Например, Бобцов

МЕТОД МЕЖКАНАЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ В ЗАДАЧАХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

ИКОНИКА  – НАУКА ОБ ИЗОБРАЖЕНИИ

УДК 004.932.4

МЕТОД МЕЖКАНАЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ В ЗАДАЧАХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

© 2013 г.

Е. А. Самойлин, доктор техн. наук; В. В. Шипко, адъюнкт Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина, Воронеж

E-mail: shipko.v@bk.ru, es977@mail.ru

Предложен метод восстановления многокомпонентных цифровых изображений на основе предварительного адаптивного обнаружения импульсных помех и последующей их компенсации за счет свойства межканальной избыточности. Проведено численное исследование предложенного метода в широком диапазоне интенсивности импульсных помех, результаты которого свидетельствуют о повышении точности восстановления трехкомпонентных (цветных) изображений. Представлены примеры восстановления изображений с использованием известного и предлагаемого методов обработки.

Ключевые слова: цифровая обработка изображений, импульсные помехи, межканальная компенсация, многокомпонентные изображения.

Коды OCIS: 100.2000

Поступила в редакцию 20.03.2013

Введение
В настоящее время методы и алгоритмы обработки многокомпонентных (цветных) изображений широко используются в системах телекоммуникации, мониторинга, радиоастрономии, медицине и др. [1]. Использование цветовых компонент в обработке изображений обусловлено двумя основными причинами. Во-первых, цвет является важным признаком, который часто облегчает распознавание и выделение объекта на изображении. Во-вторых, человек в состоянии различать тысячи различных оттенков цвета, и всего лишь порядка двух десятков оттенков серого. Второе обстоятельство особенно важно при визуальном анализе изображений.
Как известно [1–4], для многих систем с цифровой обработкой и преобразованием изображений характерно появление аппликативных импульсных помех (ИП), т.е. независимых

случайных искажений отдельных пикселов. Например, ИП могут возникать при ошибках оцифровки и квантования изображений (шум квантования), сбоях отдельных элементов оптико-электронных преобразователей и др. Обычно шум на цветном изображении имеет одинаковые характеристики в каждом цветовом канале, но иногда его влияние на каждом из каналов проявляется по-разному [1]. Такое возможно, например, в случае неисправности электроники одного из каналов.
К настоящему времени разработано немало методов борьбы с ИП, большинство из которых является развитием ранговой процедуры обработки [1–5]. Как правило, подавление помех на цветных изображениях происходит независимо в каждом цветовом канале. Поэтому все ранговые методы и алгоритмы восстановления полутоновых изображений могут быть применены покомпонентно в каждом отдельном канале при обработке цветных изображений. Между

“Оптический журнал”, 80, 10, 2013

53

тем, возникающая избыточность при переходе к многокомпонентным изображениям (в случае трех компонент R, G, B – цветным) открывает новые возможности по восстановлению потерянных вследствие воздействия ИП значений сигналов изображений. В частности, в случае искажения значения яркости элемента изображения в одном из каналов возможно оценить это значение по амплитуде яркости соответствующих элементов других каналов.
Цель работы – повышение точности восстановления искаженных помехами многокомпонентных цифровых изображений на основе свойства межканальной избыточности.

Постановка задачи восстановления многокомпонентных изображений
Используемая модель исходного оцифрованного по строкам i и столбцам j a-компонентного изображения Λ имеет вид

λλi]1i,11,jjϵ-∈[0N[0,2,.,......,,,202N[N∈-– j111,]iλ]

ËΛ

==

λλ.].i2i,12,.jj

-ϵ∈[N[002,,.,......,,,202N[N∈-–j121,]iλ] 

=,

Ë

λλ]iai,1a,jj ϵ-∈[0N[02, ,.,......,,,202N[N∈-– j11a,]iλ]

(1)

где i = 1, ..., m, j = 1, ..., n, m, n – количество строк и столбцов изображения соответственно, N – степень квантования, как правило N = 8, 2N – число уровней квантования элементов изображения Λ.
Модель a-компонентного изображения, искаженного воздействием ИП, описывается выражением

X =  xi1, j

x2 i, j

 xia, j TT

, (2)

