中值滤波器设计及椒盐噪声滤除

信号处理工程实验 1 题目四 中值滤波器设计及椒盐噪声滤除题目四 中值滤波器设计及椒盐噪声滤除 一 实验背景实验背景 在数字图像的生成与采集过程中 由于受工作环境 器件等性能的影响 使得一幅 未经处理的原始图像 都存在着一定的噪声干扰 这种噪声具有以下性质 1 图像上的噪声出现处呈现不规则分布 2 噪声的大小也是不规则的 这些噪声恶化了图像质量 使图像模糊甚至淹没目标特征 给后续的处理分析带来了困 难 因此需要对图像应该进行滤除噪声处理 二 二 实验目的实验目的 1 通过利用c 程序实现数字信号处理的相关功能 巩固对信号处理原理知识的理解 培养快速解决实际问题的能力提高实际编程和处理数据的综合能力 初步培养在解决 信号处理实际应用问题中所应具备的基本素质和要求 2 培养独立思考的能力与研发能力 通过设计实现不同的信号处理问题 初步掌握 在给定条件和功能的情况下 实现合理设计算法结构的能力 3 提高资料查询和整理的能力 能够在短时间内找到适合自己的方法 并在文献整 理的过程中学会科技文献的写作 提高语言表达能力 三 三 实验内容实验内容 1 理解什么是椒盐噪声 中值滤波的原理及其特性 2 设计一种中值滤波 对椒噪声滤波有效 并分析滤波器的适用范围 3 扩展训练 扩展训练 对设计的滤波器针对椒 盐噪声滤除分别进行测试 并进行性能比较分 析 并讨论椒 盐噪声频度 噪声数目占图像实际像素的百分比 对滤波器实际效果的 影响 四 实验原理四 实验原理 1 椒盐噪声 椒盐噪声又称脉冲噪声 是由图像传感器 传输信道 解码处理等产生的黑白相 间的亮暗点噪声 椒盐噪声往往由图像切割引起 椒盐噪声的 PDF 是 如果 b a 灰度值 b 在图像中将显示为一个亮点 a 的值将显示为一个暗点 若 或 为零 则脉冲噪声称为单级脉冲 如果 和 均不为零 尤其是他们近似相等时 脉冲噪声值将类似于随机分布在图像上的胡椒和盐粉微粒 其他0 bzP azP zp b a a P b P a P b P 信号处理工程实验 2 形象的说 椒噪声在图像上是类似于黑胡椒颗粒的小点 而盐噪声在图像上是类似 于白色盐粒的小点 2 平滑化去噪声思想 如何从一副有噪声的图像中把噪声去除呢 此时 因有随机噪声而把像素的真值 隐藏起来 而不被知晓 可表现为图像变暗而不清楚 我们的目的是要把干扰的噪声 除去 得到视觉清晰的图像 如右图 噪声的浓度与其周围像素的浓度 间 存在着很大的浓度差 使人觉得 很刺眼 利用噪声的这种性质除去噪声的方法 一般称 为平滑化 smoothing 3 中值滤波的原理及特性 中值滤波在图像处理中 常用于用来保护边缘信息 是一种经典的平滑噪声的方法 1 中值滤波原理 中值滤波是基于排序统计理论的一种能有效抑制噪声的非线性信号处理技术 中 值滤波的基本原理是把数字图像或数字序列中一点的值用该点的一个拎域中各点值的 中值代替 让周围的像素值接近的真实值 从而消除孤立的噪声点 方法是去某种结 构的二维滑动模板 将板内像素按照像素值的大小进行排序 生成单调上升 或下降 的为二维数据序列 二维中值滤波输出为g x y med f x k y l k l W 其中 f x y g x y 分别为原始图像和处理后图像 W 为二维模板 通常为 2 2 3 3 区域 也可以是不同的的形状 如线状 圆形 十字形 圆环形等 2 中值滤波器 中值滤波器 用该像素相邻像素的灰度中值来代替该像素的值 实现方法 a 通过从图像中的某个采样窗口取出奇数个数据进行排序 位于采样窗中间的 中值作为输出 tsgmedianyxf xy Sts 信号处理工程实验 3 b 丢弃最早的值 用排序后的中值取代要处理的数据即可 3 中值滤波特性 中值滤波是图像处理中的一个常用步骤 它对于斑点噪声和椒盐噪声来说尤其有 用 中值滤波方法以牺牲图像清晰度为代价消除图像中的椒盐噪声 中值滤波不能 保证把噪声去除 只能在有限的范围内减弱噪声对图像的影响 同时 中值滤波不能 多次使用 因为这样会使图像各个像素间趋于相同 整个图像就会变得越来越模糊 另外 通过查阅资料 发现 中值滤波器的效果不仅仅和观察窗的大小有关 还和 观察窗的形状有关 五五 实实验验步步骤骤 1 根据题目要求 先画出程序的流程图 开始 输入图像并存 入内存 判别行i 根据窗口计 算出新的像 素点 判别列j 根据新的像素 点输出图像 结束 未完 未完 结束 结束 信号处理工程实验 4 2 源程序 1 1 基础训练部分 基础训练部分 include include unsigned char pBmpBuf NULL 读入图像数据的指针 unsigned char pBmpBuf2 NULL 读入图像数据的指针 int bmpWidth 图像宽度 int bmpHeight 图像高度 RGBQUAD pColorTable 颜色表指针 int biBitCount 图像类型 每像素的位数 读程序可读取 8 24 位图 本实验是对 8 位灰度图进行操作 满足要求 bool readBmp char bmpName int ImageWidth int ImageHeight int i j 行列数 BYTE B 分别对应图像的 RGB 本实验中 RGB 相等 故意义不大 BYTE R BYTE G FILE fp fopen bmpName rb 打开文件 if fp 0 return 0 fseek fp sizeof BITMAPFILEHEADER 0 找出头文件 BITMAPINFOHEADER head fread ImageWidth head biWidth 图像宽度赋值 