圖像處理方法,圖像處理設(shè)備和圖像處理程序的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種圖像處理方法、圖像處理設(shè)備和圖像處理程序。
【背景技術(shù)】
[0002] 在圖像處理技術(shù)之中，一種用于減少在圖像中包括的噪聲的技術(shù)是為了更清楚地 再現(xiàn)捕獲的圖像的必需技術(shù)。作為在圖像中包括的噪聲之一，存在如圖10中所示的附加白 高斯噪聲。原有信號和被噪聲劣化的信號分別被表示為S和f。這時，假設(shè)噪聲％的幅度 遵從高斯分布，則圖10的附加白高斯噪聲由f=S+%代表。
[0003] 作為一種用于減少在圖像中包括的噪聲的技術(shù)，例如，作為在NPL1中公開的技 術(shù)的總變化范數(shù)最小化方法（下文北歐表達(dá)為TV方法）被廣泛地使用。
[0004]TV范數(shù)通過將在整個信號節(jié)段中的相鄰信號之間的差的絕對值相加而被獲得，并 且信號u的TV范數(shù)由以下等式（1)定義：
[0005] 署**
?
[0006]其中，代表偏微分算符。
[0007] 圖11至圖13圖示了關(guān)于一維信號的TV范數(shù)的示例。圖11中所示的溫和地改變 的信號（平坦信號）和圖12中所示的包括陡峭邊緣的信號具有相同TV范數(shù)。如圖13中 所示，在信號值振動時，TV反復(fù)具有大值。換而言之，TV范數(shù)可以被稱為用于指示考慮不連 續(xù)成分的信號的平滑度的指標(biāo)。
[0008]TV方法是用于將包括噪聲的輸入圖像f分離成構(gòu)架成分u和殘差成分v的方法， 該構(gòu)架成分u包括圖像的邊緣成分和平坦成分，該殘差成分v包括紋理成分和噪聲成分。換 而目之，建立以下等式（2)的關(guān)系：
[0009]f=u+v(2)。
[0010] 構(gòu)架成分u可以通過最小化等式（3)而被確定，在等式（3)中，規(guī)范化項(xiàng)被引入由 等式（1)定義的總變化范數(shù)TV(u)中。
[0011]
[0012] 在等式（3)中，u(tl)=f?被滿足并且y是用于指示原有圖像的保真度的參數(shù)。[0013] 以下參照圖14描述等式（3)。圖14中的用實(shí)線圖示的信號被表示為包括噪聲的 輸入信號f。圖14中的用短劃線圖示的信號Ul和圖14中的用點(diǎn)劃線圖示的信號u2的TV范數(shù)彼此相等。然而，隨著原有信號f?和構(gòu)架成分u相互分離，等式（3)的第二項(xiàng)變得更 大，并且因此為了最小化以上等式（3)，與原有信號f?更近的用點(diǎn)劃線圖示的信號被計算為 構(gòu)架成分u。
[0014] 如以上描述的那樣，TV方法引起將包括噪聲的輸入圖像分離成包括圖像的邊緣和 平坦區(qū)域的構(gòu)架成分（TV范數(shù)：?。┮约鞍y理和噪聲的殘差成分（TV范數(shù)：大）。這一 構(gòu)架成分可以被視為消除了噪聲的圖像。
[0015] 圖15圖示了將輸入圖像分離成構(gòu)架成分和殘差成分的與本發(fā)明有關(guān)的圖像處理 方法的一個示例的框圖。
[0016] 有關(guān)的圖像處理方法包括成分分離裝置11。
[0017] 輸入圖像f被輸入到成分分離裝置11，并且構(gòu)架成分u和殘差成分v被輸出。
[0018] 圖16圖示了用于圖示成分分離裝置11的框圖。
[0019] 成分分離裝置11包括構(gòu)架成分提取裝置21和殘差分離成分計算裝置31。
[0020] 構(gòu)架成分提取裝置21接收輸入信號f并且最小化等式（3)以獲得構(gòu)架成分u。向 殘差成分計算裝置31輸出獲得的構(gòu)架成分u。
[0021] 殘差成分計算裝置31接收輸入圖像f?和從構(gòu)架成分提取裝置21輸出的構(gòu)架成分 u并且基于等式（2)的關(guān)系從關(guān)系v=f-u計算殘差成分V。
[0022] 作為一種用于在構(gòu)架成分提取裝置21中通過最小化等式（3)來提取構(gòu)架成分的 方法，存在作為在NPL2中公開的技術(shù)的數(shù)字TV過濾器（DTVF)。
