CN112288643A - 图像去噪方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种图像去噪方法及系统,属于图像处理技术领域,本发明的系统包括:第一去噪模块,利用全变分图像去噪算法(TV算法)预处理图像的椒盐及部分高斯混合噪声;第二去噪模块,利用基于非局部均值的NL‑Means算法再次去除图像中的高斯噪声。本发明相对于传统的滤波方法,两个去噪模块的结合将呈现出更好的去噪效果及有利于保护图像的细节;并且其处理的力度不同,更具有分类处理的特点,滤波效果更佳。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理方法领域,具体涉及一种图像去噪方法及系统。
背景技术
日常生活中,人们使用和传输的图像往往会受到外界的干扰而产生噪 声,使原本的图像质量下降变成带有噪声的图像。图像噪声包含的种类有很 多,最常见的是椒盐噪声和高斯噪声。往往图像会受到这两种噪声的干扰, 变成带有椒盐噪声、高斯噪声或是二者混合噪声的图像,这种带有噪声图像 的图像会影响人们对于图像的识别和使用。所以,在数字图像的处理中,过 滤噪声、改善图像的细节,对于提升图像的识别度和使用度有着重要的意义。
对于椒盐噪声和高斯噪声两种噪声,前人提出了很多处理方式。对于处 理椒盐噪声,比较具有代表性的方式有中值滤波法,即采用像素点邻域的灰 度值中值代替该像素点的灰度值,优点是方便快捷简单高效,缺点是需要对 每个像素点进行处理,会影响原本正常灰度值的像素点,容易丢失细节。对 于高斯噪声,比较有代表性的处理方式是取均值降方差,即对多幅图像进行 均值处理,使得图像噪声的方差变为原来的1/N,这种处理方式影响了后来 很多的高斯噪声处理方法,但其本身处理效果一般,不能很好地除去大面积 高斯噪声。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种不仅能去除噪声,而且同时能更 好的还原图像本身细节特点的图像去噪方法及系统。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
图像去噪方法,包括以下步骤:
步骤1、输入待处理图像,对待处理图像进行预处理,得到预处理图像;
步骤2、利用全变分图像去噪算法将预处理图像去噪转化成一个求能量 函数的最小化问题模型,使得图像达到平滑状态,引入各向异性扩散方程用 于图像去噪,预处理图像的椒盐及部分高斯混合噪声,在平滑噪声的同时使 图像边缘得到保持,得到第一处理图像;
步骤3、利用非局部平均的NL-Means算法对第一处理图像进行第二次处 理,寻找第一处理图像中每个待处理像素点邻域附近相似度接近的邻域,并 计算相似度接近的邻域中心像素点的权重,计算出各个权重值与对应像素点 灰度值的乘积,然后将各乘积相加作为待处理像素点的灰度值,完成对待处 理像素点的处理,对第一处理图像中每个像素点进行处理,最后得到去噪完 成的图像。
进一步的,所述步骤2中具体包括以下步骤:
其中,f为待处理去噪图像,Ω为图像的定义域,(x,y)为定义域Ω内 的像素点坐标;
此模型同时需满足约束条件:
其中,f0为原始不含噪声图像;
步骤2.2、步骤2.1中的minTV(f)最小化模型可等价为,
其中,第1项为数据保真项,第2项为正则化项,参数λ为规整参数;
由上式导出的欧拉一拉格朗日方程为:
用差商代替偏导数,可得离散迭代格式为:
其中fi,j表示图像f在像素点xi=iH,yj=jH的灰度值,Δt为时间步长, H为空间步长,p为迭代次数,迭代p次后,得到第一处理图像。
进一步的,所述步骤3中的非局部平均的NL-Means算法包括以下步骤:
步骤3.1、在第一处理图像中选择像素点x,将第一处理图像进行大小 分块处理,小块为以像素点X为中心的(2n+1)×(2n+1)邻域,大块为以像素点 X为中心的(2N+1)×(2N+1)邻域,N>n,即大邻域涵盖前面小块邻域 (2n+1)×(2n+1)的范围;
步骤3.2、在大块邻域中选取以像素点Y为中心的(2n+1)×(2n+1)的邻域 V(Y),V(Y)不能包括像素点X,且V(Y)在大块邻域范围内,判别像素点X的 (2n+1)×(2n+1)邻域V(X)与V(Y)的相似度:
其中,ω(X,Y)为相似度,Z(X)为归一化系数,h为平滑参数,V(X)和 V(Y)分别代表以X像素点和以Y像素点为中心的(2n+1)×(2n+1)矩形邻域, ||V(X)-V(Y)||2为X,Y两个邻域的高斯加权欧式距离;求取的结果ω(X,Y)作为 像素点Y的权重取值;
步骤3.3、对大块邻域中每个符合要求的像素点Y计算权重取值,将每 个已计算权重的像素点Y的灰度值与其对应的权重取值相乘,得到每个像素 点Y对应的灰度值权重,然后对大块邻域中所有每个符合要求的像素点Y的 灰度值权重进行求和,得到替换灰度值,将像素点X的灰度值用替换灰度值 进行替换;
步骤3.4、对图像中的所有像素点进行上述步骤3.1-3.3的处理,直到对 所有像素点处理完成,得到处理完成的图像。
图像去噪系统,包括预处理模块、第一处理模块和第二处理模块,所述 预处理模块用于对待处理的该图像进行预处理,得到预处理图像;
所述第一处理模块用于利用全变分图像去噪算法将预处理图像去噪转 化成一个求能量函数的最小化问题模型,使得图像达到平滑状态,引入各向 异性扩散方程用于图像去噪,预处理图像的椒盐及部分高斯混合噪声,在平 滑噪声的同时使图像边缘得到保持,得到第一处理图像;
所述第二处理模块用于利用非局部平均的NL-Means算法对第一处理图像 进行第二次处理,寻找第一处理图像中每个待处理像素点邻域附近相似度接 近的邻域,并计算相似度接近的邻域中心像素点的权重,计算出各个权重值 与对应像素点灰度值的乘积,然后将各乘积相加作为待处理像素点的灰度 值,完成对待处理像素点的处理,对第一处理图像中每个像素点进行处理, 最后得到去噪完成的图像。
本发明的有益效果为:1)相对于传统的图像去噪处理方法,本发明去噪 的效果更好,能够更好的还原图像本身的特点和细节;2)先对图像噪声进行 预处理,对进一步的去噪处理更有帮助,预处理覆盖性广,使进一步的去噪 更具有针对性,最后得到的去噪效果更好。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图;
图2为本发明的系统示意图;
图3为本发明的方法与常用去噪方法对加入混合高斯噪声和椒盐噪声进 行去噪处理后的结果对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本 发明,并非用于限定本发明的范围。
图像去噪方法,包括以下步骤:
步骤1、输入待处理图像,对待处理图像进行预处理,得到预处理图像;
步骤2、利用全变分图像去噪算法将预处理图像去噪转化成一个求能量 函数的最小化问题模型,使得图像达到平滑状态,引入各向异性扩散方程用 于图像去噪,预处理图像的椒盐及部分高斯混合噪声,在平滑噪声的同时使 图像边缘得到保持,得到第一处理图像;
步骤3、利用非局部平均的NL-Means算法对第一处理图像进行第二次处 理,寻找第一处理图像中每个待处理像素点邻域附近相似度接近的邻域,并 计算相似度接近的邻域中心像素点的权重,计算出各个权重值与对应像素点 灰度值的乘积,然后将各乘积相加作为待处理像素点的灰度值,完成对待处 理像素点的处理,对第一处理图像中每个像素点进行处理,最后得到去噪完 成的图像。
作为一种实施方式,所述步骤2中具体包括以下步骤:
其中,f为待处理去噪图像,Ω为图像的定义域,(x,y)为定义域Ω内 的像素点坐标;
