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自适应小波阈值去噪算法及在图像处理中的应用

2024-04-27 来源:年旅网
第32卷第7期 2 0 1 1年7月 兵 工 学 报 Vo1.32 NO.7 ACTA ARMAMENTARII Ju1. 2011 自适应小波阈值去噪算法及在图像处理中的应用 林杰,付梦印,李道平 (北京理工大学自动化学院,北京100081) 摘要:针对图像去噪的问题,提出一种基于自适应小波阈值去噪的算法。该方法根据噪声在 小波变换下的特性自适应确定小波分解的阈值,并将去噪图像的峰值信噪比作为性能指标,采用中 点法进行寻优,得到最优的阈值参数。该方法具有自适应性强、算法简单、去噪效果好等特点。通 过实例表明,该方法比原有的阂值去噪算法去噪效果更佳,使图像达到更良好的视觉效果。 关键词:信息处理技术;自适应;小波变换;图像去噪;中点法 中图分类号:TP391.41 文献标志码:A 文章编号:1000.1093(2011)07-0896-05 Self-adaptive Wavelet Threshold De-noising Method and Its Application in Image Processing LIN Jie,FU Meng—yin,LI Dao—ping (School of Automation,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China) Abstract:For the problem image de—noising,a new method based on self—adaptive wavelet threshold al- gorithm was proposed.It can decide the threshold of wavelet analysis automatically according to the noise characteristics in wavelet transform,then takes PSNR as a function of filter parameter and acquires the optimal threshold parameter by using midpoint method.It has the strong self—adaptation,simple calcula— tion,good de-noising result and SO on.Experiment results show that this new method is much better than original threshold de—noising algorithms and achieves better visual effect. Key words:information processing;self—adaptive;wavelet transform;image de—noising;midpoint methOd 从自然界获得的图像大部分都不可避免地含有 于贝叶斯理论降噪的方法,根据大量统计的结果为 各种噪声,为了提高图像的有效性,为进一步研究 做好准备,需要采用一定的方法去除图像中存在的 噪声。小波变换…是目前信号处理中最新的方法 之一,由于它在时域和频域同时具有良好的局部化 性质 ,可以对指定频带和时间段内的信号成分进 小波系数选择一个先验概率模型,如广义高斯模型 (GGD) ,高斯混合模型(GM) 或(GSM) 等, 并通过最小化贝叶斯估计风险来获得小波系数的最 优估计,如贝叶斯最小平方一高斯概率混合模型 (BLS—GSM)算法 等。而阈值去噪方法则是采用 行分析等特点,因此在图像处理中有着广泛的应用。 利用小波变换对图像进行降噪的方法主要有阈 给出固定的阈值并将小波变换中小于该值的系数置 零的方法,如硬阈值法和软阈值法 ,虽然在效果 上可能略逊色于基于统计估计的方法,但是因为其 值去噪方法和基于贝叶斯估计理论的去噪方法。基 收稿日期:2009—09—11 作者简介:林杰(1977一),男,助理研究员,博士研究生。E-mail:linjason@bit.edu.cn; 付梦印(1964一),男,教授,博士生导师。E—mail: my@bit edu.on 第7期 自适应小波阈值去噪算法及在图像处理中的应用 897 形式简单,算法复杂度低,因此在一些方面如工业实 函数在中点处一阶导数的正负来缩小搜索的区间。 时系统上也具有一定的应用价值。 