ImageHeight head biHeight 图像高度赋值 bmpWidth ImageWidth bmpHeight ImageHeight biBitCount head biBitCount int lineByte bmpWidth biBitCount 8 3 4 4 一行中信息点字节 if biBitCount 8 pColorTable new RGBQUAD 256 fread pColorTable sizeof RGBQUAD 256 fp pBmpBuf new unsigned char lineByte bmpHeight fread pBmpBuf 1 lineByte bmpHeight fp 开空间 B NULL B BYTE malloc sizeof BYTE bmpHeight for i 0 i bmpHeight i B i BYTE malloc sizeof BYTE bmpWidth 信号处理工程实验 5 if B NULL printf fail to malloc B n exit 0 G NULL G BYTE malloc sizeof BYTE bmpHeight for i 0 i bmpHeight i G i BYTE malloc sizeof BYTE bmpWidth if G NULL printf fail to malloc G n exit 0 R NULL R BYTE malloc sizeof BYTE bmpHeight for i 0 i bmpHeight i R i BYTE malloc sizeof BYTE bmpWidth if R NULL printf fail to malloc R n exit 0 读图像的 RGB if biBitCount 8 for i 0 i bmpHeight 50 i for j 0 j bmpWidth 50 j B i j pBmpBuf i lineByte j G i j pBmpBuf i lineByte j R i j pBmpBuf i lineByte j printf B d G d R d n B i j G i j R i j else if biBitCount 24 for i 0 i bmpHeight 100 i for j 0 j bmpWidth 100 j 信号处理工程实验 6 B i j pBmpBuf i lineByte j 3 0 G i j pBmpBuf i lineByte j 3 1 R i j pBmpBuf i lineByte j 3 2 printf B d G d R d n B i j G i j R i j fclose fp 释放空间 for i 0 i bmpHeight i free B i free B B NULL for i 0 i bmpHeight i free G i free G G NULL for i 0 i bmpHeight i free R i free R R NULL return 1 bool writeBmp char bmpName int ImageWidth int ImageHeight unsigned char imgBuf pBmpBuf2 if imgBuf return 0 int colorTablesize 0 if biBitCount 8 colorTablesize 1024 int lineByte ImageWidth biBitCount 8 3 4 4 FILE fp fopen bmpName wb if fp 0 return 0 BITMAPFILEHEADER fileHead fileHead bfType 0 x4D42 fileHead bfSize sizeof BITMAPFILEHEADER sizeof BITMAPINFOHEADER colorTab lesize lineByte ImageHeight fileHead bfReserved1 0 fileHead bfReserved2 0 fileHead bfOffBits 54 colorTablesize 信号处理工程实验 7 fwrite BITMAPINFOHEADER head head biBitCount biBitCount head biClrImportant 0 head biClrUsed 0 head biCompression 0 head biHeight ImageHeight head biPlanes 1 head biSize 40 head biSizeImage lineByte ImageHeight head biWidth ImageWidth head biXPelsPerMeter 0 head biYPelsPerMeter 0 fwrite if biBitCount 8 fwrite pColorTable sizeof RGBQUAD 256 fp fwrite imgBuf ImageHeight lineByte 1 fp fclose fp return 1 void Med int i j a b BYTE p 9 s int lineByte bmpWidth 3 4 4 计算一行中储存信息的字节数 pBmpBuf2 new unsigned char lineByte bmpHeight memcpy pBmpBuf2 pBmpBuf lineByte