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基于航摄影像的图像复原算法对比及评价指标建立.rar

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    编号:20180915222316113    类型:共享资源    大小:10.82MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
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    20
    金币
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    基于 摄影 图像 复原 算法 对比 评价 指标 建立
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    山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )I摘 要航 空 摄 影 测 量 具 有 可 操 作 性 强 、 灵 活 度 高 等 优 势 , 特 别 是 无人 机 航 摄 技 术 的 发 展 , 为 快 速 、 高 分 辨 率 地 面 影 像 的 获 取 提 供 了保 障 。 但 由 于 航 摄 传 感 器 运 载 平 台 的 不 稳 定 性 , 其 翻 滚 、 偏 航 、俯 仰 、 抖 动 都 会 带 来 图 像 像 素 的 移 位 , 即 图 像 的 退 化 。 图 像 的 退化 使 图 像 丢 失 了 很 多 的 重 要 信 息 , 如 地 物 的 相 对 位 置 、 地 物 面 积等 属 性 信 息 , 对 图 像 的 后 期 应 用 造 成 了 很 大 的 影 响 , 所 以 图 像 复原 的 研 究 具 有 重 大 的 实 际 意 义 。 图 像 复 原 可 分 为 三 步 走 : 建 立 图像 退 化 模 型 、 估 计 图 像 的 模 糊 核 函 数 、 图 像 复 原 方 法 的 选 取 与 复原 操 作 。 本 文 采 用 山 东 科 技 大 学 的 航 摄 图 像 为 实 验 素 材 , 对 四 种理 论 较 为 成 熟 的 图 像 复 原 方 法 , 逆 滤 波 图 像 复 原 方 法 、 维 纳 滤 波图 像 复 原 方 法 、 约 束 最 小 二 乘 方 图 像 复 原 方 法 、 Richardson-Lucy图 像 复 原 方 法 进 行 实 验 并 对 比 , 并 采 用 多 种 评 价 方 式 对 四 种 算 法进 行 评 价 。关 键 词 : 图 像 退 化 运 动 模 糊 模 糊 核 函 数 图 像 复 原 图 像 评 价 指标 建 立山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )IIAbsractAerial photogrammetry has the advantages of high operabilityand high flexibility, especially the development of UAV aerialphotography technology, which provides a guarantee for theacquisition of fast and high resolution ground images. However, dueto the instability of the aerial sensor carrying platform, its roll, yaw,pitch, jitter will bring the image pixel shift, that is, imagedegradation.Thedegradationoftheimage causestheimage tolosealot of important information, such as the relative position of thefeature, the area of the object and other attributes, which has greatinfluence on the later application of the image. Therefore, theresearch of image restoration has great practical significance. Imagerestoration can be divided into three steps: the image degradationmodel is established, the fuzzy kernel function of the image, theselection and restoration of the image restoration method areestimated. In this paper, the aerial image of Shandong University ofScience and Technology is used as experimental material, and fourimage restoration methods, inverse filter image restoration method,Wiener filter image restoration method, constrained