此模型同时需满足约束条件:
其中,f0为原始不含噪声图像;
步骤2.2、步骤2.1中的minTV(f)最小化模型可等价为,
其中,第1项为数据保真项,第2项为正则化项,参数λ为规整参数;
由上式导出的欧拉一拉格朗日方程为:
用差商代替偏导数,可得离散迭代格式为:
其中fi,j表示图像f在像素点xi=iH,yj=jH的灰度值,Δt为时间步长,H 为空间步长,p为迭代次数,迭代p次后,得到第一处理图像。
作为一种实施方式,所述步骤3中的非局部平均的NL-Means算法包括 以下步骤:
步骤3.1、在第一处理图像中选择像素点x,将第一处理图像进行大小 分块处理,小块为以像素点X为中心的(2n+1)×(2n+1)邻域,大块为以像素点 X为中心的(2N+1)×(2N+1)邻域,N>n,即大邻域涵盖前面小块邻域 (2n+1)×(2n+1)的范围;
步骤3.2、在大块邻域中选取以像素点Y为中心的(2n+1)×(2n+1)的邻域 V(Y),V(Y)不能包括像素点X,且V(Y)在大块邻域范围内,判别像素点X的 (2n+1)×(2n+1)邻域V(X)与V(Y)的相似度:
其中,ω(X,Y)为相似度,Z(X)为归一化系数,h为平滑参数,V(X)和 V(Y)分别代表以X像素点和以Y像素点为中心的(2n+1)×(2n+1)矩形邻域, ||V(X)-V(Y)||2为X,Y两个邻域的高斯加权欧式距离;求取的结果ω(X,Y)作为 像素点Y的权重取值;
步骤3.3、对大块邻域中每个符合要求的像素点Y计算权重取值,将每 个已计算权重的像素点Y的灰度值与其对应的权重取值相乘,得到每个像素 点Y对应的灰度值权重,然后对大块邻域中所有每个符合要求的像素点Y的 灰度值权重进行求和,得到替换灰度值,将像素点X的灰度值用替换灰度值 进行替换;
步骤3.4、对图像中的所有像素点进行上述步骤3.1-3.3的处理,直到对 所有像素点处理完成,得到处理完成的图像。
图像去噪系统,包括预处理模块、第一处理模块和第二处理模块,所述 预处理模块用于对待处理的该图像进行预处理,得到预处理图像;
所述第一处理模块用于利用全变分图像去噪算法将预处理图像去噪转 化成一个求能量函数的最小化问题模型,使得图像达到平滑状态,引入各向 异性扩散方程用于图像去噪,预处理图像的椒盐及部分高斯混合噪声,在平 滑噪声的同时使图像边缘得到保持,得到第一处理图像;
所述第二处理模块用于利用非局部平均的NL-Means算法对第一处理图 像进行第二次处理,寻找第一处理图像中每个待处理像素点邻域附近相似度 接近的邻域,并计算相似度接近的邻域中心像素点的权重,计算出各个权重 值与对应像素点灰度值的乘积,然后将各乘积相加作为待处理像素点的灰度 值,完成对待处理像素点的处理,对第一处理图像中每个像素点进行处理, 最后得到去噪完成的图像。
图3为本发明与常用去噪方法对加入混合高斯噪声和椒盐噪声进行去噪 处理后的结果对比图(混合噪声强度为0.1),其中图(a)为原图,图(b)为对 图(a)加入混合噪声后的图像,图(c)为利用均值滤波法对图(b)进行滤波的 结果图,图(d)为利用中值滤波法对图(b)进行处理的结果图,图(e)为利用 本发明对图(b)进行处理的结果图。
对比不同噪声处理方式的结果可知,本发明拥有更好的去噪效果并且能 够更好的保护图像的细节。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明 的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发 明的保护范围之内。
Claims (4)
1.图像去噪方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、输入待处理图像,对待处理图像进行预处理,得到预处理图像;
