RU2623898C2 - Method of removal of noise on raster images based on full variation - Google Patents
Method of removal of noise on raster images based on full variation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2623898C2 RU2623898C2 RU2015151623A RU2015151623A RU2623898C2 RU 2623898 C2 RU2623898 C2 RU 2623898C2 RU 2015151623 A RU2015151623 A RU 2015151623A RU 2015151623 A RU2015151623 A RU 2015151623A RU 2623898 C2 RU2623898 C2 RU 2623898C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- noise
- image
- images
- restriction
- gaussian
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
- G06F17/17—Function evaluation by approximation methods, e.g. inter- or extrapolation, smoothing, least mean square method
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T5/00—Image enhancement or restoration
Landscapes
- Image Processing (AREA)
- Apparatus For Radiation Diagnosis (AREA)
- Picture Signal Circuits (AREA)
Abstract
Description
Данное изобретение относится к области обработки изображений и может быть использовано для устранения шума на растровых изображениях в научно-технической сфере, медицине, биологии и т.д.This invention relates to the field of image processing and can be used to eliminate noise on raster images in the scientific and technical field, medicine, biology, etc.
В современных исследованиях растровые изображения являются важным типом информации. В растровых изображениях наблюдаются различные эффекты, в том числе и шум. Шум снижает качество изображений и качество их обработки. Поэтому проблема устранения шума на цифровых изображениях по-прежнему остается актуальной. В настоящее время разработано много способов устранения шума на растровых изображениях (Chan T.F., Shen J. Image processing and analysis: Variational, PDE, Wavelet, and stochastic methods. - SIAM, 2005, 400 c; Burger M., Mennuci A.C.G, Osher S., Rumpf M. Level set and PDE based reconstruction methods in imaging. - Springer, 2008, 319 c).In modern research, bitmaps are an important type of information. In raster images, various effects are observed, including noise. Noise reduces the quality of images and the quality of their processing. Therefore, the problem of eliminating noise in digital images is still relevant. Many methods have now been developed to eliminate noise in bitmap images (Chan TF, Shen J. Image processing and analysis: Variational, PDE, Wavelet, and stochastic methods. - SIAM, 2005, 400 c; Burger M., Mennuci ACG, Osher S ., Rumpf M. Level set and PDE based reconstruction methods in imaging. - Springer, 2008, 319 c).
Близким к заявленному изобретению является способ устранения шума, предложенный авторами: Рудиным, Ошером, Фатеми (L.I. Rudin, S. Osher, Е. Fatemi. Nonlinear total variation based noise removal algorithms. Physica D, 1992, Vol. 60, 259-268). Ими было предложено использовать полную вариацию функции яркости растрового изображения для устранения шума:Close to the claimed invention is a noise elimination method proposed by the authors: Rudin, Osher, Fatemi (LI Rudin, S. Osher, E. Fatemi. Nonlinear total variation based noise removal algorithms. Physica D, 1992, Vol. 60, 259-268) . They proposed to use the full variation of the brightness function of the raster image to eliminate noise:
, ,
где u(х, у)∈R2 - идеальное (без шума) и ν(x, y)∈R2 - реальное (зашумленное) изображения, , ∇u=(ux, uy), , , , λ>0 - множитель Лагранжа, - полная вариация.where u (x, y) ∈R 2 is ideal (without noise) and ν (x, y) ∈R 2 is a real (noisy) image, , ∇u = (u x , u y ), , , , λ> 0 is the Lagrange multiplier, - full variation.
Недостаток данного способа заключается в эффективном устранении только гауссовского шума, а для других типов шумов этот способ оказывается не очень эффективным.The disadvantage of this method is the effective elimination of only Gaussian noise, and for other types of noise this method is not very effective.
Также близким к заявленному изобретению является способ Ганнана Юаня и соавторов (Yuan Gannan, Han Zifa, Zhang Jie, Dong Jing, Zhao Yuxin, Li Tao, Song Chengye, Li Qianf, Guo Ruiliang - патент КНР CN103198455 A, опубликован 10.07.2013). Данный способ заключается в выполнении следующих шагов:Also close to the claimed invention is the method of Gannan Yuan and co-authors (Yuan Gannan, Han Zifa, Zhang Jie, Dong Jing, Zhao Yuxin, Li Tao, Song Chengye, Li Qianf, Guo Ruiliang - Chinese patent CN103198455 A, published July 10, 2013). This method consists in performing the following steps:
1. Определить фильтр Гаусса зашумленного изображения Н=ν*Gσ, где - гауссовское ядро, σ2 - дисперсия распределения Гаусса.1. Determine the Gaussian filter of the noisy image H = ν * G σ , where is the Gaussian core, σ 2 is the dispersion of the Gaussian distribution.