least squaresimage restorationmethod,Richardson-Lucyimage Recoverymethodto experiment and contrast, and the use of a variety of evaluationmethodstoevaluatethefouralgorithms.K ey Words:imagedegradation;motionblur;fuzzykernelfunction;imagerestoration;imageevaluationindex山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )III目 录1 绪 论 ...................................................................................11.1 研 究 意 义 ..............................................................................11.1 研 究 现 状 ..............................................................................21.2 本 文 结 构 与 安 排 ..................................................................42 图 像 复 原 算 法 基 础 介 绍 ..................................................................42.1 数 字 图 像 处 理 概 述 ..............................................................52.2 图 像 模 糊 产 生 原 因 ..............................................................82.3图 像 复 原 算 法 介 绍 .............................................................102.3.1 图 像 退 化 模 型 的 建 立 .............................................102.3.2 图 像 空 间 域 与 频 率 域 的 转 换 .................................112.3.3 模 糊 核 函 数 的 估 计 .................................................133 经 典 图 像 复 原 算 法 ...........................................................................163.1 逆 滤 波 图 像 恢 复 算 法 ........................................................163.2 基 于 约 束 最 小 二 乘 方 的 图 像 恢 复 算 法 ............................173.3 维 纳 滤 波 图 像 恢 复 算 法 ....................................................193.4 Richardson-Lucy图 像 恢 复 算 法 .....................................204 建 立 图 像 复 原 的 评 价 指 标 ...........................................................214.1 主 观 评 价 指 标 ....................................................................214.2 客 观 评 价 指 标 ....................................................................235 实 验 与 分 析 ....................................................................256 结 论 与 展 望 ....................................................................33参 考 文 献 ............................................................................36致 谢 .................................................................................... 38附 录 .................................................................................... 