[0023] 圖17圖示了用于圖示根據(jù)DTVF提取構(gòu)架成分的構(gòu)架成分提取裝置21的框圖，并 且以下使用圖18的流程圖來描述相應(yīng)的處理單元的操作。
[0024] 在以下描述中，圖像u的像素位置a中的像素值被表達(dá)為ua。a的鄰居像素 位置的集合被表達(dá)為N(a)。圖19圖示了像素位置a= (i，j)的鄰居像素位置的示例。 這里，圖19的模式（a)被稱為四鄰居方式，并且N(a)被表達(dá)為N(a) = {(i，j-1)，（i， j+1)，（i-1，j)，（i+1，j)}。另外，圖19的模式（b)被稱為八鄰居方式，并且N(a)被表達(dá) 為N(a) = {(i，j-l)，（i，j+l)，（i_l，j)，（i+l，j)，（i-l，j-l)，（i_l，j+l)，（i+l，j-l)， (i+1，j+1)}〇
[0025] 構(gòu)架成分提取裝置21包括局部變化量計算裝置101、過濾器權(quán)值計算裝置102、過 濾器系數(shù)計算裝置103和過濾執(zhí)行裝置104。
[0026] 初始地，作為初始設(shè)置，用于存儲重復(fù)的數(shù)目的計數(shù)器變量k被設(shè)置為k=0。輸 入圖像f被表示為初始構(gòu)架圖像uto)(步驟S1)。
[0027] 局部變化量計算裝置101接收圖像u(k)并且基于以下等式（4)計算局部變化量 |'《U| (步驟S2)。向過濾器權(quán)值計算裝置102輸出通過計算而獲得的局部變化量|￥flU|。
[0028]
[0029] 等式（4)中的e是用于在以下處理中防止除以0的參數(shù)并且可以是約為1(T4的 值。
[0030] 過濾器權(quán)值計算裝置102從局部變化量計算裝置101接收局部變化量|￥Bu|并且 計算由以下等式（5)代表的過濾器權(quán)值wae (u)(步驟S3)。向過濾器系數(shù)計算裝置103輸 出通過計算而獲得的過濾器權(quán)值wae (u)。
[0031]
[0032] 過濾器系數(shù)計算裝置103從過濾器權(quán)值計算裝置102接收過濾器權(quán)值wae (u)并 且分別基于以下等式（6)和（7)計算過濾器系數(shù)haa和hae (步驟S4)。向過濾器執(zhí)行裝 置103輸出通過計算而獲得的過濾器系數(shù)haa和hae。
[0033]
[0034]
[0035] 過濾器執(zhí)行裝置104接收輸入圖像u(tl)和作為過濾目標(biāo)的圖像u(k)以及從過濾器 系數(shù)計算裝置103接收過濾器系數(shù)haa和hae，基于以下等式（8)計算在k+1次過濾之后 的圖像u(k+1)并且將重復(fù)數(shù)目計數(shù)器k增加1 (步驟S6)。
[0036]
[0037] 然后，比較k和最大重復(fù)數(shù)目k_，并且在k小于最大重復(fù)數(shù)目k_時，對于下一重 復(fù)計算，向局部變化量計算裝置101和過濾執(zhí)行裝置104輸出在過濾之后的圖像，并且繼續(xù) 處理。在k已經(jīng)達(dá)到最大重復(fù)數(shù)目1^_時，圖像被輸出作為構(gòu)架成分u(步驟S7)。
[0038]如從等式（5)、（6)和（7)清楚的那樣，在局部變化量與噪聲成分比較充分地大時， haa~ 1被滿足，并且因此可防止邊緣的模糊。對照而言，在局部變化量小時，DTVF將這一 區(qū)域視為平坦，并且haa~l被滿足，并且因此DTVF表現(xiàn)如同常見低通濾波器。關(guān)于y， 使用估計的噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差〇，關(guān)系：U= 1/〇 2可以被滿足。
[0039] 圖20圖示了將輸入圖像分離成構(gòu)架成分和殘差成分的有關(guān)的圖像處理設(shè)備1000 的框圖。
[0040] 圖像處理設(shè)備1000包括局部變化量計算單元1001、過濾器權(quán)值計算單元1002、過 濾器系數(shù)計算單元1003、過濾執(zhí)行單元1004、殘差成分計算單元1005、控制單元1006、開關(guān) 1007、開關(guān)1008和存儲器1009。