2. Определить четыре матрицы совпадений градаций серого (Gray-Level Co-Occurrence Matrix - GLCM) при обработке фильтром Гаусса по разным направлениям (0°, 45°, 90°, 135°). Четыре матрицы GLCM определяются на основе соседних пар пикселей, определенных заданным направлением и расстоянием. Так, если расстояние равно одному пикселю, а направление - горизонтальное (90°), то для определения сопряженности берутся все пары пикселей в окне, расположенные рядом по горизонтали. Аналогично определяются пары для остальных направлений.2. Determine four matrices of coincidence of gradations of gray (Gray-Level Co-Occurrence Matrix - GLCM) when processed by a Gaussian filter in different directions (0 °, 45 °, 90 °, 135 °). Four GLCM matrices are determined based on neighboring pairs of pixels defined by a given direction and distance. So, if the distance is one pixel, and the direction is horizontal (90 °), then all pairs of pixels in the window located horizontally next are taken to determine the conjugacy. Similarly, pairs are determined for the remaining directions.
3. Вычислить контрастное изображение как среднее значение четырех матриц GLCM. Модель устранения шума построена на основе минимизации функционала энергии полной вариации от функции яркости зашумленного изображения и функции яркости контрастного изображения.3. Calculate the contrast image as the average of the four GLCM matrices. The noise elimination model is based on minimizing the energy functional of the full variation of the brightness function of a noisy image and the brightness function of a contrast image.
4. Построить уравнение Эйлера-Лагранжа и решить его итерационным методом.4. Construct the Euler-Lagrange equation and solve it by the iterative method.
Недостаток данного способа заключается в фильтрации только гауссовского шума. Данный способ также не рассчитан на эффективное устранение других типов шумов.The disadvantage of this method is to filter only Gaussian noise. This method is also not designed to effectively eliminate other types of noise.
Еще одно изобретение, которое является близким к заявленному изобретению, - это способ устранения шума, предложенный авторами: Ли, Чартрандом и Асаки (Т. Le, R. Chartrand, T.J. Asaki. A variational approach to reconstructing images corrupted by Poisson noise. Journal of mathematical imaging and vision, 2007, Vol. 27, Is. 3, 257-263):Another invention that is close to the claimed invention is a noise reduction method proposed by the authors: Lee, Chartrand and Asaki (T. Le, R. Chartrand, TJ Asaki. A variational approach to reconstructing images corrupted by Poisson noise. Journal of mathematical imaging and vision, 2007, Vol. 27, Is. 3, 257-263):
, ,
где β>0 - коэффициент регуляризации. Недостаток данного способа заключается в устранении только пуассоновского шума, а для других типов шумов этот способ также оказывается не очень эффективным.where β> 0 is the regularization coefficient. The disadvantage of this method is to eliminate only Poisson noise, and for other types of noise this method is also not very effective.
Все вышеуказанные способы заключаются в том, что в ходе процедуры устранения шума использовано характерное свойство полной вариации функции яркости: полная вариация зашумленных изображений всегда больше полной вариации соответствующих гладких изображений. Сущность данных способов устранения шума на основе полной вариации функции яркости заключается в выполнении следующих действий:All of the above methods consist in the fact that during the noise elimination procedure a characteristic property of the full variation of the brightness function was used: the full variation of noisy images is always greater than the full variation of the corresponding smooth images. The essence of these methods of noise elimination based on the full variation of the brightness function is to perform the following actions:
1. Ввести полную вариацию функции яркости зашумленного изображения. Пусть в пространстве задана ограниченная область . Если функция и является гладкой, то ее полная вариация имеет вид: .1. Enter the full variation of the brightness function of the noisy image. Let in space limited area set . If the function u is smooth, then its full variation has the form: .
2. Определить ограничение для решения задачи оптимизации VT[u]→min.2. Determine the constraint for solving the optimization problem V T [u] → min.
3. Свести задачу условной оптимизации (с ограничением) к задаче безусловной оптимизации (без ограничения).3. Reduce the problem of conditional optimization (with restriction) to the problem of unconditional optimization (without restriction).
4. Построить уравнение Эйлера-Лагранжа задачи оптимизации без ограничения.4. Construct the Euler-Lagrange equation of the optimization problem without restriction.
5. Построить численную схему для решения уравнения Эйлера-Лагранжа.5. Build a numerical scheme for solving the Euler-Lagrange equation.
6. Оценить качество устранения шума через оценки качества восстановленного изображения.6. Evaluate the quality of noise elimination through assessing the quality of the restored image.