39山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )IV附 录 A 引 用 外 文 文 献 及 其 译 文 ...............................................39附 录 B 主 要 源 程 序 ...................................................................50山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )11 绪 论1.1 研 究 意 义1609 年 伽 利 略 发 明 了 放 大 三 倍 的 科 学 望 远 镜 , 自 此 人 们 便开 始 了 观 测 远 距 离 目 标 的 征 程 。 1957年 , 苏 联 第 一 颗 人 造 卫 星 的发 射 成 功 , 标 志 着 人 类 全 球 观 测 的 大 范 围 观 测 进 入 了 一 个 新 纪元 。 21世 纪 越 来 越 热 的 航 空 拍 摄 是 遥 感 技 术 的 一 个 重 大 突 破 。 相对 比 于 传 统 卫 星 遥 感 的 高 投 入 、 耗 时 长 、 人 力 需 求 高 、 观 测 精 度低 等 缺 点 , 航 空 拍 摄 则 具 有 用 时 短 、 投 入 低 、 操 作 简 单 、 高 分 辨等 优 点 。 因 此 航 空 拍 摄 也 受 到 人 们 越 来 越 多 的 青 睐 。航 空 摄 影 , 简 称 航 摄 , 又 称 空 中 拍 摄 , 是 指 从 空 中 拍 摄 地 球地 貌 , 获 得 航 空 俯 视 图 。 航 摄 作 为 一 种 现 代 化 的 摄 影 手 段 , 能 够以 人 们 一 般 难 以 达 到 的 高 度 俯 视 事 物 的 全 貌 , 给 受 众 传 达 一 种 宏观 形 象 , 带 来 焕 然 一 新 的 视 觉 享 受 。 近 年 来 , 随 着 电 视 、 飞 行 技术 的 发 展 , 各 种 方 式 的 航 摄 在 电 影 、 电 视 纪 录 片 的 制 作 中 得 到 了广 泛 的 应 用 。 航 摄 的 拍 摄 过 程 一 般 是 由 一 个 飞 行 装 备 搭 载 一 台 或几 台 摄 像 机 完 成 , 航 拍 的 摄 像 机 可 由 航 拍 操 作 者 自 行 控 制 或 是 自动 远 程 控 制 。 航 摄 所 用 的 飞 行 装 备 可 以 是 无 人 机 、 飞 机 、 热 气 球 、小 型 飞 船 、 风 筝 等 。 当 前 , 无 人 机 航 摄 技 术 应 用 最 为 广 泛 。无 人 机 产 生 于 1917年 , 早 期 的 无 人 机 主 要 应 用 于 军 事 活 动 ,后 逐 渐 延 伸 到 民 用 遥 感 飞 行 平 台 领 域 。 20 世 纪 80年 代 以 来 , 随着 计 算 机 和 通 讯 技 术 的 迅 猛 发 展 以 及 各 种 新 型 传 感 器 的 不 断 问世 , 无 人 机 的 性 能 不 断 提 高 , 续 航 时 间 从 一 小 时 延 长 至 几 十 个 小时 , 任 务 载 荷 从 几 千 克 增 加 至 几 百 千 克 , 这 为 无 人 机 遥 感 的 实 际应 用 提 供 了 成 熟 的 技 术 支 持 [1]。山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )2近 几 年 , 无 人 机 技 术 日 趋 成 熟 , 已 由 军 事 化 商 业 化 用 途 推 广到 了 民 用 , 渗 入 到 了 生 活 的 各 个 角 落 , 远 不 止 航 空 拍 摄 、 航 拍 这一 点 , 我 们 所 能 接 触 到 的 有 明 确 需 求 的 航 拍 用 户 , 有 固 定 翼 航 拍的 森 林 防 火 、 地 震 调 查 、 核 辐 射 探 测 、 边 境 巡 逻 、 应 急 救 灾 、 农作 物 估 产 、 管 道 巡 检 、 保 护 区 野 生 动 物 监 测 、 军 事 侦 察 、 搭 载 航拍 电 子 设 备 进 行 科 研 试 验 、 海 事 侦 察 等 方 面 的 航 拍 应 用 需 求 。无 人 机 航 摄 结 束 后 , 经 常 会 有 这 样 的 情 况 出 现 , 某 一 张 航 摄影 像 出 现 了 模 糊 , 或 是 上 一 帧 的 图 像 移 位 到 了 下 一 帧 。 这 些 图 像像 素 的 移 动 造 成 的 图 像 模 糊 使 图 像 丧 失 了 很 多 重 要 信 息 。 当 成 像的 图 像 质 量 下 降 时 , 对 人 们 的 后 续 的 进 一 步 应 用 , 如 特 征 提 取 、自 动 目 标 识 别 和 图 像 分 析 等 都 有 很 大 的 阻 碍 。 在 以 获 取 地 形 信 息为 目 的 航 空 拍 摄 中 , 若 获 取 的 图 像 中 像 移 现 象 , 则 会 丢 失 重 要 的空 间 位 置 信 息 ; 比 如 以 监 控 重 大 灾 害 现 场 为 目 的 的 航 拍 中 , 图 像模 糊 则 会 使 重 要 的 现 场 信 息 丢 失 。 故 恢 复 图 像 运 动 像 移 , 恢 复 图像 的 原 状 对 图 像 的 后 期 应 用 有 重 大 意 义 。1.1 研 究 现 状图 像 复 原 方 法 源 于 二 十 世 纪 五 十 年 代 末 、 六 十 年 代 初 美 国 与前 苏 联 的 空 间 探 索 技 术[2], 随 后 发 展 至 今 , 目 前 已 成 为 图 像 处 理领 域 重 要 的 研 究 分 支 之 一 , 其 研 究 具 有 重 要 的 实 践 意 义 与 理 论 价值 。 由 于 引 起 图 像 退 化 的 因 素 众 多 , 且 性 质 各 不 相 同 , 目 前 没 有统 一 的 复 原 方 法 , 众 多 研 究 人 员 根 据 不 同 的 应 用 物 理 环 境 , 采 用了 不 同 的 退 化 模 型 、 处 理 技 巧 和 估 计 准 则 , 从 而 得 到 了 不 同 的 复原 方 法 。