[數字圖像處理]頻域濾波(2)--高通濾波器,帶阻濾波器與陷波濾波器


       1.高通濾波器

       首先,對一副圖像進行如下二維傅里葉變換。

我們將u=0和v=0帶上式,我們可以得到如下式子。

根據上式,可以到F(0,0)的值是非常大的。這里,我們將 F(0,0)稱為直流分量,直流分量比其他的成分要大好幾個數量級。所以,這也就是傅里葉譜為什么需要使用對數變換才能看清楚的原因。
       這里,對於高通濾波器而言,由於直流分量被衰減,所以,所得到的圖像的動態范圍是非常狹窄的,也就造成了圖像偏灰。進一步而言,保持直流(DC)分量,對別的部分進行增幅,可以增強圖像的細節。這樣的濾波器稱為銳化濾波器。這一小節主要介紹高通濾波器與銳化濾波器。

        1.1理想高通濾波器

        
        這里的D0是濾波器的阻帶半徑,而D(u,v)是點到濾波器中央的距離。理想高通的濾波器的振幅特性如下所示。

用這個濾波器對圖像進行處理,可得到如下所示的結果。我們可以看到,與理想的低通濾波器一樣,所得到的圖像有很明顯的振鈴現象。結果圖像從視覺上來看,有些偏暗,這是因為圖像的直流分量被濾掉的原因。


       1.2巴特沃斯高通濾波器

       同樣的,巴特沃斯高通濾波器也可以通過改變次數n,對過度特性進行調整。過大的n會造成振鈴現象。


       1.3高斯高通濾波器

       高斯濾波器的過度特性很好,所以不會發生振鈴現象。


       1.4 上述三種濾波器的實現Matlab代碼

 

       1.5 銳化濾波器

       按照之前所說的,銳化濾波器是將傅里葉譜的直流分量保留,然后將其余的成分增幅。使用銳化濾波器,可以對圖像的細節進行增強,使得細節凸顯出來。銳化濾波器的表達式如下所示。

      其實上式的目的很明顯,就是先將原圖的傅里葉 保留下來,然后疊加上高通濾波器的結果,所得到的圖像就是銳化后的圖像了。這里為了調整銳化程度,引入了兩個變量可以調整直流分量的衰減程度,可以調整高頻分量的增幅程度。

 
       下面是代碼。
 

       2.帶阻濾波器

       同樣的,帶阻濾波器也有三種特性。高斯、巴特沃斯和理想,三種類型,其數學表達式如下所示。

       其帶通濾波器可以使用上面的表格轉化而得。

       帶阻濾波器可以用於去除周期性噪聲,為了體現帶阻濾波器的特性,我們先對一幅圖像增加很嚴重的噪聲。


 
 
       在原圖的傅里葉譜上添加了幾個很明顯的亮點。在對其做IDFT,可以看到,原圖被嚴重的周期噪聲污染了。此時,我們可以使用帶阻濾波器,可以有很好的去噪效果。為了避免振鈴現象,選擇使用如下所示巴特沃斯帶阻濾波器,所用濾波器的次數為2次。使用空間域的操作,要去除這種噪聲基本是不可能的,這也是頻域內的操作的優點。

  
 

       3.陷波濾波器(Notch Filter)

       陷波濾波器也用於去除周期噪聲,雖然帶阻濾波器也能可以去除周期噪聲,但是帶阻濾波器對噪聲以外的成分也有衰減。而陷波濾波器主要對,某個點進行衰減,對其余的成分不損失。使用下圖將更容易理解。

       從空間域內看,圖像存在着周期性噪聲。其傅里葉頻譜中,也能看到噪聲的所在之處(這里我用紅圈標注出來了,他們不是數據的一部分)。我們如果使用帶阻濾波器的話,是非常麻煩的,也會使得圖像有損失。陷波濾波器,能夠直接對噪聲處進行衰減,可以有很好的去噪效果。
       其表達式如下所示,陷波濾波器可以通過對高通濾波器的中心,進行位移就可以得到了。

這里,由於傅里葉的周期性,傅里葉頻譜上不可能單獨存在一個點的噪聲,必定是關於遠點對稱的一個噪聲對。這里的需要去除的噪聲點,其求取的方式如下所示。
       針對於上圖,我們設計如下濾波器,去進行去噪。
(圖片下標錯了,后續更新改過來!)
       所得到的結果,如下所示。噪聲已經被去除了,畫質得到了很大的改善。

                                                              (圖片下標錯了,后續更新改過來!)
 
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