运动模糊图像复原方法的研究 汪闯

毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目：运动模糊图像复原方法的研究学院：数理学院专业名称：应用物理学学号：200941220105学生姓名：汪闯指导教师：余宏生教授2013年5月18日毕业设计（论文）0摘要运动模糊图像的复原是图像复原中较常见也是较难的一类，匀速直线运动模糊图像复原的关键在于确定其点扩散函数，即运动模糊方向和长度的鉴别两个方面。将原图像视为各向同性的一阶马尔科夫过程，通过对当今部分算法的研究，对算法执行过程中计算量和鉴别精度两方面做了比较。关键词运动模糊；点扩散函数；直线模糊；逆滤波；维纳滤波；最小二乘方滤波法；AbstractTherestorationofmotion-blurredimagesisafamiliarandalsodifficulttypeinimagerestoration，Thekeyproblemofrestoringconstant-speedstraight-linemotion-blurredimagesliesintheestimationofPSF，identifymotionblurdirectionandlength．TheoriginalimageobeysisotropyMarkovprocesswithrankone，andthroughtheresearchofsomealgorithms,comparethealgorithmimplementationprocesscalculationaccuracyandidentifytwoaspects.Keywordsmotionblur;PSF;straightlinemotion-blur;inversefilter；Wienerfilter;least-squareresidualfiltermethod;毕业设计（论文）1目录第一章绪论................................................21.1课题背景............................................21.2课题的目的和意义....................................21.3国内外发展现状及分析................................31.3.1运动模糊图像复原方法研究的现状.................31.3.2运动模糊图像研究的发展趋势.....................41.4主要研究内容........................................5第二章图像复原的一般原理..................................62.1图像退化\复原处理的模型.............................62.2图像复原中的一些基本概念............................72.3图像复原的一些常用方法.............................10第三章匀速直线运动造成的运动模糊图像的复原方法...........153.1匀速直线运动造成图像模糊的特点.....................153.2匀速直线运动造成图像模糊的退化函数.................15第四章实验结果及分析.....................................17第五章前景与展望.........................................20致谢....................................................22参考文献..................................................21毕业设计（论文）2第一章绪论1.1课题背景[1]图像复原是数字图像处理中一个重要课题。它的主要目的是使给定图像的质量有所改善，并尽可能复原图像。图像在形成、传输过程中，受很多因素影响，使得图像的质量会有不同程度的下降，其表现有图像模糊、有噪声、失真等，我们将这一图像质量下降的过程，称之为图像的退化。图像复原的目的就是利用复原方法尽可能的恢复被退化图像的原貌。我们知道，引起图像退化有很多原因。比如，物体与成像设备之间相对运动、外部干扰、成像器材所具有的固有缺陷等。当人们在拍摄照片时，手持照相机抖动，结果得到的景物图像是模糊的。再加上其它一些环境因素的影响，会在成像之后造成噪声干扰。我们的视觉系统对于噪声的敏感程度要远高于我们的听觉系统，这就是为什么声音传播中的噪声也降低了质量，但时常我们是无法感知的。但是景物图像中的噪声却与此不同，即使很小也比较容易被我们敏锐的视觉系统感知。还原图像的原貌是图像复原的最终目的。在刑事取证、交通系统中图像的某些关键信息是至关重要的，但是在军事侦察、公安、工业监视、医学、银行、交通和日常生活中，常常因摄像设备的系统失真或设备与目标的相对运动造成图像的模糊，使信息提取变得很困难。运动模糊图像的复原在现代生活中应用越来越普遍，比如违规车辆车牌的辨识、快速移动的人群中识别出犯罪嫌疑人、以及在公安刑事的影像资料之中提取证明或者进行技术的鉴定等等，像上述日常生活之中的重要应用，基本都需要使用运动模糊图像的复原技术来尽可能地去除失真，恢复图像原貌。因此研究运动造成图像模糊的复原技术更具有重要的现实意义。1.2课题的目的和意义图像复原是图像处理中的重要内容，其主要目的是改善图像的质量，研究如何利用退化图像复原出真实的图像。造成图像的退化有很多的原因，性质各不相同，目前还没有统一的复原方法。如果在摄像时，如果相机与景物之间存在足够大的相对运动，而造成图像的模糊则称其为运动模糊。这样所得图像中的景物，我们称其毕业设计（论文）3为运动模糊图像。