山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )3早 期 的 图 像 复 原 是 利 用 光 学 的 方 法 对 失 真 的 观 测 图 像 进 行校 正 , 而 数 字 图 像 复 原 技 术 最 早 则 是 从 对 天 文 观 测 图 像 的 后 期 处理 中 逐 步 发 展 起 来 的 。 其 中 一 个 成 功 例 子 是 NASA 的 喷 气 推 进 实验 室 在 1964 年 用 计 算 机 处 理 有 关 月 球 的 照 片 。 照 片 是 在 空 间 飞行 器 上 用 电 视 摄 像 机 拍 摄 的 , 图 像 的 复 原 包 括 消 除 干 扰 和 噪 声 ,校 正 几 何 失 真 和 对 比 度 损 失 以 及 反 卷 积 。 另 一 个 典 型 的 例 子 是 对肯 尼 迪 遇 刺 事 件 现 场 照 片 的 处 理 。 由 于 事 发 突 然 , 照 片 是 在 相 机移 动 过 程 中 拍 摄 的 , 图 像 复 原 的 主 要 目 的 就 是 消 除 移 动 造 成 的 失真 。 早 期 的 复 原 方 法 有 : 非 领 域 滤 波 法 , 最 近 邻 滤 波 法 以 及 效 果较 好 的 维 纳 滤 波 和 最 小 二 乘 滤 波 等 。 随 着 数 字 信 号 处 理 和 图 像 处理 的 发 展 , 新 的 复 原 算 法 不 断 出 现 , 在 应 用 中 可 以 根 据 具 体 情 况加 以 选 择 。目 前 国 内 外 图 像 复 原 技 术 的 研 究 和 应 用 主 要 集 中 于 诸 如 空间 探 索 、 天 文 观 测 、 物 质 研 究 、 遥 感 遥 测 、 军 事 科 学 、 生 物 科 学 、医 学 影 象 、 交 通 监 控 、 刑 事 侦 查 等 领 域 。 如 生 物 方 面 , 主 要 是 用于 生 物 活 体 细 胞 内 部 组 织 的 三 维 再 现 和 重 构 , 通 过 复 原 荧 光 显 微镜 所 采 集 的 细 胞 内 部 逐 层 切 片 图 , 来 重 现 细 胞 内 部 构 成 ; 医 学 方面 , 如 对 肿 瘤 周 围 组 织 进 行 显 微 观 察 , 以 获 取 肿 瘤 安 全 切 缘 与 癌肿 原 发 部 位 之 间 关 系 的 定 量 数 据 ; 天 文 方 面 , 如 采 用 迭 代 盲 反 卷积 进 行 气 动 光 学 效 应 图 像 复 原 研 究 等 。对 于 空 间 变 化 图 像 的 运 动 模 糊 , 点 扩 散 函 数 会 引 起 下 降 , 它在 函 数 图 像 中 起 到 点 出 位 置 的 作 用 。 这 种 类 型 的 运 动 模 糊 图 像 通常 会 出 现 在 一 个 图 像 包 含 快 速 移 动 的 物 体 被 一 个 静 态 CCD摄 像 机的 不 同 运 动 记 录 中 。 对 空 间 变 化 的 运 动 模 糊 图 像 复 原 仍 然 是 一 项山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )4大 的 挑 战 , 目 前 只 有 少 数 研 究 人 员 已 经 解 决 这 一 难 题 [3]。1.2 本 文 结 构 与 安 排本 文 的 研 究 内 容 是 用 Matlab软 件 , 分 别 在 有 噪 声 与 无 噪 声的 状 态 下 , 以 山 东 科 技 大 学 的 航 摄 图 为 素 材 , 对 四 种 经 典 图 像 复原 算 法 进 行 实 现 与 对 比 。 发 现 各 个 算 法 的 优 缺 点 及 其 适 用 范 围 。第 一 章 , 绪 论 。 主 要 介 绍 本 文 的 研 究 背 景 与 意 义 , 包 括 航 摄的 发 展 历 史 , 图 像 复 原 方 法 的 发 展 与 研 究 现 状 及 其 研 究 意 义 , 并概 述 文 章 的 主 要 研 究 内 容 及 章 节 安 排 。第 二 章 , 图 像 复 原 算 法 基 础 介 绍 。 详 细 介 绍 了 本 文 图 像 复 原算 法 的 前 提 基 础 知 识 , 包 括 数 字 图 像 处 理 的 概 述 、 图 像 模 糊 的 产生 原 因 及 图 像 复 原 算 法 的 介 绍 。第 三 章 , 经 典 图 像 复 原 算 法 。 本 章 详 细 的 介 绍 了 逆 滤 波 、 维纳 滤 波 、 约 束 最 小 二 乘 方 滤 波 、 RL滤 波 的 原 理 。第 四 章 , 建 立 图 像 复 原 的 评 价 指 标 。 本 章 节 介 绍 了 图 像 质 量评 价 指 标 , 主 要 包 括 主 观 评 价 指 标 与 客 观 评 价 指 标 。第 五 章 , 实 验 与 分 析 。 本 章 在 用 Matlab软 件 进 行 四 种 复 原算 法 复 原 图 像 的 基 础 之 上 , 采 用 第 四 章 选 出 的 评 价 指 标 来 评 价 各个 算 法 复 原 图 像 的 质 量 , 对 比 每 种 算 法 在 有 无 噪 声 下 的 适 用 性 。第 六 章 , 结 论 与 展 望 。 本 章 对 全 文 的 研 究 与 实 验 做 出 总 结 性概 括 , 对 本 文 中 存 在 的 问 题 及 此 课 题 将 来 发 展 的 热 点 问 题 作 出 展望 。 2 图 像 复 原 算 法 基 础 介 绍首 先 了 解 一 些 图 像 处 理 的 基 础 , 由 浅 入 深 的 理 解 图 像 恢 复 这一 工 作 的 相 关 原 理 , 作 为 后 期 复 原 算 法 理 解 的 基 础 。