于摄像机的视频图像中，用以减少电视摄像机光电 摄像管或c c d 器件所引起的噪声。这时对同一景物连续摄取多幅图像并数字化， 再对多幅图像平均，一般选用8 幅图像取平均，这种方法的实际应用中的难点在 于如何把多幅图像配准起来，以便使相应的像素能正确地对应排列。 5 1 4 中值滤波法 1 9 7 4 年，t u r k e y 针对离散数据平滑问题首先提出了中值滤波的概念，其后这 种新的滤波思想很快就被引入到一些重要的数字信号处理领域，其中图像处理是 最主要的一个方面。 当标准中值滤波器用于解决图像恢复问题时，人们注意到它有两个独特的性 能【1 7 1 ：能较好地保护图像细节( 图像灰度发生突变的地方) ；有很好的韧性( 或 鲁棒性) ，能较好地抑制远偏离高斯型的，甚至不完全独立于有用信号的各种噪声。 这些性能是人们所熟悉的线性滤波器所不具备的。为了解释标准中值滤波器的这 些性能，人们开始研究标准中值滤波的特性，并且取得了许多重要结论。理论分 析和实际应用的结果都使人们相信中值滤波器在图像处理中有独到的优势。正是 这样，使得中值滤波算法得到了越来越广泛的应用。 中值滤波是一种非线性滤波，由于它在实际运算过程中并不需要图像的统计 特性，所以比较方便。中值滤波首先是被应用在一维信号处理技术中，后来被二 维图像信号处理技术所引用。在一定的条件下，可以克服线性滤波器所带来的图 像细节模糊，而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声最为有效【1 ”。但是对一些细节 多，特别是点、线、尖顶细节多的图像不宜采用中值滤波的方法。 ( 1 ) 中值滤波的基本原理 中值滤波就是一个含有奇数点的滑动窗口，将窗口正中那点的值用窗口内各 点灰度的中值代替。假设窗口有5 点，其灰度值分别为8 0 ，9 0 ，2 0 0 ，1 1 0 ，1 2 0 ，那么 此窗口内5 个点的中值即为1 l o ，中值滤波器的结果就是将中间的灰度值由原来的 工程扫描仪软件中的图像色彩校正和去噪方法 2 0 0 换为1 1 0 。 设有一个一维序列z ，厶，正。取窗口长度为m ( m 为奇数) ，对此序列进行 中值滤波，就是从输入序列中相继抽出m 个数：六一， + ，其 中i 为窗口的中心位置，v = ( m - i ) 2 ，再将这m 个点按其数值大小排列，取其序号 为正中间的那个数作为滤波输出，用数学公式表示为： z = m e d 以