自适应中值滤波器的设计与实现.docx

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自适应中值滤波器的设计与实现

北京邮电大学世纪学院

毕业设计（论文）

题目自适应中值滤波器的设计与实现

学号********

学生姓名王立阳

专业名称通信工程

所在系（院）通信与信息工程系

指导教师鞠磊

2012年6月1日

北京邮电大学世纪学院毕业设计（论文）任务书

姓名

王立阳

学号

08010321

专业

通信工程

系（院）

通信与信息工程系

设计（论文）题目

自适应中值滤波器的设计与实现

题目分类

□工程设计；■工程技术研究；□软件工程（如CAI课题等）；□专题研究；□艺术设计；□其他

题目来源

□自然科学基金与部、省、市级以上科研课题；□企、事业单位委托课题；□院级课题；■自拟课题□其他

指导教师（指导教组

组长及成员姓名）

职称

工作单位

备注

鞠磊

讲师

北京电子科技学院

指导教师

毕业设计（论文）的内容和要求：

[注意：

选题尽量与实际应用需求相结合。

要求写明本设计（论文）所涉及的分析方法或技术手段（如定性、定量分析的方法）；要求有学生独立的见解，设计内容要详细写明具体步骤和技术指标]。

图像滤波是图像处理的关键步骤，常用于图像增强图像分割前的预处理。

当前滤波方法非常多，各种算法在特定的情况下会表现出不同的效果。

通常滤波器将图像不加区别的作为一个整体处理，而不考虑图像细节差异，因此在滤除噪声的同时也不可避免的模糊了图像细节。

本课题主要研究针对图像细节特点使用中值图像滤波的方法，具体内容包括：

1、图像滤波器原理与基本方法研究；

2、分析标准中值滤波方法存在的不足；

3、提出2到3种改进方法，设计自适应中值滤波；

4、通过MATLAB编程实现，实现对具体图像的滤波，并与传统中值滤波器进行效果比较分析。

应完成的工作和提交材料要求（课题完成后应提交成果的种类、数量、质量等方面的要求）：

（1）开题报告：

调研自适应滤波器的相关技术，针对课题要求制定研究内容与实施计划，撰写3000字左右开题报告；

（2）论文的中文摘要：

200-300字左右，包含关键词，并译成英文。

英文摘要以250个左右实词为宜；

（3）论文正文不少于15000字；

（4）翻译1500汉字以上的与课题有关的技术资料或专业文献；

主要参考文献（参考文献不少于4篇，参考文献目录按GB/T7714—2005的要求填写）：

[1]1S.Haykin著.郑宝玉等译.自适应滤波器原理，北京：

第四版.电子工业出版社.2003.7

[2]何振亚，自适应信号处理，北京：

科学出版社，200.2

[3]邹国良，自适应滤波理论及应用，石家庄：

河北大学出版社，199.7

[4]胡广书，数字信号处理—理论、算法与实现，北京：

清华大学出版社，1997.

[5]赵力，语音信号处理，北京：

机械工业出版社，2003.

[6]姚天任，数字语音处理，武汉，华中科技大学出版社，199.2

[7]葛良，陶智，基于自适应滤波的语音增强算法，江苏：

苏州大学学报.2002.8

[8]韩利竹，王华，MATALB电子仿真与应用（第2版），北京：

国防工业出版社，2003.

毕业设计（论文）进度计划（从正式启动时间开始，以周为单位填写）：

第1周-第2周课题调研、查资料、撰写开题报告

第3周根据查询的资料确定总体设计思路，完成开题报告并上交.

第4周-第7周毕业设计单元部分研究,并设计出整体框架

第8周完成论文中期检查报告

第9周-第15周资料整理，撰写毕业论文；上交毕业设计论文，指导教师审查评阅设计报告，毕业

设计答辩资格审查。

毕业设计答辩，学生修改毕业设计论文，准备答辩。

第16周进行毕设答辩。

指导教师签字：

日期：

年月日

教学单位意见

审核人签字：

系（院）（盖章）

年月日

学院

意

见

审核专家签字：

年月日

备注1、由指导教师撰写，可根据长度加页，一式三份，教务处、系（院）各留存一份，发给学生一份，任务完成后附在论文内；

2、凡审核不通过的任务书，请重新申报。

北京邮电大学世纪学院

毕业设计（论文）诚信声明

本人声明所呈交的毕业设计（论文），题目《自适应中值滤波器的设计与实现》是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。

本人签名：

日期：

毕业设计（论文）使用权的说明

本人完全了解北京邮电大学世纪学院有关保管、使用论文的规定，其中包括：

①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存论文；③学校可允许论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容。

