逆滤波和维纳滤波

本文深入探讨了图像处理中的逆滤波和维纳滤波技术,解析了在有无噪声环境下如何恢复退化图像。逆滤波在无噪声的理想情况下能完美恢复图像,但在实际应用中,由于噪声放大问题,效果受限。维纳滤波通过引入参数K,有效抑制噪声,实现更佳的图像恢复效果。

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逆滤波 Inverse Filter


如果仅有退化函数h(x,y)h(x,y)h(x,y)导致图像f(x,y)f(x,y)f(x,y)退化为g(x,y)g(x,y)g(x,y),那么退化图像表示为:
g(x,y)=h(x,y)⋆f(x,y)g(x,y)=h(x,y)\star f(x,y)g(x,y)=h(x,y)f(x,y)
在频率域中,则为:
G(x,y)=H(x,y)F(x,y)G(x,y)=H(x,y)F(x,y)G(x,y)=H(x,y)F(x,y)
这时我们使用逆滤波的话将会是一个完美的结果,完全恢复图像:
F^=G(u,v)H(u,v)\hat{F} = \frac{G(u, v)}{H(u,v)}F^=H(u,v)G(u,v)
在这里插入图片描述
其中,G(u,v)G(u,v)G(u,v)为退化图像的频域,H(u,v)H(u,v)H(u,v)为退化函数频域,再对结果取共轭后进行快速傅里叶变换即可
但是,一般来说图像都不会仅仅只是退化,图像都会有噪声存在,我们假设这是一个加性噪声,那么退化图像将表示为:
g(x,y)=h(x,y)⋆f(x,y)+η(x,y)g(x,y) = h(x, y)\star f(x,y) + \eta(x,y)g(x,y)=h(x,y)f(x,y)+η(x,y)
其中,η(x,y)\eta(x,y)η(x,y)是空域加性噪声,如果在频率域中则将表示为:
G(u,v)=H(u,v)F(u,v)+N(u,v)G(u,v) = H(u,v)F(u,v) + N(u,v)G(u,v)=H(u,v)F(u,v)+N(u,v)
这时如果我们直接对图像进行逆滤波操作的话,将会得到:
F^=F(u,v)+N(u,v)H(u,v)\hat{F} = F(u,v) + \frac{N(u,v)}{H(u,v)}F^=F(u,v)+H(u,v)N(u,v)
这时,我们将会得到一个非常糟糕的结果,因为这时如果退化函数H(u,v)H(u,v)H(u,v)的值比较小的话,例如运动模糊,而噪声是一个高斯白噪声的话,那么此时噪声将会被放大,我们将会得到一个非常不理想的结果:
在这里插入图片描述
这个时候,使用Wiener滤波效果会显著改善

维纳滤波 Wiener filter


这里给出常用的维纳滤波的表达式的近似式:
F^=[1H(u,v)∣H(u,v)∣2∣H(u,v)∣2+K]G(u,v)\hat{F} = [\frac{1}{H(u,v)} \frac{{|H(u,v)|}^{2}}{{|H(u,v)|}^{2}+K}]G(u,v)F^=[H(u,v)1H(u,v)2+KH(u,v)2]G(u,v)
其中,K为一个常数,我们可以通过不断调整K的值得到比较理想的滤波效果:
在这里插入图片描述
可以发现,当K逐渐增大,图像逐渐锐化,模糊程度降低,对比度增大,因为,当K逐渐增大时,K在的分母变大,对噪声的限制也就逐渐加强,所以图像逐渐变得清晰,但是,因为分母变大,整体的值变小,所以图像也就逐渐变暗,可以预见当K增大到一定程度后,继续增大图像效果将逐渐走下坡路,最后变成全黑。

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