设待优化的问题为minf( ),待搜索的区间为 [O/,卢],令 :(/3+O/)/2,计算f( )在 点的一阶导 在阈值去噪方法中,硬阈值法和软阈值法本身 存在一些不足之处,如硬阈值法的阈值函数具有不 连续性,重构所得的信号会产生伪吉布斯效应;而软 阈值方法估计后的小波系数和分解得到的小波系数 数厂( ),若厂( )>10,则去掉区间[/z, ],否则去掉 区间[Ot, ].由于每次去掉区间长度为上一次区间 长度的1/2,所以中点法每次迭代区间的缩减比为 总存在恒定的偏差,直接影响着重构信号与真实信 号的逼近程度。为了保证图像的连续性和细节的保 留,并提高图像的峰值信噪比(PSNR),需要对原有 的算法作出一些改进。文献[8]提出一种改进的阈 值去噪算法,是根据经验给出的折中结果,并没有给 出一个可靠的根据,也没有对不同参数时的去噪结 果做出比较。 本文在文献[8]提出的阈值去噪算法的基础 上,通过噪声在小波变换下的特性自适应地确定小 波分解的阈值,将PSNR作为滤波器参数的函数,采 用缩小区间的搜索算法——中点法 进行寻优,得 到使PSNR最大的阈值函数参数,有效的去除了系 统的噪声并达到了良好的去噪效果。 1 自适应小波阈值去噪算法的数学基础 1.1小波变换及其Mallat算法 文献[3]中给出了多分辨分析的概念,并利用 双尺度方程和小波方程得到了递推的塔式算法,即 Mallat算法。 设信号.厂( )可分解为 厂( )=∑∑di, ( )+∑c¨ ¨( ), M≤,< ∈Z E (1) 式中: ( )为尺度函数; ( )为小波基函数。设h 和g 是咖( )所对应的小波变换的共轭镜像滤波 器,则厂( )的正交小波变换分解公式为 fCj, ^n一2k。J+1 ln, ? (2) =∑gn-21 ̄dj+. .. (2)式由 十1. 计算Cj、 , , 的算法称为Mallat分 解算法。利用该分解算法可以计算出不同层上的小 波展开系数dj=, J一1,J一2,…,t,一M和在较 “粗”尺度子空间中的尺度函数展开系数c,一 . 1.2 中点法 中点法 是一种常用的缩小区间的搜索算法, 该方法每次选取整个不确定区间的一个中点,通过 1/2. 2 自适应小波阈值去噪算法 将原有信号利用小波变换的Mallat算法对其进 行分解,在不同的尺度上各小波变换的系数进行阈 值处理,然后再进行重构得到新信号。目前最常用 的阈值去噪方法主要有硬阈值法与软阈值法 ]。 Denoho…提出了一种对小波系数 进行估计 的非常简洁的方法,即寻找一合适的数A作为阈值 (f-i限),把低于A的小波系数(主要由噪声引起)设 为0,而对高于A的系数(主要由信号引起)予以保 留或进行收缩,从而得到估计小波系数 m.估计小 波系数的方法如下: 令A: ,则硬阈值法定义为 ㈩ 软阈值法定义为 =, { “‘埘 ’‘ 一A’’ : ::: c4 虽然这2种方法在实际中得到广泛应用,也取 得了较好效果,但方法本身有一些潜在的缺点。如 在硬阈值方法中,w 在A处是不连续的,利用面m 重构所得信号可能会产生一些振荡;由软阈值法估 计出来的 虽然整体连续性好,但是当I I>A , 时, 与W 总存在恒定的偏差,直接影响重构信 号与真实信号的逼近程度。鉴于此,本文选取了一 个新的阈值函数,并利用寻优算法获得最优的阈值 参数,从而克服了硬阈值法和软阈值法的存在的不 足。 文献[8]中提出了一种新阈值函数的选取方 法: J,^= 』sisn(z , )(, , ,一 A+ ),, , ,≥A; 【0, lW I<A. (5) 898 兵 工 学 报 3 算法实例 第32卷 式中: ∈[0,1].当Ot分别取0和1值,(5)式即成 为形如(3)式和(4)式的硬阈值法和软阈值法。对 于一般的Ot∈(0,1)来讲,该方法估计出来的系数 为了验证本文的新算法的有效性,采用标准测 介于软硬阈值法之间。由于采用单纯的软阈值 法估计出来的 …其绝对值总比W 要小,因此要 设法减小此偏差;但若把这种偏差减小为0就成了 试图像Lenna、Barara和House三幅图像为例,对算 法进行验证。 考虑算法的计算量和去噪的效果,实验中选取 硬阈值情况,也不是最好的,因为W, 本身就是由 dB4小波。对于分解尺度的选取,过高的分解尺度 会带来较大的计算量,并且在实验中发现并非分解 和 组成的,它可能由于Vi的影响而使I 似I> , , I“似I,而算法的目的是使I 一, “m I最小,因此,令 I Wm I的取值介于1 w I—A与I Wm I之间可能会使 估计出来的小波系数w 更加接近于“ 基于这一 思想,在阈值估计器中的 因子可以看成一个自变 量,而将去噪结果PSNR看成O/的函数,采用缩小区 间的寻优算法中点法寻优,就可以找到使PSNR最 大的 取值,可以获得更好的去噪效果。