本人签名：

日期：

指导教师签名：

日期：

题目自适应中值滤波器的设计与实现

摘要

图像是一种重要的信息源，通过图像处理可以帮助人们了解信息的内涵。

然而在图像使用传输过程中，不可避免会受到噪声的干扰。

中值滤波器是能够有效滤除脉冲噪声的非线性滤波器，但标准中值滤波去脉冲噪声的性能受滤波窗口尺寸的影响较大,在抑制图像噪声和保护细节两方面存在矛盾。

本文在研究中值滤波器的基础上，给出了一种能够根据噪声位置进行中值滤波器的自适应中值滤波方法，该方法可以有效地克服中值滤波器造成图像边缘模糊的缺点。

最后通过matlab对所提出方法进行了仿真测试，结果验证了所提方法的有效性。

关键词图像处理中值滤波自适应MATLAB

TitleAdaptivemedianfilterofdesignandimplementation

Abstract

Theimageisakindofimportantinformationsource.Andtheimage-processingcanhelppeopleunderstandtheconnotationoftheinformation.However,intheprocessofimagetransmission,theimageisinevitablyaffectedbythenoise.MedianFilteristhenonlinearimpulsenoisefilterthatisabletoeffectivelyfilteroutnoise.ButtheperformanceofstandardMedianFilterlargelyaffectedbythesizefilteringwindow.Sotherearecontradictionsbetweentheimagenoisesuppressionandimagedetailprotection.Andthispaper,basedonthestudyofthebasisoftheMedianFilter,presentedanoise-positioningandself-adaptivemedianfilteringmethodwhichcaneffectivelyovercomeshortcomingsoffuzzyedgesintheimages.Atlastthesimulationtest,basedonamethodfromMATLAB,demonstratesthevalidityofthemethod.

KeywordsImageMedianFlteringAdaptiveMATLAB

1．前言

1.1自适应滤波器

滤波技术广泛地用于图象的预处理,抑制图象噪声,增强对比度,以及强化图象的边沿特征.运用较为广泛的线性滤波器如平均值滤波器,能较好地抑制图象中的加性噪声.但是,线性滤波器会引起图象的钝化或模糊,使得图象中物体边界产生位移.特别是,在图象受到乘性噪声或脉冲噪声的干扰,如超声波及雷达成像中普遍存在的斑点噪声,线性滤波器就不能取得预期的效果.如何设计合适的滤波器来去除脉冲噪声并且保持图象的局部细节,是一个重要且实用的课题.中值滤波是由Tukey首先用于一维信号处理,后来被用到二维图象的平滑中.该滤波器对脉冲干扰及椒盐噪声的抑制效果好,同时能够保持图象的边沿特征.中值滤波器是对一个滑动窗口内的象素灰度值排序,用其中间值代替窗口中心象素的灰度,它是一种非线性滤波器.例如滤波窗口由3×3个象素组成,则其中5个象素的灰度值会小于等于该滤波器的输出灰度值,同时5个象素的灰度值会大于等于滤波器的输出.由此可见,对于离散的脉冲信号,当其出现的次数小于窗口尺寸的一半时,将被抑制掉.中值滤波法也能较好地保证图象的边沿特征,而且易于实现.因此它被广泛地应用于图象处理。

1.2自适应滤波器研究现状

图像在形成、传输过程中,常因外界噪声干扰而导致其质量退化,为减小噪声的影响,可采取各种滤波方法对图像进行去噪处理,中值滤波由于可对长拖尾概率分布的噪声起到良好的平滑效果且可对图像中的某些细节起到保护作用,因而在图像降噪处理中得到了比较广泛的应用,但标准中值滤波去脉冲噪声的性能受滤波窗口尺寸的影响较大,在抑制图像噪声和保护细节两方存在一定的矛盾[1][2]:

窗口滤波小,可较好地保护图像中某些细节,但滤除噪声的能力会受到限制;滤波窗口大,可加强噪声抑制能力,但对细节的保护能力会减弱,有时会滤去图像中的一些细线、尖锐边角等重要细节,从而破坏图像的几何结构这种矛盾在图像中噪声干扰较大时表现得尤为明显。

自适应中值滤波器的滤波方式和常规的中值滤波器一样，都使用一个矩形区域的窗口Sxy，不同的是在滤波过程中，自适应滤波器会根据一定的设定条件改变（即增加）滤波窗的大小，同时当判断滤波窗中心的像素是噪声时，该值用中值代替，否则不改变其当前像素值，这样用滤波器的输出来替代像素（x,y）处（即目前滤波窗中心的坐标）的值。

自适应中值滤波器可以处理噪声概率更大的脉冲噪声，同时能够更好地保持图像细节，这是常规中值滤波器做不到的。

自适应中值滤波总体上可以分为三步:

（1）对图像各区域进行噪声检测;

