圖像變換與表示技術(shù)及其在影像資料修復(fù)與增強(qiáng)中的應(yīng)用.pdf

1、自1822年攝影技術(shù)誕生以來(lái),人類社會(huì)積累了海量的珍貴影像。這些影像資料往往含有噪聲、劃痕、低分辨率、低對(duì)比度等多種退化問題,需要對(duì)其進(jìn)行修復(fù)和增強(qiáng)。影像修復(fù)與增強(qiáng)問題的研究,不僅可以推動(dòng)影像資料數(shù)字化修復(fù)技術(shù)的發(fā)展,而且對(duì)其他視覺文化遺產(chǎn)的數(shù)字化修護(hù)也具有一定的借鑒意義,對(duì)搶救文化遺產(chǎn)、傳承人類文明、推動(dòng)文化產(chǎn)業(yè),具有重要的社會(huì)價(jià)值、廣闊的產(chǎn)業(yè)前景。同時(shí),該研究涉及一系列圖像信號(hào)的分析和病態(tài)問題的求解等難題,有著豐富的科學(xué)內(nèi)涵。這些問

2、題的突破將拓寬數(shù)字媒體智能處理的理論研究邊界,具有重要的科學(xué)意義。
　　圖像信號(hào)的變換和表示技術(shù)是影像修復(fù)和增強(qiáng)的關(guān)鍵技術(shù)。影像修復(fù)和增強(qiáng)通常需要對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行變換操作以得到更有效的表示方式。變換的方式可以分為針對(duì)信號(hào)結(jié)構(gòu)特征的幾何型變換,例如傅里葉變換、小波變換等,以及以直方圖統(tǒng)計(jì)為代表的統(tǒng)計(jì)型變換。將信號(hào)從原來(lái)所在的空間映射到其他空間可以從多個(gè)角度分析信號(hào)的特征挖潛蘊(yùn)藏在信號(hào)中的內(nèi)在信息,有助于建立圖像的統(tǒng)計(jì)或幾何模型,分析圖

3、像的統(tǒng)計(jì)特性或結(jié)構(gòu)特性。本文針對(duì)影像資料普遍存在的結(jié)構(gòu)性損傷、褪色和對(duì)比度下降、分辨率低這三類問題,從幾何和統(tǒng)計(jì)的角度研究圖像信號(hào)的變換和表示技術(shù),分別提出了基于波原子變換的結(jié)構(gòu)性損傷修復(fù)算法、針對(duì)圖像增強(qiáng)的廣義均衡模型、基于分形分析的圖像超分辨率及紋理增強(qiáng)算法等新理論和新技術(shù)。
　　首先,本文介紹并分析了一種名為波原子變換的幾何型變換技術(shù),提出了基于波原子變換的影像結(jié)構(gòu)性損傷修復(fù)算法。面對(duì)影像資料中多種損傷,如噪聲、劃痕、斑塊,

4、共同存在的復(fù)雜情況,傳統(tǒng)的去噪算法并不能有效地修復(fù)影像中的結(jié)構(gòu)性損傷。為了得到更好的修復(fù)結(jié)果,我們將波原子變換引入影像資料修復(fù)問題。我們利用波原子變換的兩大特性,即對(duì)高維信號(hào)的方向性和對(duì)震蕩信號(hào)的稀疏性,設(shè)計(jì)了基于波原子變換的迭代軟閾值算法用于去除電影中的劃痕和噪聲,并且以此為核心結(jié)合非參數(shù)模型完成了針對(duì)電影劃痕、噪聲和斑塊的全套自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明,基于波原子變換的結(jié)構(gòu)性損傷修復(fù)算法可以有效地去除圖像中的結(jié)構(gòu)性噪聲和干擾,相比現(xiàn)有的

5、算法,在影像修復(fù)和圖像去雨問題上得到了更好的結(jié)果。
　　其次,針對(duì)基于直方圖的統(tǒng)計(jì)型變換技術(shù),本文提出了一種廣義均衡模型及相關(guān)的圖像增強(qiáng)算法?，F(xiàn)有的圖像增強(qiáng)算法,如圖像直方圖均衡,往往會(huì)對(duì)圖像造成過度增強(qiáng)。而且,由于圖像對(duì)比度和色調(diào)之間的復(fù)雜關(guān)系,現(xiàn)有算法在增強(qiáng)對(duì)比度的同時(shí)容易造成圖像色調(diào)的畸變。為了解決上述問題,我們對(duì)圖像的直方圖統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行了深入研究,提出了基于直方圖的廣義均衡模型。該模型有效地統(tǒng)一了基于直方圖的對(duì)比度增強(qiáng)和白

6、平衡算法――在不同的參數(shù)配置下,基于該模型的圖像增強(qiáng)算法可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。更重要的是,該模型對(duì)應(yīng)的算法可以有效地避免傳統(tǒng)增強(qiáng)算法經(jīng)常造成的過度增強(qiáng)和色彩畸變問題。實(shí)驗(yàn)證明,基于直方圖廣義均衡模型的增強(qiáng)算法對(duì)于圖像對(duì)比度增強(qiáng),白平衡以及色調(diào)調(diào)整問題都有顯著的效果,對(duì)于欠曝光圖像、色偏圖像以及老照片等退化圖像得到了理想的修復(fù)和增強(qiáng)效果。
　　除了對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的分析、改進(jìn)和應(yīng)用,本文還深入研究新的圖像模型和表示技術(shù),進(jìn)一步提出了一種基于

7、分形分析的圖像模型,并將其應(yīng)用于圖像超分辨率和紋理增強(qiáng)。傳統(tǒng)的圖像超分辨率技術(shù)不能很好的恢復(fù)圖像的邊緣和紋理區(qū)域,容易造成圖像的過度平滑。而且,由于大部分算法都是統(tǒng)計(jì)模型,其參數(shù)的選擇往往是經(jīng)驗(yàn)性的。在本文中,我們從幾何的角度出發(fā),將圖像的像素集作為分形集進(jìn)行建模,將圖像的梯度作為該分形集的測(cè)度。根據(jù)分形維數(shù)的雙李普希茲不變性,我們可以進(jìn)一步得到分形維數(shù)的尺度不變性,并以此為先驗(yàn)將上述分形圖像模型應(yīng)用于單幀圖像的超分辨率問題。此外,通過