bmpHeight 将原图复制 观察窗取 3 3 的矩形窗 for i 1 i bmpHeight 2 i 边缘不进行处理 for j 3 j bmpWidth 3 3 j j 3 每一个像素点由 RGB 三个字节组成 故一个单元为三字节 相对应改变就需要将列数值 j 设为每三字节取一次 取原图像中该点周围的一个矩形部分 p 0 pBmpBuf i 1 lineByte j 3 p 1 pBmpBuf i 1 lineByte j p 2 pBmpBuf i 1 lineByte j 3 p 3 pBmpBuf i lineByte j 3 p 4 pBmpBuf i lineByte j p 5 pBmpBuf i lineByte j 3 p 6 pBmpBuf i 1 lineByte j 3 p 7 pBmpBuf i 1 lineByte j p 8 pBmpBuf i 1 lineByte j 3 排序 for a 0 a 5 a 信号处理工程实验 8 for b a 1 bp b s p a p a p b p b s pBmpBuf2 i lineByte j p 4 取中值 void main char readPath 输入图像 bmp readBmp readPath bmpWidth bmpHeight printf width d height d biBitCount d n bmpWidth bmpHeight biBitCount Med char writePath 输出图像 bmp writeBmp writePath bmpWidth bmpHeight delete pBmpBuf delete pBmpBuf2 if biBitCount 8 delete pColorTable 2 2 扩展训练部分 扩展训练部分 include include unsigned char pBmpBuf NULL 读入图像数据的指针 unsigned char pBmpBuf2 NULL 读入图像数据的指针 2 unsigned char pBmpBuf3 NULL 读入图像数据的指针 3 int bmpWidth int bmpHeight RGBQUAD pColorTable 颜色表指针 int biBitCount 图像类型 每像素的位数 bool readBmp char bmpName int ImageWidth int ImageHeight 信号处理工程实验 9 int i j BYTE B BYTE R BYTE G FILE fp fopen bmpName rb if fp 0 return 0 fseek fp sizeof BITMAPFILEHEADER 0 BITMAPINFOHEADER head fread ImageWidth head biWidth ImageHeight head biHeight bmpWidth ImageWidth bmpHeight ImageHeight biBitCount head biBitCount int lineByte bmpWidth biBitCount 8 3 4 4 if biBitCount 8 pColorTable new RGBQUAD 256 fread pColorTable sizeof RGBQUAD 256 fp pBmpBuf new unsigned char lineByte bmpHeight fread pBmpBuf 1 lineByte bmpHeight fp 开空间 B NULL B BYTE malloc sizeof BYTE bmpHeight for i 0 i bmpHeight i B i BYTE malloc sizeof BYTE bmpWidth if B NULL printf fail to malloc B n exit 0 G NULL G BYTE malloc sizeof BYTE bmpHeight for i 0 i bmpHeight i G i BYTE malloc sizeof BYTE bmpWidth if G NULL printf fail to malloc G n exit 0 信号处理工程实验 10 R NULL R BYTE malloc sizeof BYTE bmpHeight for i 0 i bmpHeight i R i BYTE malloc sizeof BYTE bmpWidth if R NULL printf fail to malloc R n exit 0 读图像的 RGB if biBitCount 8 for i 0 i bmpHeight 50 i for j 0 j bmpWidth 50 j printf B d G d R d n pBmpBuf i lineByte j pBmpBuf i lineByte j pBmpBuf i lineByte j B i j pBmpBuf i lineByte j G i j pBmpBuf i lineByte j R i j pBmpBuf i lineByte j printf B d G d R d n B i j G i j R i j else if biBitCount 24 for i 0 i bmpHeight 100 i for j 0 j bmpWidth 100 j printf B d G d R d n pBmpBuf i lineByte j 3 0 pBmpBuf i