Основной недостаток вышеприведенных способов заключается в отсутствии гарантии того, что будут эффективно устранены распространенные типы шумов, так как эти способы предназначены только для устранения гауссовского шума или только для устранения пуассоновского шума. Рассмотренные способы неэффективно устраняют другие типы шумов и особенно смесь гауссовского и пуассоновского шумов. Смесь шумов этих двух типов часто рассматривается в медицине, биологии, космонавтике и т.д.The main disadvantage of the above methods is the lack of guarantee that the common types of noise will be effectively eliminated, since these methods are intended only to eliminate Gaussian noise or only to eliminate Poisson noise. The considered methods inefficiently eliminate other types of noise and especially a mixture of Gaussian and Poisson noise. A mixture of these two types of noise is often considered in medicine, biology, astronautics, etc.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение гарантии эффективного устранения, как смеси шумов, так и отдельно гауссовского и пуассоновского шумов.The task to which the invention is directed is to provide guarantees for the effective elimination of both a mixture of noise and separately Gaussian and Poisson noise.
Данная задача решается за счет того, что в заявленном изобретении решается задача минимизации полной вариации функции яркости зашумленного изображения с ограничением на интенсивность шума. Для заявленного способа вычисляются параметры, определяющие оптимальное решение.This problem is solved due to the fact that the claimed invention solves the problem of minimizing the full variation of the brightness function of a noisy image with a restriction on the noise intensity. For the claimed method, parameters are calculated that determine the optimal solution.
Способ устранения шума на основе полной вариации характеризуется тем, что восстанавливается оригинальное изображение и для заданного зашумленного изображения ν следующим образом:The method of eliminating noise based on full variation is characterized in that the original image is restored and for a given noisy image ν as follows:
1. вычисляется полная вариация функции яркости ;1. the full variation of the brightness function is calculated ;
2. формулируется задача минимизации полной вариации функции яркости с ограничением на интенсивность шума;2. The problem of minimizing the total variation of the brightness function with a restriction on the noise intensity is formulated;
3. полученная задача условной оптимизации с ограничением сводится к задаче безусловной оптимизации без ограничения в виде функционала Лагранжа;3. the resulting conditional optimization problem with restriction is reduced to the problem of unconditional optimization without restriction in the form of the Lagrange functional;
4. строится уравнение Эйлера-Лагранжа для решения задачи безусловной оптимизации;4. the Euler-Lagrange equation is constructed to solve the problem of unconditional optimization;
5. строится численная схема решения данного уравнения: ищутся оптимальные входные параметры, сравниваются отклонения значений функций яркости двух изображений на двух последовательных шагах итерации с заданной точностью ε, если Δu≤ε, то решение найдено, если Δu>ε, то процесс итерации продолжается.5. A numerical scheme for solving this equation is constructed: optimal input parameters are searched, deviations of the brightness functions of two images at two successive iteration steps are compared with a given accuracy ε, if Δu≤ε, then the solution is found, if Δu> ε, then the iteration process continues.
Структурная схема для способа устранения шума (фиг. 1) содержит: входной блок 1, на который поступает зашумленное изображение. Выход блока 1 соединен с входом блока подготовки 2, в котором вычисляется полная вариация функции яркости зашумленного изображения и определяется ограничение на интенсивность шума. Выход блока подготовки 2 является входом блока преобразования 3, выход которого соединен с входом блока вычислений и оптимизации 4. В блоке преобразования 3 задача оптимизации с ограничением сводится к задаче без ограничения и строится уравнение Эйлера-Лагранжа. Численная схема определяется в блоке 4. Выход блока 4 соединен со входом блока корректировки 5 с обратной связью. На основе сравнения отклонений функций яркости двух изображений на двух последовательных шагах итерации с заданной точностью, которые определяются в блоке 4, проверяется условие остановки. Выход блока 5 соединен со вторым входом блока 4. Выход блока 5 является результатом устранения шума в исходном изображении.The structural diagram for a method of eliminating noise (Fig. 1) contains: an
Техническим результатом является эффективное устранение как гауссовского и пуассоновского шумов в отдельности, так и линейной комбинации этих шумов.The technical result is the effective elimination of both Gaussian and Poisson noise separately, and a linear combination of these noises.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:
Фиг. 1 - структурная схема для устранения шума;FIG. 1 is a block diagram for eliminating noise;
Фиг. 2 - сравнение эффективности использования нескольких способов устранения шума на примере реальных изображений с искусственными шумами.FIG. 2 - comparison of the efficiency of using several methods of noise elimination using real images with artificial noise as an example.
Способ устранения шума на растровых изображениях осуществляется следующим образом.The method of eliminating noise in raster images is as follows.
1. Взять зашумленное изображение ν.1. Take a noisy image of ν.
2. Вычислить полную вариацию функции яркости зашумленного изображения ν и сформулировать задачу оптимизации VT[u]→min.2. Calculate the full variation of the brightness function of the noisy image ν and formulate the optimization problem V T [u] → min.