где

каждый

канал

x

1, i, j

...,

a

содержит

ИП

{xi, j =

λi, j с вероятностью p(λ)

,

hi, j с вероятностью p(h) = 1 – p(λ)

(3)

здесь p(λ) – вероятность появления полезного сигнала λi,j в ячейке с координатой (i, j), p(h) – вероятность появления помехи hi, j в ячейке с координатой (i, j), которая не зависит ни от наличия

помех в других координатах, ни от исходного сигнала, т.е. p(h) = const∀ i∈1, ..., m, j∈ 1, ..., n, hi, j – значения искаженных элементов в цветовых компонентах изображения, являющиеся независимыми случайными величинами с некоторым законом яркостного распределения, соответствующими интервалу квантования (1)

hi, j = rnd[0, ..., 2N – 1] .

(4)

Требуется разработать алгоритм восстанов-
ления зашумленного изображения X, позволяющий сформировать оценку Λ̂ , наиболее близкую к ее истинным значениям

||Λ̂ – Λ|| → min.

(5)

Метод и реализующий его алгоритм межканальной компенсации импульсных
помех

Предлагаемый метод межканальной ком-

пенсации ИП на многокомпонентных цифро-

вых изображениях предполагает выполнение

следующих этапов. Вначале осуществляется

обнаружение ИП в каждом цветовом канале

изображения. Затем происходит компенсация

(т.е. замена) искаженных элементов одного ка-

нала неискаженными элементами других кана-

лов. К примеру, искаженные элементы канала с

компонентой

x

1 i,

j

компенсируются

(заменяются)

значениями соответствующих по положению

элементов

других

компонент

x

2 i,

j,

...,

x

a i, j

.

При-

чем

выбор

канала

(xi2,

j,

...,

x

a i,

j

),

из

которого

будет

взято значение яркости для компенсации поте-

рянного в xi1, j уровня, осуществляется на основе принципа минимума межканального расстоя-

ния между пространственными окрестностями

соответствующих элементов, вычисляемых без

учета яркости этого элемента. Далее следует

повторная процедура оценки наличия помех

в каждом канале и покомпонентное восстанов-

ление изображения ранговым алгоритмом.

Предложенный метод рассмотрим в виде ал-

горитма для случая трехкомпонентного цифро-

вого изображения с компонентами R (красный),

G (зеленый) и B (синий), которое обозначим

в соответствии с выражением (2)

X

=

[x

R i,

j

x

G i,

j

x

B i,

j]T

.



(6)

54 “Оптический журнал”, 80, 10, 2013

Шаг 1. Предварительное покомпонентное

оценивание среднего значения яркости ИП.

Проводится грубая оценка пространственно-

го

положения

ИП

на

компонентах

x

R i,

j,

x Gi,

j,

x

B i,

j,

изображения X и вычисляется их средняя яркость. Для этого формируются матрицы x̂ 1Ri, j, x̂ 1Gi, j, x̂ 1Bi, j значений яркости обнаруженных помех



 x R, G, B  i, j

при



λi1, jP∈[0,..Q., 2N

- 1] 

]1 

N2 ,...,0[∈

j 1,iλ

x – ∑ ∑ x w ≥ TR, G, B i, j

Ë

=

λi2, j ∈[0,..., 2N p = –P q = –Q

-R1],G, B i + p, j + 

p

λia, j ∈[0,..., 2N -1]

i + p, j + q

]1- N2 ,...,0[∈ j2,iλ ]ww1ii-≠=iNi[[r2r]],,,.jj.≠=.,j0j[[r[r]]∈==j0a,1iλ

=

Ë

R, G, B
x̂ 1 =  0 при x – ∑ ∑ x w < Ti, j

λi1, jP∈[0,..Q., 2N

- 1] 

R, G, B i, j

Ë

=

λi2, j ∈[0,..., 2N p = –P q = –Q

-R1],G, B i + p, j + 

p

λia, j ∈[0,..., 2N -1]

i + p, j + q

]1 

N2 ,...,0[∈

j 1,iλ

]1- N2 ,...,0[∈ j2,iλ ]1ww-ii ≠=Nii[2[rr]],,,.j.j.≠=,0jj[[r[r]∈]==ja,0i1λ

=

Ë

,

(7)