[0041] 輸入圖像f從輸入緩沖器被輸入到開關(guān)1007和存儲器1009。
[0042] 控制單元1006使用微計算機(jī)等而被配置并且執(zhí)行存儲的程序以控制相應(yīng)的單 元?？刂茊卧?006包括存儲過濾次數(shù)的計數(shù)器變量k。在輸入圖像從輸入緩沖器被輸入 時，控制單元1006將計數(shù)器k重置成k= 0、切換開關(guān)1007以向局部變化量計算單元1001 和過濾執(zhí)行單元10054輸出該輸入圖像f?作為初始構(gòu)架圖像u?，并且切換開關(guān)1007。然 后，控制單元1006向局部變化量計算單元1001和過濾執(zhí)行單元1004輸出不是從輸入緩沖 器、而是從開關(guān)1008接收的圖像。
[0043] 控制單元1006監(jiān)視過濾執(zhí)行單元1004并且在過濾完成時將過濾數(shù)目計數(shù)器k增 加1。然后，控制單元1006比較k和最大重復(fù)數(shù)目k_、在k小于最大重復(fù)數(shù)目k_時切換 開關(guān)1008以便向開關(guān)1007輸出圖像，并且在k已經(jīng)達(dá)到最大重復(fù)數(shù)目k_時切換開關(guān)1008 以便向殘差成分計算單元1005輸出圖像作為構(gòu)架成分u。
[0044] 開關(guān)1007和開關(guān)1008根據(jù)控制單元1006的控制而被切換。
[0045] 存儲器1009存儲輸入圖像f。
[0046] 局部變化量計算單元1001從開關(guān)接收圖像u(k)并且基于以上等式（4)計算局部 變化量向過濾器權(quán)值計算單元1002輸出通過計算而獲得的局部變化量IVbiUI。
[0047] 過濾器權(quán)值計算單元1002從局部變化量計算單元1001接收局部變化量i￥〇(U|并 且計算由以上等式（5)代表的過濾器權(quán)值WafS(u)。向過濾器系數(shù)計算單元1003輸出通過 計算而獲得的過濾器權(quán)值wap (u)。
[0048] 過濾器系數(shù)計算單元1003從過濾器系數(shù)計算單元1001接收過濾器權(quán)值wap (u) 并且分別基于以上等式（6)和（7)計算過濾器系數(shù)haa和hae。向過濾執(zhí)行單元1004輸 出通過計算而獲得的過濾器系數(shù)hac^Phafi。
[0049] 過濾執(zhí)行單元1004從存儲器1009讀取輸入圖像u?、從開關(guān)接收圖像u(k)作為過 濾目標(biāo)以及從過濾系數(shù)計算單元1003接收過濾系數(shù)數(shù)haa和hae并且基于以上等式（8) 計算在k+1次過濾之后的圖像u(k+1)。向開關(guān)1008輸出通過計算而獲得的在k+1次過濾之 后的圖像u(k+1)。
[0050] 殘差成分計算單元1005從存儲器1009接收輸入圖像u?并且從開關(guān)1008接收構(gòu) 架成分u，并且從等式（2)的關(guān)系獲得殘差成分V。向輸出緩沖器輸出獲得的殘差成分V。
[0051] 引用列表
[0052] 非專利文獻(xiàn)
[0053]NPL1 ：L.Rudin,S.Osher,andE.Fatemi,"Nonlineartotalvariationbased noiseremovalalgorithms，''PhysicD，vol. 60,pp. 259-268,1992.
[0054]NPL2 :Chan，T.F.，0sher，S.，Shen，J.，"ThedigitalTVfilterandnonlinear denoising，''ImageProcessing，IEEETransactionson，vol. 10,no. 2，pp. 231-241，F(xiàn)eb 2001.
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