3. Определить ограничения. Предполагается, что для заданного изображения вариация шума постоянна (пуассоновский шум не изменяется, а гауссовский шум зависит только от его вариации):3. Identify restrictions. It is assumed that for a given image, the noise variation is constant (Poisson noise does not change, and Gaussian noise depends only on its variation):
где p(ν|u) - условная вероятность наблюдения реального изображения ν при заданном идеальном изображении u.where p (ν | u) is the conditional probability of observing a real image ν for a given ideal image u.
Рассмотрим гауссовский шум. Плотность распределения определяется как:Consider a Gaussian noise. The distribution density is defined as:
. .
Плотность пуассоновского шума определяется как: p2(ν|u)=exp(-u)uν/ν!.The Poisson noise density is defined as: p 2 (ν | u) = exp (-u) u ν / ν !.
Обратим внимание, что значения функций яркости изображения u и ν - это целые числа (например, для восьмибитового изображения интервал яркости определяется значениями от 0 до 255).Note that the values of the image brightness functions u and ν are integers (for example, for an eight-bit image, the brightness interval is determined by values from 0 to 255).
Для устранения смеси гауссовского и пуассоновского шумов рассмотрим их линейную комбинацию:To eliminate the mixture of Gaussian and Poisson noise, we consider their linear combination:
ln(p(ν|u))=λ1ln(pl(ν|u))+λ2ln(p2(ν|u)), где λ1>0, λ2>0, λ1+λ2=1. Согласно (1), получим задачу устранения шума с ограничением:ln (p (ν | u)) = λ 1 ln (p l (ν | u)) + λ 2 ln (p 2 (ν | u)), where λ 1 > 0, λ 2 > 0, λ 1 + λ 2 = 1. According to (1), we obtain the noise elimination problem with the restriction:
, ,
где κ - постоянное значение.where κ is a constant value.
4. Свести задачу условной оптимизации с ограничением к задаче безусловной оптимизации с использованием функционала Лагранжа:4. To reduce the problem of conditional optimization with restriction to the problem of unconditional optimization using the Lagrange functional:
, ,
чтобы найти решение:to find a solution:
где τ>0 - множитель Лагранжа.where τ> 0 is the Lagrange multiplier.
В данной модели, если λ1=0 и λ2=1, то при β=τλ2=τ будет получена модифицированная модель ROF для устранения пуассоновского шума. Если λ2=0 и λ1=1, то при λ=τλ1/(2σ2)=τ/(2σ2) будет получена модель ROF для устранения гауссовского шума. Если λ1>0, λ2>0, то будет получена модель для устранения смеси гауссовского и пуассоновского шумов.In this model, if λ 1 = 0 and λ 2 = 1, then with β = τλ 2 = τ, a modified ROF model will be obtained to eliminate Poisson noise. If λ 2 = 0 and λ 1 = 1, then with λ = τλ 1 / (2σ 2 ) = τ / (2σ 2 ), the ROF model will be obtained to eliminate Gaussian noise. If λ 1 > 0, λ 2 > 0, then a model will be obtained to eliminate the mixture of Gaussian and Poisson noise.
5. Построить численную схему для модели устранения смеси шумов. Для решения задачи (2) можно применить метод множителей Лагранжа. Но здесь используется уравнение Эйлера-Лагранжа.5. Build a numerical scheme for the model of eliminating a mixture of noise. To solve problem (2), we can use the Lagrange multiplier method. But here the Euler-Lagrange equation is used.
Пусть функция ƒ(x, y) определена в ограниченной области Ω⊂R2 и непрерывно дифференцируема до второго порядка по х и у при (х, у)∈Ω.Let a function ƒ (x, y) be defined in a bounded domain Ω⊂R 2 and be continuously differentiable up to the second order in x and y for (x, y) ∈Ω.
Пусть F(x, y, ƒ, ƒx, ƒy) - выпуклый функционал, где , . Решение задачи оптимизации удовлетворяет уравнению Эйлера-Лагранжа:Let F (x, y, ƒ, ƒ x , ƒ y ) be a convex functional, where , . The solution to the optimization problem satisfies the Euler-Lagrange equation:
, ,
где , , .Where , , .
Тогда решение задачи (2) удовлетворяет следующему уравнению Эйлера-Лагранжа:Then the solution to problem (2) satisfies the following Euler-Lagrange equation:
где μ=1/τ.where μ = 1 / τ.
Представим уравнение (3) в следующем виде:We represent equation (3) in the following form:
где .Where .