где wi, j – весовые коэффициенты обнаружителя, i[r], j[r] – индексы заданной ранговой статистики, T – значение порога, выбираемое экспериментальным путем, T = 55, p = (–P, ..., 0, ..., P), q = (–Q, ..., 0, ..., Q) – размеры апертуры по i и j.
Далее формируются бинарные матрицы x̂ 2Ri, j, x̂ 2Gi, j, x̂ 2Bi, j оценки помех

x̂ 2iR, j,

G,

B

=

. 1 п ри x̂ 1iR, j,

  

0

при x̂ 1iR, j,

G, G,

B B

≠ =

0 0

.

(8)

После этого вычисляются средние яркости обнаруженных помех в каналах

m n

mn

–1

∑ ∑ ∑ ∑Ĥ R, G, B =

x̂ 1iR, j, G, B

x̂ 2iR, j, G, B .

i=1j=1

i=1j=1

(9)

Шаг 2. Оценивание положения ИП в каждом цветовом канале R, G и B изображения. Поскольку ИП различны по модальности [1], то для оценивания их пространственного положения на цифровых изображениях используются алгоритмы обнаружения верхнемодальных, нижнемодальных, бимодальных и равномерных ИП.
Алгоритм обнаружения верхнемодальных ИП в каналах изображения описывается выражением

 1 при VH 

∑ ∑1 P Q
x R, G, B i + p, j + p
(2P + 1)(2Q + 1) p=–P q=–Q

≤ x R, G, B i, j

ĥ

(1) i, j

R,

G,

B

=



0 при VH 

∑ ∑1 P Q
xR, G, B i + p, j + p
(2P + 1)(2Q + 1) p=–P q=–Q

> x R, G, B i, j

,

(10)

где VH – весовой коэффициент для верхнемодального обнаружителя, выбранный экспериментально, VH = 1,5.

Алгоритм обнаружения нижнемодальных ИП в каждом из каналов имеет вид

 1 при VL  

∑ ∑1 P Q
x R, G, B i + p, j + p
(2P + 1)(2Q + 1) p=–P q=–Q

≥ x R, G, B i, j

∑ ∑ĥ

(2) i, j

R,

G,

B

=

  1 PQ



0 при VL 

x R, G, B i + p, j + p
(2P + 1)(2Q + 1) p=–P q=–Q

< x R, G, B i, j

,

(11)

“Оптический журнал”, 80, 10, 2013

55

гдеVL – весовой коэффициент для нижнемодального обнаружителя, выбранный экспериментально, VL = 0,5.

Алгоритм обнаружения ИП с равномерным или бимодальным распределением яркости, основанный на разности центрального элемента апертуры с ее медианой, представляется выражением

ĥ 1 при x – ∑ ∑ x w ≥ T(3) R, G, B = 0 пр и x – ∑ ∑ x w < T.i, j

λi1, jP∈[0,...Q, 2N

- 1] 

R, G, i, j

B

Ë

=

λi2, j ∈[0,..., 2N -1R], G, B

p

=

–P

q

=

–Q

i + p, j + 

p

λia, j ∈[0,..., 2N -1]

]1 

N2 ,...,0[∈

j 1,iλ

i+

p,

j

+

q

]1- N2 ,...,0[∈ j2,iλ ]1ww-ii =≠Nii[[2rr]],,,.j.j.≠=,0jj[[[rr∈]] ==ja,0i1λ

=

Ë

λi1, jP∈[0,..Q., 2N

- 1] 

R, G, i, j

B

Ë

=

λi2, j ∈[0,..., 2N -1R], G, B

p

=

–P

q

=

–Q

i + p, j + 

p

λia, j ∈[0,..., 2N -1]

]1 

N2 ,...,0[∈

j 1,iλ

i+

p,

j

+

q

]1- N2 ,...,0[∈ j2,iλ ]w1w-ii ≠=iNi[[2rr]],,,.j.j≠.=,j0j[r[[r]∈]==j 0a, i1λ

=

Ë

(12)

На основе информации о значениях средней яркости помех Ĥ R, Ĥ G, Ĥ B (вычисленных по
формуле (9)) в r, g, b-каналах обнаружитель

принимает решение, какой из алгоритмов оценивания (10)–(12) применить к конкретному виду ИП



1 R, i, j

G,

B

=

      



(1) i, j

R,

G,

B

при

Ĥ R,

G,

B

ϵ

0,6(2N



1),

...,

(2N



1)



(2) i, j

R,

G,

B

при

Ĥ R,

G,

B

ϵ

0,

...,

0,4(2N



1)

.