自适应小 波滤波器结构如图1所示。 图1 自适应小渡滤波器结构 Fig.1 Structure of self—adaptive wavelet filter 噪声方差的估计采用文献[10]给出的估计方法: , Median(f W, I) “ ,J一0.647 5 综上所述,本文提出的去噪算法的步骤如下: 1)对阈值函数的参数凸!给出初始值 =0和 =1,令i=1,设Ⅳ为算法需要迭代的次数。 2)分别计算参数 取 和Ot 时对图像进行 去噪处理,计算去噪图像的峰值信噪比是PSNR,和 PSNR2. 3)计算 l和O/2的中点O/ =( 1+ 2)/2,并 代入阈值函数,对图像进行去噪处理,计算去噪图像 的峰值信噪比是PSNR 4)计算PSNR以 为变量的函数在 点处的 微分值PSNR" . 如果PSNR id≥0,则O/l=O/ ,PSNRl= PSNR id,否贝0, 2= 。d,PSNR 。d=PSNR2. 5)判断i<N是否成立,是则算法结束;否则令 i=i+1,返回步骤2). 则 为最优的阈值参数,对应的PSNR 为最 大的峰值信噪比。 尺度越高去噪性能越好,经过权衡后选取尺度为4. 图2为对Lenna图像加载均值为0方差为30 的高斯白噪声时,以 为自变量,PSNR作为函数值 绘制的曲线。 图2 PSNR随Ot变化的曲线 Fig.2 PSNR VS.Ot 从图2中可以看出,对于采用阈值去噪算法降 噪的结果中,PSNR是 的强单峰函数,存在最大值 点,比 =0时采用的硬阈值法和O/=1时的软阈值 法的峰值信噪比都要高,因此根据利用中点法可以 寻找到这个最大值点。 表1为采用本文的新算法对3幅测试图像分别 叠加均值为0,均方差分别为20,30,40,50的高 斯白噪声时的去噪结果并与软阈值法、硬阈值法、文 献[8]中取的软硬折中法和文献[11]中的Bayes软 阈值法的结果比较。 从表1中可以看出对3幅图像去噪的结果,采 用本文的改进方法并采用最优的参数下的PSNR 是最高的,比软阈值法的结果和硬阈值法的结果 都大,甚至略高于Bayes软阈值的结果,而且也可 以看出文献[8]中折中选取Ot=0.5也并不是最 好的结果。 图3为对Lenna图像加载均值为0方差为30 的高斯白噪声时,采用本文的新算法中获得的最优 参数时的降噪结果及同软阈值法、硬阈值法、软硬折 第7期 自适应小波阈值去噪算法及在图像处理中的应用 899 中法和贝叶斯软阈值法的比较,其中图3(a)为原始 像(O/=1),图3(e)为采用文献[8]算法取 =0.5 图像,图3(b)为染噪信号,图3(c)为软阈值法去噪 后的图像( =0),图3(d)为硬阈值法去噪后的图 折中时迭代的结果。图3(g)为采用最优参数 = 0.749 0的本文提出的新算法的去噪结果。 表1 不同算法的去噪结果(PSNR) Tab.1 De—noising results with diferent methods(PSNR) ■■■■ ■■■ (a)原始图像 (b)'染噪图像 (c)软阈值法 (d)硬阈值法 (a)Original image fb)Image with noise (C)Soft—thresholding method (d)Hard—thresholding method e)软硬折中法 (f)贝叶斯软闽值法 ( 本文新算法 (e)Compromised method(a=O.5) (f)Bayes soft—threshold method (曲Proposed method(t ̄=-0.749 0) 图3 最优参数的降噪结果及同其他算法的比较 Fig.3 De—noising results with optimal parameter and comparison with other methods 从图3中可以看出,采用本文的改进方法去噪 后的图像实际视觉效果也相对较好,既表现出了清 4 结论 根据噪声的小波系数特征,通过分析得出自适 晰的边缘轮廓,也保护了头发和纹理等细节信息,在 一定程度上克服了软阈值法和硬阈值的不足,达到 了良好的去噪效果。 应小波阈值去噪算法,对小波系数阈值量化的改进 方案做了详细的分析和讨论,采用缩小区间的优化 90O 兵 工 学 报 第32卷 算法——中点法,找到了最优的阈值量参数,实现了 图像的高质量的去噪,达到了良好的视觉效果。 参考文献(References) [1 J 彭玉华.小波变换与工程应用[M].北京:科学出版社,1999: 1~137. 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