Для получения дискретной модели (4) добавим искусственный параметр времени u=u(x, y, t). Уравнение (4) соответствует следующему уравнению диффузии:To obtain a discrete model (4), we add an artificial time parameter u = u (x, y, t). Equation (4) corresponds to the following diffusion equation:
Тогда дискретная форма уравнения (5) имеет вид:Then the discrete form of equation (5) has the form:
, ,
, , , , , ,
, , , ,
; ; ; ; i=1, …, N1; j=1, …, N2; ; ; ; ; i = 1, ..., N 1 ; j = 1, ..., N 2;
k=0, 1, …, K; Δx=Δу=1; 0<ξ<1, K - достаточно большое число, K=500.k = 0, 1, ..., K; Δx = Δy = 1; 0 <ξ <1, K is a sufficiently large number, K = 500.
6. Найти оптимальные параметры модели устранения смеси шумов. Процедура (6) может быть использована для устранения шума на изображениях, если значения параметров λ1, λ2, μ, σ заданы. Часто на практике эти параметры неизвестны, и их нужно оценить. Тогда параметры λ1, λ2, μ в процессе (6) нужно представить как , , μk на каждой итерации k. В новой процедуре такие параметры будут вычисляться на каждом шаге итерации.6. Find the optimal model parameters for eliminating the noise mixture. Procedure (6) can be used to eliminate noise in images if the values of the parameters λ 1 , λ 2 , μ, σ are given. Often, in practice, these parameters are unknown, and they need to be evaluated. Then the parameters λ 1 , λ 2 , μ in the process (6) must be represented as , , μ k at each iteration k. In the new procedure, such parameters will be calculated at each step of the iteration.
Пусть (u, τ) является решением задачи (2). Тогда мы получим условие . Данное условие позволяет вычислить оптимальные параметры линейной комбинации шумов λ1, λ2:Let (u, τ) be a solution to problem (2). Then we get the condition . This condition allows you to calculate the optimal parameters of a linear combination of noise λ 1 , λ 2 :
, λ2=1-λ1. , λ 2 = 1-λ 1.
Дискретная форма для вычисления этих параметров имеет вид:The discrete form for calculating these parameters has the form:
, , k=0,1, …, K. , , k = 0,1, ..., K.
Для поиска оптимального параметра μ умножим (3) на (ν-u) и проинтегрируем по частям по всей области Ω. В итоге получим формулу для поиска оптимального параметра μ:To find the optimal parameter μ, we multiply (3) by (ν-u) and integrate by parts over the entire domain Ω. As a result, we obtain the formula for finding the optimal parameter μ:
. .
Дискретная форма вычисления этого параметра имеет вид:The discrete form of computing this parameter is:
, ,
гдеWhere
, ,
, , , , , ,
, ; ; ; ; , ; ; ; ;
ν0j=ν1j; ; ;ν 0j = ν 1j ; ; ;
k=0, 1, …, K; Δx=Δy=1.k = 0, 1, ..., K; Δx = Δy = 1.
Для вычисления параметра о здесь использован способ Иммеркера (J. Immerker, Fast noise variance estimation. Computer vision and image understanding, 1996, Vol. 64, No. 2, 300-302):To calculate the parameter about here, the Immerker method (J. Immerker, Fast noise variance estimation. Computer vision and image understanding, 1996, Vol. 64, No. 2, 300-302) was used:
где - маска изображения, N1 и N2 определяют размер изображения.Where - image mask, N 1 and N 2 determine the size of the image.
Оператор* - это оператор конволюции, выполняющий преобразование:The * operator is a convolution operator that performs the conversion:
где i=1, …, Nl; j=1, …, N2; uij=0, если i=0, или j=0, или i=N1+1, или j=N2+1.where i = 1, ..., N l ; j = 1, ..., N 2 ; u ij = 0 if i = 0, or j = 0, or i = N 1 +1, or j = N 2 +1.
Параметр σ вычисляется сразу же на первой итерации.The parameter σ is calculated immediately at the first iteration.
7. Оценить качество изображений и качество устранения шума. Для оценки качества изображений после устранения шума использованы критерии PSNR, MSE и SSIM:7. Evaluate image quality and noise reduction quality. To assess the quality of images after noise elimination, the criteria PSNR, MSE and SSIM were used:
, ,
, , , ,
где , , ,Where , , ,
, , , ,
С1=(K1L)2, С2=(K2L)2; K1<<1; K2<<1.C 1 = (K 1 L) 2 , C 2 = (K 2 L) 2 ; K 1 <<1; K 2 << 1.
Например, K1=K2=10-6, L=28-1=255 - яркость 8-битового серого изображения.For example, K 1 = K 2 = 10 -6 , L = 2 8 -1 = 255 - the brightness of the 8-bit gray image.