line Byte j 3 1 pBmpBuf i lineByte j 3 2 B i j pBmpBuf i lineByte j 3 0 G i j pBmpBuf i lineByte j 3 1 R i j pBmpBuf i lineByte j 3 2 printf B d G d R d n B i j G i j R i j 信号处理工程实验 11 fclose fp 释放空间 for i 0 i bmpHeight i free B i free B B NULL for i 0 i bmpHeight i free G i free G G NULL for i 0 i bmpHeight i free R i free R R NULL return 1 bool writeBmp char bmpName int ImageWidth int ImageHeight unsigned char imgBuf pBmpBuf2 if imgBuf return 0 int colorTablesize 0 if biBitCount 8 colorTablesize 1024 int lineByte ImageWidth biBitCount 8 3 4 4 FILE fp fopen bmpName wb if fp 0 return 0 BITMAPFILEHEADER fileHead fileHead bfType 0 x4D42 fileHead bfSize sizeof BITMAPFILEHEADER sizeof BITMAPINFOHEADER colorTab lesize lineByte ImageHeight fileHead bfReserved1 0 fileHead bfReserved2 0 fileHead bfOffBits 54 colorTablesize fwrite BITMAPINFOHEADER head head biBitCount biBitCount head biClrImportant 0 head biClrUsed 0 head biCompression 0 head biHeight ImageHeight 信号处理工程实验 12 head biPlanes 1 head biSize 40 head biSizeImage lineByte ImageHeight head biWidth ImageWidth head biXPelsPerMeter 0 head biYPelsPerMeter 0 fwrite if biBitCount 8 fwrite pColorTable sizeof RGBQUAD 256 fp fwrite imgBuf ImageHeight lineByte 1 fp fclose fp return 1 bool writeBmp2 char bmpName int ImageWidth int ImageHeight unsigned char imgBuf pBmpBuf3 if imgBuf return 0 int colorTablesize 0 if biBitCount 8 colorTablesize 1024 int lineByte ImageWidth biBitCount 8 3 4 4 FILE fp fopen bmpName wb if fp 0 return 0 BITMAPFILEHEADER fileHead fileHead bfType 0 x4D42 fileHead bfSize sizeof BITMAPFILEHEADER sizeof BITMAPINFOHEADER colorTab lesize lineByte ImageHeight fileHead bfReserved1 0 fileHead bfReserved2 0 fileHead bfOffBits 54 colorTablesize fwrite BITMAPINFOHEADER head head biBitCount biBitCount head biClrImportant 0 head biClrUsed 0 head biCompression 0 head biHeight ImageHeight head biPlanes 1 head biSize 40 head biSizeImage lineByte ImageHeight head biWidth ImageWidth head biXPelsPerMeter 0 head biYPelsPerMeter 0 fwrite 信号处理工程实验 13 if biBitCount 8 fwrite pColorTable sizeof RGBQUAD 256 fp fwrite imgBuf ImageHeight lineByte 1 fp fclose fp return 1 void Med int i j x y BYTE p 5 s int lineByte bmpWidth 3 4 4 pBmpBuf2 new unsigned char lineByte bmpHeight memcpy pBmpBuf2 pBmpBuf lineByte bmpHeight for i 1 i bmpHeight 2 i for j 3 j bmpWidth 3 3 j j 3 p 0 pBmpBuf i 1 lineByte j p 1 pBmpBuf i