(3) i, j

R,

G,

B

при

Ĥ R,

G,

B

ϵ

0,4(2N



1),

...,

0,6(2N



1)

(13)

Шаг 3. Восстановление многокомпонентных изображений с использованием межканальной обработки. После процедур обнаружения ИП в каждом цветовом канале осуществляется их компенсация на основе меж-

канальной избыточности, т.е. формирование

элементов

c

R i,

j,

c

,G
i, j

c

B i,

j

R,

G,

B-компонент

мно-

гокомпонентного изображения C. В канале R

компенсация происходит следующим обра-

зом:

xR i, j

при (ĥ 1Ri, j = 0) ˅ (ĥ 1Ri, j = 1 ˄ ĥ 1Gi, j = 1 ˄ ĥ 1Bi, j = 1)

c

R i,

j

=

xGi, j, xBi, j,

если если

|M~ R |M~ R

– –

MG| MG|

< >

|M~ R |M~ R

– –

MMBB||  при ĥ 1Ri, j = 1 ˄ ĥ 1Gi, j = 0 ˄ h ̂ 1Bi, j =

0

,

(14)

xGi, j при ĥ 1Ri, j = 1 ˄ ĥ 1Gi, j = 0 ˄ ĥ 1Bi, j = 1

xBi, j при ĥ 1Ri, j = 1 ˄ ĥ 1Gi, j = 1 ˄ ĥ 1Bi, j = 0

где символы ˄ и ˅ означают логические операции “И” и “ИЛИ”,

∑ ∑1 P Q

M

= (2P

+

1)(2Q

+

1)

p=

–P

 q = –Q

xi

+

p,

j

+

p



средняя

яркость

в

апертуре,

∑ ∑M~

1 =

[(2P + 1)(2Q + 1)] – 1

PQ

xi + p, j + p w'i + p, j + q – средняя яркость в апертуре без учета центрального

p = –P q = –Q

элемента,

111 w'i + p, j + q = 1 0 1 – весовой коэффициент.
111

56 “Оптический журнал”, 80, 10, 2013

Смысл выражения (14) состоит в том, что если помехой поражен элемент с координатой (i, j) R-компоненты, то он заменяется элементом (i, j)-ой компоненты, в которой он не искажен. Причем если не искажены помехой оба i, j-ых элемента компонент G и B, то выбор ком-

поненты для компенсации осуществляется на основе принципа минимума расстояния между окрестностью компоненты R и соответствующими окрестностями G и B-каналов.
По аналогичному принципу осуществляется компенсация в канале G, имеющая вид

xG i, j

при (ĥ 1Gi, j = 0) ˅ (ĥ 1Ri, j = 1 ˄ ĥ 1Gi, j = 1 ˄ ĥ 1Bi, j = 1)

c

G i, j

=

x

R i,

j,

xBi, j,

если если

|M~ G |M~ G

– –

MR| MR|

< |M~ G – > |M~ G –

MMBB| |  при ĥ 1Ri, j = 0 ˄ ĥ 1Gi, j = 1 ˄

ĥ 1Bi,

j

=

0

x

R i,

j

при ĥ 1Ri, j = 0 ˄ ĥ 1Gi, j = 1 ˄ ĥ 1Bi, j = 1

xBi, j при ĥ 1Ri, j = 1 ˄ ĥ 1Gi, j = 1 ˄ ĥ 1Bi, j = 0

.

(15)

В канале B компенсация оцененных на шагах 1 и 2 ИП происходит по аналогичному правилу

xB i, j

при (ĥ 1Bi, j = 0) ˅ (ĥ 1Ri, j = 1 ˄ ĥ 1Gi, j = 1 ˄ ĥ 1Bi, j = 1)

c

B i,

j

=

x

R i,

j,

xGi, j,

еессллии|M|~M~BB––MMRR| |>