Чем больше QPSNR, тем лучше качество изображения. Если значение QPSNR лежит в интервале между 20 и 25, то качество изображения приемлемо, например, для беспроводной передачи.The higher the Q PSNR , the better the image quality. If the Q value of PSNR lies between 20 and 25, then the image quality is acceptable, for example, for wireless transmission.
Значение QMSE использовано для оценки различия между двумя изображениями, где QMSE - среднеквадратичная ошибка. Чем меньше значение QMSE, тем лучше результат восстановления. Значение QMSE прямо связано со значением QPSNR.The Q MSE value was used to estimate the difference between the two images, where Q MSE is the standard error. The lower the MSE Q value, the better the recovery result. The Q value of MSE is directly related to the Q value of PSNR .
Значение QSSIM использовано для оценки качества изображения с помощью сравнения сходства двух изображений. Его значение лежит в интервале [-1, 1]. Чем больше значение QSSIM, тем лучше качество изображения.The Q SSIM value was used to evaluate image quality by comparing the similarity of the two images. Its value lies in the interval [-1, 1]. The higher the Q SSIM , the better the image quality.
8. Оценить зависимость результата устранения шума от начального решения. Очевидно, что в локальной итерационной процедуре (6) результат в общем случае зависит от начальных значений параметров , , μ0. Если сначала задать параметры , , μ0, то неудачные значения определят не очень хорошие оценки uij, а через них - оценки параметров распределений. Случайный выбор параметров , , μ0 также неприемлем, т.к., фактически, вносит дополнительный шум в изображение.8. To evaluate the dependence of the noise elimination result on the initial solution. Obviously, in the local iterative procedure (6), the result in the general case depends on the initial values of the parameters , , μ 0 . If you first set the parameters , , μ 0 , then the unsuccessful values will determine not very good estimates u ij , and through them - estimates of the distribution parameters. Random selection of parameters , , μ 0 is also unacceptable, because, in fact, introduces additional noise into the image.
Очевидно, что начальные значения параметров , , μ0 должны быть, по возможности, достаточно близки к тем значениям, которые будут найдены. Поэтому оценим параметры , , μ0 как средние по соседним пикселям изображения, используя, например, метод Иммеркера.Obviously, the initial values of the parameters , , μ 0 should be as close as possible to those values that will be found. Therefore, we evaluate the parameters , , μ 0 as averages over neighboring pixels of the image, using, for example, the Immerker method.
Рассмотрим пример реализации способа. Предложенная модель была протестирована на реальных изображениях. В качестве примера показан результат для изображения черепа человека размером 300×300 пикселей (фиг. 2а). На остальных изображениях (фиг. 2б-2з) показан увеличенный фрагмент этого изображения.Consider an example implementation of the method. The proposed model was tested on real images. As an example, the result is shown for the image of a human skull with a size of 300 × 300 pixels (Fig. 2A). The remaining images (Fig. 2b-2z) show an enlarged fragment of this image.
Для получения зашумленного изображения сначала был добавлен гауссовский шум (фиг. 2в), потом - пуассоновский шум (фиг. 2д). На фиг. 2ж показано зашумленное изображение для смеси двух шумов с параметрами λ1=0,8, λ2=0,2. Параметры линейной комбинации λ1 и λ2 были определены следующим образом.To obtain a noisy image, first a Gaussian noise was added (Fig. 2c), then a Poisson noise (Fig. 2e). In FIG. 2g shows a noisy image for a mixture of two noise with parameters λ 1 = 0.8, λ 2 = 0.2. The parameters of the linear combination of λ 1 and λ 2 were determined as follows.
Сначала был рассмотрен пуассоновский шум с плотностью распределения p2(ν|u) и вариацией , относительно среднего uij в каждом пикселе с координатами (i, j) i=1, …, Nl; j=1, …, N2.First, Poisson noise with a distribution density p 2 (ν | u) and variation , relative to the average u ij in each pixel with coordinates (i, j) i = 1, ..., N l ; j = 1, ..., N 2 .
Функция яркости такого изображения обозначена как ν(2). Ее значения должны находиться в интервале от 0 до 255. Если значение выходит за этот диапазон, то оно не изменяется ν(2) ij=uij. На данном изображении оказалось всего пять таких значений (0,0056%). Общая вариация пуассоновского шума определена как среднее .The brightness function of such an image is denoted by ν (2) . Its values should be in the range from 0 to 255. If the value is outside this range, then it does not change ν (2) ij = u ij . In this image, there were only five of these values (0.0056%). The total variation in Poisson noise is defined as the mean .