lineByte j 3 p 2 pBmpBuf i lineByte j p 3 pBmpBuf i lineByte j 3 p 4 pBmpBuf i 1 lineByte j for x 0 x 3 x for y x 1 yp x s p y p y p x p x s pBmpBuf2 i lineByte j p 2 左下角为黑色 int i j int lineByte bmpWidth biBitCount 8 3 4 4 for i 0 i bmpHeight 2 i for j 0 j bmpWidth 2 j pBmpBuf i lineByte j 0 信号处理工程实验 14 int x y BYTE p 9 s BYTE lpTemp new BYTE bmpWidth bmpHeight 中值滤波 int i j for y 1 y bmpHeight 1 y for x 3 x bmpWidth 3 3 x p 0 lpBits x 3 y 1 bmpWidth p 1 lpBits x y 1 bmpWidth p 2 lpBits x 3 y 1 bmpWidth p 3 lpBits x 3 y bmpWidth p 4 lpBits x y bmpWidth p 5 lpBits x 3 y bmpWidth p 6 lpBits x 3 y 1 bmpWidth p 7 lpBits x y 1 bmpWidth p 8 lpBits x 3 y 1 bmpWidth for j 0 j 5 j for i j 1 ip i s p j p j p i p i s lpTemp x y bmpWidth p 4 lpBits lpTemp void Med2 int i j x y BYTE p 9 s int lineByte bmpWidth 3 4 4 pBmpBuf3 new unsigned char lineByte bmpHeight memcpy pBmpBuf3 pBmpBuf lineByte bmpHeight for i 2 i bmpHeight 2 i 信号处理工程实验 15 for j 6 j bmpWidth 3 6 j j 3 p 0 pBmpBuf i 2 lineByte j p 1 pBmpBuf i 1 lineByte j p 2 pBmpBuf i lineByte j 6 p 3 pBmpBuf i lineByte j 3 p 4 pBmpBuf i lineByte j p 5 pBmpBuf i lineByte j 3 p 6 pBmpBuf i lineByte j 6 p 7 pBmpBuf i 1 lineByte j p 8 pBmpBuf i 2 lineByte j for x 0 x 5 x for y x 1 yp x s p y p y p x p x s pBmpBuf3 i lineByte j p 4 void main char readPath 输入图像 bmp readBmp readPath bmpWidth bmpHeight printf width d height d biBitCount d n bmpWidth bmpHeight biBitCount Med Med2 char writePath 输出图像 1 bmp writeBmp writePath bmpWidth bmpHeight char writePath2 输出图像 2 bmp writeBmp2 writePath2 bmpWidth bmpHeight delete pBmpBuf delete pBmpBuf2 delete pBmpBuf3 if biBitCount 8 delete pColorTable 信号处理工程实验 16 六 实验效果及分析六 实验效果及分析 1 1 基础训练部分 基础训练部分 输入图像输入图像 输出图像输出图像 5 5 次中值滤波后输出图像次中值滤波后输出图像 原图像原图像 信号处理工程实验 17 根据实验结果可以看出 中值滤波法能将图片中的椒盐噪声很好地滤除掉 但与原 图相比 清晰度也有了很大的损失 这也验证了中值滤波的特性 中值滤波方法以牺牲 图像清晰度为代价消除图像中的椒盐噪声 中值滤波不能保证把噪声去除 只能在有 限的范围内减弱噪声对图像的影响 同时 中值滤波不能多次使用 因为这样会使图 像各个像素间趋于相同 整个图像就会变得越来越模糊 2 2 扩展训练部分 扩展训练部分 1 通过查阅资料 我们了解到 中值滤波器的效果不仅 和观察窗的大小有关 还和 观察窗的形状有关 观察窗大小和形状对中值滤波效果的影响观察窗大小和形状对中值滤波效果的影响 输入图像 5 格十字窗 可以看出 使用 5 格十字窗口虽然对噪声 有一定的滤除作用 但效果有些不尽人意 9 格十字窗 信号处理工程实验 18 当使用 9 格十字窗口时效果变好 但仍有一些噪声点 3 3 矩形窗 通过对比我们发现通过对比我们发现 两个同样用 9 格窗口的滤波器的效果相近 当使用十字窗口时 图像的边缘部分有一部分仍然清晰 但有一部分却变得毛躁 整个图像也在颜色变化时 呈现出条纹状 为取得更为平滑的图像效果 我们使用 5 5 的矩形窗作为观察窗进行滤波 5 5 矩形窗 信号处理工程实验 19 由实验输出结果看出 在图像的中间除下面瓶子的瓶口处仍有一些盐噪声还明显 其 余处的滤波效果非常明显 但由于中值滤波的观察窗开的较大 导致图像清晰度受到了 很大的损失 所以 我们在选择观察窗的时候 要进行综合考虑