运动模糊是成像过程之中普遍存在的问题，且在生活中普遍存在，给人们的实际生活带来了诸多不便。近些年来，关于运动模糊图像的复原处理已成为国内外研究的热点之一，同时也产生了部分行之有效的解决方法。但是这些算法在不同的情况下复原的效果有所不同。因为这些算法大多都是其作者在一些特定假定的前提条件下提出的，然而实际中得到的模糊图像却不一定可以满足这些算法的前提，或者满足其部分的前提。作为一个比较实用的图像复原系统，就需要提供多种图像复原算法，使用户能够根据不同情况来选择最适合的算法，以获得最理想的复原效果。图像复原的关键问题是知道图像的退化过程，也就是要知道图像的退化模型，并由此采取逆过程求得原始的图像。由此可知，运动造成图像退化的现象是非常普遍的，但是大多的日常应用领域却需要高质量清晰的图像，所以退化图像的复原处理具有非常重要的现实意义。随着计算机主动视觉技术和机器视觉的发展，成像系统的传感器也必然要越来越多的安装于运动平台之上，这将导致各种运动造成模糊图像，也为运动模糊图像的复原技术的应用提供了极大的空间。综上所述，无论在日常生活还是国防军工领域，运动造成图像模糊的现象普遍存在，这给我们的生活和航空侦察等造成诸多不便，所以很有必要对运动模糊图像的复原算法做深入研究。1.3国内外发展现状及分析1.3.1运动模糊图像复原方法研究的现状数字图像处理的研究工作有很大部分是在图像恢复方面进行的，去卷积(逆滤波)在六十年代中期，开始广泛地应用于数字图像的恢复。Nathan采用二维去卷积的方法处理由探索者、漫游者等外星探索设备得到的图像。同一时期，Harris采用点扩散函数PSF(PointSpreadFunction)的解析模型，将望远镜图像中因大气扰动造成的图像模糊进行去卷积的处理，Mcglamery则是采用由实验室里确定的点扩散函数对大气扰动去卷积。一时之间，去卷积成了模糊图像恢复的标准技术。但后来发现，这种方法对噪声特别敏感，在噪声较大的情况下，图像的恢复效果就不明显。一般图像中，邻近的像素点之间具有高度相关性，再次为了减少噪声带来的干扰。Helstrom采用最了小均方误差估计的方法，提出了熟知的维纳滤波器[2]后来毕业设计（论文）4Canon提出了功率谱均衡滤波器[3]，它和维纳滤波器类似，但是在某些情况下，其恢复性能明显优于维纳滤波器[4]。对于那些空间位移引起的模糊，直接而且有效的恢复方法是进行坐标变换恢复。对退化的图像进行空间几何变换，这样得到的模糊函数是具有空间不变性的。然后我们采用一般的空间不变恢复方法对其进行恢复，再用逆变换将模糊的图像恢复为原始图像。Huang和Rabbins对彗星的图像进行了这种处理[5]。Sawchuk研究了由于非线性运动、像散和像场弯曲造成的退化图像。对于空间位移引起的退化图像，在所需的几何变换已知的情况下，恢复是相当有效的[6]。但是许多模糊图像的系统是非线性的系统，把非线性的系统简化为线性的系统，采用线性恢复方法，虽然简化了很多计算量且便于实现，但是在某些情况下，恢复出来的模糊图像的效果并不是很好，于是有人就提出非线性图像的恢复技术，这些方法中最著名的要数EM算法。1974年Besag把马尔可夫场(MRF)引入到图像处理领域中，目前MRF已经在图像恢复、分割、分类等方面被广泛应用。MRF实质上是一个条件概率模型，再结合贝叶斯准则，把问题转化为求解模型的最大概率估计，进而归结为求解最小能量函数的优化组合问题。Zhou首先把HNN(HopfieldNeuralNetwork)应用到模糊图像的恢复中，他提出一种叫ZCVJ的算法，该算法能够保证HNN收敛的稳定的收敛性[7]。但是这种方法的收敛却时间较长。后来Katsaggelos和Pajk提出了改进的MHNN(ModifiedHopfieldneuralnetwork)来进行灰度图像的恢复[8]。2000年，Mesarovie，Galatsanos，Katsaggelos等人对部分模糊图像信息已知的情况，提出用条件概率贝叶斯的EA(evidenceanalysis)算法进行模糊图像的盲恢复[9]，它的本质是一种迭代算法，计算量同样非常大。对匀速直线运动和匀速圆周直线运动的研究已经比较成熟，只是在提高计算速度和精度上还需进一步改进。1.3.2运动模糊图像研究的发展趋势图像恢复的研究发展到今天，已经有了大量成熟的算法，但还是存在着许多问题，等待着我们解决。现在图像恢复最新的发展有[10,11]：1)非稳定图像复原—空间可变的图像复原。2)运动补偿的时空复原滤波，同时将时间相关性应用到运动补偿中。3)“Telemedicine的出现，现代远程诊断技术，极大依赖于我们远程所接受到的图像质量，图像的恢复在现代医学领域之中具有极其重要的应用。4)模糊点扩散函数（PSF）的确定仍然是一个难题，尤其对那些空间可变的点扩毕业设计（论文）5散函数的估计。1.4主要研究内容对于图像复原技术的研究，关键在于确定其点扩散函数和消除图像噪音，以便最大限度的恢复图像的本来面貌，本文主要对图像复原的一般方法进行论述，比较不同方法的处理效果，最后针对一种特殊的运动模糊图像的复原—匀速直线运动造成的图像模糊复原，进行了重点研究。因其普遍性和一般性，而且非直线、变速的运动在一些条件下可以分解成分段的匀速直线运动。因此，我们只要解决了匀速直线运动造成图像模糊的复原问题，非直线、变速的运动造成的模糊图像的复原问题就相对容易解决。毕业设计（论文）6第二章图像复原的一般原理2.1图像退化\复原处理的模型【12】图像模糊的原因很多，这里我们主要讨论平移运动造成图像模糊，他和其他原因一样可以用退化函数把退化的过程模型化，再和与加性噪声一起，作用于一幅输入图像),(yxf，产生退化的图像),(yxg：),()],([),(yxyxfHyxg（2-1）图1图像退化模型若H是线性的、空间不变的过程，则在空间域退化图像通过下式给出：),(),(),(),(yxyxfyxhyxg（2-2）其中，),(yxh是退化函数的空间表示，用来表示卷积。空间域的卷积和