Далее, нами было принято, что вариация гауссовского шума σ1=40,2412 будет в четыре раза больше σ2. Функция яркости такого изображения обозначена как ν(1). Как и раньше, значения функции яркости ν(1) также должны быть в интервале от 0 до 255. В этом случае оказалось, что 5780 (6,42%) пикселей со значением яркости находятся за пределами этого диапазона. Результирующее изображение (фиг. 1ж) образовано двумя зашумленными изображениями в пропорции 0,5 для ν(1) и 0,5 для ν(2). Это означает, что ν=0,5ν(1)+0,5ν(2). Следовательно:Further, we assumed that the variation of the Gaussian noise σ 1 = 40.2412 will be four times greater than σ 2 . The brightness function of such an image is denoted by ν (1) . As before, the values of the brightness function ν (1) should also be in the range from 0 to 255. In this case, it turned out that 5780 (6.42%) pixels with a brightness value are out of this range. The resulting image (Fig. 1g) is formed by two noisy images in the proportion of 0.5 for ν (1) and 0.5 for ν (2) . This means that ν = 0.5ν (1) + 0.5ν (2) . Hence:
. .
В итоге получим, что коэффициенты линейной комбинации имеют значения, соответственно, λ1=4/5=0,8 и λ2=1/5=0,2.As a result, we obtain that the coefficients of the linear combination have values, respectively, λ 1 = 4/5 = 0.8 and λ 2 = 1/5 = 0.2.
Для зашумленного изображения критерии качества имеют значения, соответственно, QPSNR=21,4168, QMSE=427,9526 и QSSIM=0,4246.For a noisy image, the quality criteria are, respectively, Q PSNR = 21.4168, Q MSE = 427.9526 and Q SSIM = 0.4246.
В табл. 1-3 показаны результаты устранения шума на данном изображении для случаев заранее заданных и автоматически определенных параметров.In the table. Figure 1-3 shows the results of noise reduction in this image for cases of predefined and automatically determined parameters.
Заметим, что в этом случае значение QPSNR после устранения шума для заранее заданных (идеальных) параметров лучше, чем для автоматически полученных оценок, хотя для значения QSSIM иногда наблюдается и обратное.Note that in this case, the Q PSNR value after eliminating the noise for predefined (ideal) parameters is better than for automatically obtained estimates, although the opposite is sometimes observed for the Q SSIM value.
Для создания начального изображения был использован оператор конволюции (7). В табл. 4 показана зависимость восстановленного результата от начального решения, где:To create the initial image, the convolution operator (7) was used. In the table. 4 shows the dependence of the restored result on the initial solution, where:
(а) начальные параметры , μ=1;(a) initial parameters , μ = 1;
(б) начальные параметры , μ=1;(b) initial parameters , μ = 1;
(в) начальное решение μ0 - это случайная матрица заданного размера;(c) the initial solution μ 0 is a random matrix of a given size;
(г) начальное решение μ0 найдено как усреднение соседних пикселей u0=ν*А оператором конволюции, где .(d) the initial solution μ 0 is found as averaging of neighboring pixels u 0 = ν * A by the convolution operator, where .
В табл. 4 показано, что наилучший результат устранения комбинированного шума соответствует случаю (г) выбора начального решения по критериям PSNR и MSE.In the table. 4 shows that the best result of eliminating the combined noise corresponds to case (d) of the choice of the initial solution according to the criteria of PSNR and MSE.
Таким образом, здесь предложен способ устранения смеси гауссовского и пуассоновского шумов на основе известного вариационного подхода. Качество результата устранения шума зависит от значений коэффициентов линейной комбинации λ1 и λ2. Их значения должны быть заранее заданы, или они должны быть автоматически определены, что важно в случае обработки реальных изображений. Для реальных изображений данный способ с автоматически определяемыми параметрами дает результат, близкий по качеству к идеальному, когда правильные значения параметров заданы заранее.Thus, a method for eliminating a mixture of Gaussian and Poisson noise based on the known variational approach is proposed here. The quality of the noise elimination result depends on the values of the linear combination coefficients λ 1 and λ 2 . Their values must be predefined, or they must be automatically determined, which is important in the case of processing real images. For real images, this method with automatically detected parameters gives a result that is close in quality to ideal when the correct parameter values are set in advance.
Данный способ может быть использован для устранения отдельно как гауссовского, так и пуассоновского шумов. В этом случае качество обработки практически не уступает качеству способов, специально предназначенных для устранения шума только одного вида.This method can be used to separately eliminate both Gaussian and Poisson noise. In this case, the quality of processing is practically not inferior to the quality of methods specially designed to eliminate noise of only one kind.