山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )52.1 数 字 图 像 处 理 概 述数 字 图 像 的 表 示 是 一 切 图 像 处 理 的 基 础 。 随 着 离 散 数 学 理 论的 创 立 于 发 展 , 图 像 的 数 字 化 的 发 展 也 得 到 了 极 大 的 推 动 。 由 此衍 生 出 的 问 题 也 越 来 越 多 。 图 像 失 真 , 图 像 像 移 运 动 带 来 的 图 像模 糊 等 , 这 些 问 题 亟 待 解 决 。数 字 图 像 , 是 以 二 维 数 字 组 形 式 表 示 的 图 像 , 其 数 字 单 元 为像 元 , 数 字 图 像 的 恰 当 应 用 通 常 需 要 数 字 图 像 与 看 到 的 现 象 之 间关 系 的 知 识 , 也 就 是 几 何 和 光 度 学 或 者 传 感 器 校 准 , 数 字 图 像 处理 领 域 就 是 研 究 它 们 的 变 换 算 法 。 数 字 图 像 , 又 称 数 码 图 像 或 数位 图 像 , 是 二 维 图 像 用 有 限 数 字 数 值 像 素 的 表 示 。 由 数 组 或 矩 阵表 示 , 其 光 照 位 置 和 强 度 都 是 离 散 的 。 数 字 图 像 是 由 模 拟 图 像 数字 化 得 到 的 、 以 像 素 ( 像 元 ) 为 基 本 元 素 的 、 可 以 用 数 字 计 算 机或 数 字 电 路 存 储 和 处 理 的 图 像 。像 素 是 数 字 图 像 的 基 本 元 素 , 像 素 是 在 模 拟 图 像 数 字 化 时 对连 续 空 间 进 行 离 散 化 得 到 的 。 每 个 像 素 具 有 整 数 行 和 列 位 置 坐标 , 同 时 每 个 像 素 都 具 有 整 数 灰 度 值 或 颜 色 值 。通 常 , 像 素 在 计 算 机 中 保 存 为 二 维 整 数 数 组 的 光 栅 图 像 , 这些 值 经 常 用 压 缩 格 式 进 行 传 输 和 储 存 。数 字 图 像 可 以 由 许 多 不 同 的 输 入 设 备 和 技 术 生 成 , 例 如 数 码相 机 、 扫 描 仪 、 坐 标 测 量 机 等 等 , 也 可 以 从 任 意 的 非 图 像 数 据 合成 得 到 , 例 如 数 学 函 数 或 者 三 维 几 何 模 型 。每 个 图 像 的 像 素 通 常 对 应 于 二 维 空 间 中 一 个 特 定 的 位 置 , 并且 有 一 个 或 者 多 个 与 那 个 点 相 关 的 采 样 值 组 成 数 值 。 根 据 这 些 采样 数 目 及 特 性 的 不 同 , 数 字 图 像 可 以 划 分 为 :山 东 科 技 大 学 本 科 毕 业 设 计 ( 论 文 )61) 二 值 图 像 : 图 像 中 每 个 像 素 的 亮 度 值 仅 可 以 取 0 或 者 1的 图 像 。2) 灰 度 图 像 : 也 称 为 灰 阶 图 像 , 图 像 中 每 个 像 素 可 以 由 0到 255的 亮 度 值 表 示 。 0至 255之 间 表 示 不 同 的 灰 度 级 。3) 彩 色 图 像 : 每 幅 彩 色 图 像 是 由 三 幅 不 同 颜 色 的 灰 度 图 像组 合 而 成 , 一 个 为 红 色 , 一 个 为 绿 色 , 一 个 为 蓝 色 。4) 伪 彩 色 图 像 : 图 像 的 每 个 像 素 值 实 际 上 是 一 个 索 引 值 或代 码 , 该 代 码 值 作 为 色 彩 查 找 表 中 某 一 项 的 入 口 地 址 , 根 据 该 地址 可 查 找 出 包 含 实 际 R、 G、 B的 强 度 值 。5) 立 体 图 像 : 立 体 图 像 是 一 物 体 由 不 同 角 度 拍 摄 的 一 对 图像 , 通 常 情 况 下 我 们 可 以 用 立 体 像 计 算 出 图 像 的 深 度 信 息 。6) 三 维 图 像 : 三 维 图 像 是 由 一 组 堆 栈 的 二 维 图 像 组 成 。 每一 幅 图 像 表 示 该 物 体 的 一 个 横 截 面 。目 前 比 较 流 行 的 图 像 格 式 包 括 光 栅 图 像 格 式 BMP、 GIF、JPEG、 PNG等 , 以 及 矢 量 图 像 格 式 WMF、 SVG等 。 大 多 数 浏 览 器 都支 持 GIF、 JPG以 及 PNG图 像 的 直 接 显 示 。 SVG格 式 作 为 W3C的 标准 格 式 在 网 络 上 的 应 用 越 来 越 广 。总 的 来 说 , 数 字 图 像 处 理 包 括 以 下 几 项 内 容[4]:1) 点 运 算 : 点 运 算 主 要 是 针 对 图 像 的 像 素 进 行 加 、 减 、 乘 、除 等 运 算 。 图 像 的 点 运 算 可 以 有 效 的 改 变 图 像 的 直 方 图 分 布 , 这对 提 高 图 像 的 分 辨 率 以 及 图 像 均 衡 都 是 非 常 有 益 的 。2) 几 何 处 理 : 几 何 处 理 主 要 包 括 图 像 的 坐 标 变 换 , 图 像 的移 动 、 缩 小 、 放 大 、 旋 转 , 多 个 图 像 的 配 准 以 及 图 像 扭 曲 校 正 等 。3) 图 像 增 强 : 图 像 增 强 的 作 用 主 要 是 突 出 图 像 中 的 重 要 信息 , 同 时 减 弱 或 者 去 除 不 重 要 的 信 息 。
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