步骤2、利用全变分图像去噪算法将预处理图像去噪转化成一个求能量函数的最小化问题模型,使得图像达到平滑状态,引入各向异性扩散方程用于图像去噪,预处理图像的椒盐及部分高斯混合噪声,在平滑噪声的同时使图像边缘得到保持,得到第一处理图像;
步骤3、利用非局部平均的NL-Means算法对第一处理图像进行第二次处理,寻找第一处理图像中每个待处理像素点邻域附近相似度接近的邻域,并计算相似度接近的邻域中心像素点的权重,计算出各个权重值与对应像素点灰度值的乘积,然后将各乘积相加作为待处理像素点的灰度值,完成对待处理像素点的处理,对第一处理图像中每个像素点进行处理,最后得到去噪完成的图像。
2.根据权利要求1所述的图像去噪方法,其特征在于,所述步骤2中具体包括以下步骤:
其中,f为待处理去噪图像,Ω为图像的定义域,(x,y)为定义域Ω内的像素点坐标;
此模型同时需满足约束条件:
其中,f0为原始不含噪声图像;
步骤2.2、步骤2.1中的minTV(f)最小化模型可等价为,
其中,第1项为数据保真项,第2项为正则化项,参数λ为规整参数;
由上式导出的欧拉一拉格朗日方程为:
用差商代替偏导数,可得离散迭代格式为:
其中fi,j表示图像f在像素点xi=iH,yj=jH的灰度值,Δt为时间步长,H为空间步长,p为迭代次数,迭代p次后,得到第一处理图像。
3.根据权利要求1所述的图像去噪方法,其特征在于,所述步骤3中的非局部平均的NL-Means算法包括以下步骤:
步骤3.1、在第一处理图像中选择像素点x,将第一处理图像进行大小分块处理,小块为以像素点X为中心的(2n+1)×(2n+1)邻域,大块为以像素点X为中心的(2N+1)×(2N+1)邻域,N>n,即大邻域涵盖前面小块邻域(2n+1)×(2n+1)的范围;
步骤3.2、在大块邻域中选取以像素点Y为中心的(2n+1)×(2n+1)的邻域V(Y),V(Y)不能包括像素点X,且V(Y)在大块邻域范围内,判别像素点X的(2n+1)×(2n+1)邻域V(X)与V(Y)的相似度:
其中,ω(X,Y)为相似度,Z(X)为归一化系数,h为平滑参数,V(X)和V(Y)分别代表以X像素点和以Y像素点为中心的(2n+1)×(2n+1)矩形邻域,||V(X)-V(Y)||2为X,Y两个邻域的高斯加权欧式距离;求取的结果ω(X,Y)作为像素点Y的权重取值;
步骤3.3、对大块邻域中每个符合要求的像素点Y计算权重取值,将每个已计算权重的像素点Y的灰度值与其对应的权重取值相乘,得到每个像素点Y对应的灰度值权重,然后对大块邻域中所有每个符合要求的像素点Y的灰度值权重进行求和,得到替换灰度值,将像素点X的灰度值用替换灰度值进行替换;
步骤3.4、对图像中的所有像素点进行上述步骤3.1-3.3的处理,直到对所有像素点处理完成,得到处理完成的图像。
4.图像去噪系统,其特征在于,包括预处理模块、第一处理模块和第二处理模块,所述预处理模块用于对待处理的该图像进行预处理,得到预处理图像;
所述第一处理模块用于利用全变分图像去噪算法将预处理图像去噪转化成一个求能量函数的最小化问题模型,使得图像达到平滑状态,引入各向异性扩散方程用于图像去噪,预处理图像的椒盐及部分高斯混合噪声,在平滑噪声的同时使图像边缘得到保持,得到第一处理图像;
所述第二处理模块用于利用非局部平均的NL-Means算法对第一处理图像进行第二次处理,寻找第一处理图像中每个待处理像素点邻域附近相似度接近的邻域,并计算相似度接近的邻域中心像素点的权重,计算出各个权重值与对应像素点灰度值的乘积,然后将各乘积相加作为待处理像素点的灰度值,完成对待处理像素点的处理,对第一处理图像中每个像素点进行处理,最后得到去噪完成的图像。
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