Табл. 1. Сравнение качества способов устранения шума на реальном изображении для смеси шумовTab. 1. Comparison of the quality of noise elimination methods in a real image for a noise mixture
Табл. 2. Сравнение качества способов устранения шума на реальном изображении с гауссовским шумомTab. 2. Comparison of the quality of noise elimination methods in a real image with Gaussian noise
Табл. 3. Сравнение качества способов устранения шума на реальном изображении с пуассоновским шумомTab. 3. Comparison of the quality of noise elimination methods in a real image with Poisson noise
Табл. 4. Зависимость результата устранения комбинированного шума от начального решенияTab. 4. The dependence of the result of eliminating the combined noise from the initial solution
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015151623A RU2623898C2 (en) | 2015-12-01 | 2015-12-01 | Method of removal of noise on raster images based on full variation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015151623A RU2623898C2 (en) | 2015-12-01 | 2015-12-01 | Method of removal of noise on raster images based on full variation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2015151623A RU2015151623A (en) | 2017-06-06 |
RU2623898C2 true RU2623898C2 (en) | 2017-06-29 |
Family
ID=59031587
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015151623A RU2623898C2 (en) | 2015-12-01 | 2015-12-01 | Method of removal of noise on raster images based on full variation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2623898C2 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050259889A1 (en) * | 2004-05-21 | 2005-11-24 | Ferrari Ricardo J | De-noising digital radiological images |
RU2343538C1 (en) * | 2007-10-31 | 2009-01-10 | Закрытое Акционерное Общество "Импульс" | Method for correction of digital x-ray images |
US20120224781A1 (en) * | 2011-03-02 | 2012-09-06 | Xue-Cheng Tai | Methods and systems for generating enhanced images using euler's elastica model |
-
2015
- 2015-12-01 RU RU2015151623A patent/RU2623898C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050259889A1 (en) * | 2004-05-21 | 2005-11-24 | Ferrari Ricardo J | De-noising digital radiological images |
RU2343538C1 (en) * | 2007-10-31 | 2009-01-10 | Закрытое Акционерное Общество "Импульс" | Method for correction of digital x-ray images |
US20120224781A1 (en) * | 2011-03-02 | 2012-09-06 | Xue-Cheng Tai | Methods and systems for generating enhanced images using euler's elastica model |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Д.Н.Х. ТХАНЬ и др., "УСТРАНЕНИЕ ШУМА НА ИЗОБРАЖЕНИЯХ НА ОСНОВЕ МЕТОДА ПОЛНОЙ ВАРИАЦИИ"// "КОМПЬЮТЕРНАЯ ОПТИКА", 15.10.2015 - Т.39, N4 - С.567-571 DOI:10. 18287/0134-2452-2015-39-4-564-571, размещено в Интернет: http://www.computeroptics.smr.ru/KO/PDF/KO39-4/390417.pdf (c.564-569). * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2015151623A (en) | 2017-06-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Galdran et al. | On the duality between retinex and image dehazing | |
Hintermüller et al. | Nonconvex TV ^q-models in image restoration: Analysis and a trust-region regularization--based superlinearly convergent solver | |
Rodríguez et al. | Mixed Gaussian-impulse noise image restoration via total variation | |
Ananthi et al. | A new image denoising method using interval-valued intuitionistic fuzzy sets for the removal of impulse noise | |
Gupta et al. | Multiple distortion pooling image quality assessment | |
Shama et al. | A convex total generalized variation regularized model for multiplicative noise and blur removal | |
Mahajan et al. | A comparative analysis of different image fusion techniques | |
Dai et al. | Single hazy image restoration using robust atmospheric scattering model | |
JP2020191046A (en) | Image processing apparatus, image processing method, and program | |
Afonso et al. | A total variation recursive space-variant filter for image denoising | |
Sharma et al. | Image denoising using spatial domain filters: A quantitative study | |
Liu et al. | Fast weighted total variation regularization algorithm for blur identification and image restoration | |
Campagna et al. | Modification of TV-ROF denoising model based on Split Bregman iterations | |
Thang et al. | An adaptive algorithm for restoring image corrupted by mixed noise | |
RU2623898C2 (en) | Method of removal of noise on raster images based on full variation | |
Taroudaki et al. | Near-optimal spectral filtering and error estimation for solving ill-posed problems | |
Moorthy et al. | Perceptually optimized blind repair of natural images | |
Lin | A nonlocal means based adaptive denoising framework for mixed image noise removal | |
Zhuang et al. | Mixed noise removal based on a novel non-parametric Bayesian sparse outlier model | |
Petrovici et al. | Maximum entropy principle in image restoration | |
Sutour et al. | Automatic estimation of the noise level function for adaptive blind denoising | |
Bhateja et al. | A reduced reference distortion estimation measure for color images | |
De et al. | Fast no-reference image sharpness measure for blurred images in discrete cosine transform domain | |
Jin et al. | Optimal Weights Mixed Filter for removing mixture of Gaussian and impulse noises | |
De et al. | No-reference image quality measure for images with multiple distortions using random forests for multi method fusion |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171202 |