（2）根据各区域受噪声污染的状况确定滤波窗口的尺寸;（3）对检测出的噪声点进行滤波。

1.3论文安排

本文首先介绍数字图像处理的基本理论，然后具体研究了中值滤波器的理论。

最后提出了自适应中值滤波方法,并通过matlab对所提出方法进行了验证。

第一章对自适应中值滤波器进行了简介；

第二章介绍了图像处理的基本概念；

第三章重点研究了图像滤波技术；

第四章在前期研究基础上提出了一种自适应中值滤波方法及其仿真实现。

页脚，宋体，五号，目录前后用不同页码编码，这儿从1开始编码

2.数字图像处理简介

图像是自然界景物的客观反映，是人类认识世界和人类本身的重要源泉[1]。

据计，人类获取的信息，绝大多数来自视觉，因此，图像作为视觉信息获取和传播的要载体，随着科技的飞速发展，也越来越受到人们的重视。

目前，图像处理技术已为工程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理学、化学、生物学、医学甚至社科学等领域各学科之间学习和研究的对象。

它己给人类带来了巨大的经济和社会效，不久的将来它不仅在理论上会有更深入的发展，在应用上也是科学研究、社会生产至人类社会生活中不可缺少的强有力工具。

2.1数字图像处理技术的优点

数字图像处理技术的优点:

1.再现性好。

数字图像处理与模拟图像处理的根本不同在于，它不会因图像的存储、传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化。

只要图像在数字化准确地表现了原稿，则数字图像处理过程始终能保持图像的真实再现。

2.处理精度高。

按目前的技术，几乎可将一幅模拟图像数字化为任意大小的二维数组，这主要取决于图像数字化设备的能力。

现代扫描仪可以把每个像素的灰度级量化为16位甚至更高，这意味着图像的数字化精度可以满足任一应用需求。

从原上讲不论图像的精度有多高，处理总是能实现的，只要在处理时改变程序中的数组数就可以了。

3.适用面宽。

图像可以来自多种信息源。

从图像反映的客观实体尺度看，以小到电子显微镜图像，大到航空照片、遥感图像甚至天文望远镜图像。

这些来自同信息源的图像只要被变换为数字编码形式后，均是用二维数组表示的灰度图像组而成，因而均可用计算机来处理。

4.灵活性高。

由于图像的光学处理从原理上讲只能进行线性运算，极大地制了光学图像处理能实现的目标;而数字图像处理不仅能完成线性运算，而且能实非线性处理，即凡是可以用数学公式或逻辑关系来表达的一切运算均可用数字图像处理实现。

5.信息压缩的潜力大。

数字图像中各个像素是不独立的，其相关性大。

在图像画面上，经常有很多像素有相同或接近的灰度。

就电视画面而言，同一行中相邻两个像素或相邻两行间的像素，其相关系数可达0.9以上，而相邻两帧之间的相关性和帧内相关性相比，一般来说相邻两帧之间的相关性还要大些。

因此，图像处理中信息压缩的潜力很大。

2.2制约数字图像处理技术发展的因素如下

1.数字图像处理占用的频带较宽。

与音频信息相比，占用的频带要大几个数量级。

如电视图像的带宽约5.6MHz，而语音带宽仅为4kHz左右。

所以在成像、传输、存储、处理、显示等各个环节的实现上，技术难度较大，成本高。

2.由于图像是三维景物的二维投影，一幅图像本身不具备复现三维景物的全部几何信息的能力，三维景物背后部分信息在二维图像画面上是反映不出来的。

因此，要分析和理解三维景物必须作合适的假定或附加新的测量;在理解三维景物时需要知识导引，这也是人工智能中正在致力解决的知识工程问题。

3.图像处理出来的图片最终是给人观察和评价的，因此它受人的因素影响较大，由于人的视觉系统很复杂，受环境条件、视觉性能、人的情绪、兴趣及知识状况影响很大，因此，要求图像处理系统与人的视觉系统要有良好的“匹配”，但是目前要做到这一点是有很大困难的，因为到目前为止人们对人的视觉系统研究还很不充分，必须在进一步研究视觉的生理和心理特征和图像的统计规律之后，才能很好地解决这个问题。

2.3数字图像处理的主要功能

数字图像处理的主要功能是将获得的低质量图像（反差小，模糊，有噪声等）用计算机处理成更适合人眼观察、实际应用或仪器检测的图像。

随着计算机技术的飞速发展、高性能计算机的普及和计算机软件水平的提高，特别是多媒体技术、通信技术、信息存储技术和以Internet为代表的计算机网络技术的加速发展和广泛普及，数字图像处理获得飞速的发展，形成了许多重要的图像处理分支。

总的来说，图像处理的分支可以分为三部分，对应于不同的科学研究目的。

第一个目的是对图像的最小物理存储的寻找，这个学科叫做图像压缩;第二个目的是把一个带有噪声、模糊或有其它扰动的图像复原;第三个目的是分析（analysis），我们说的图像分析（imageanalysis），它的目的不是去除噪声或压缩，而是找出主要部分的不变量并且可以从大量的图形数据库中辨识物体。

2.4图像处理方法

图像处理方法也很多，主要包括图像数据编码与压缩、图像增强与复原、图像传输、平滑、边缘锐化、图像分割、特征抽取、图像去噪、图像识别与理解等内容。

经过这些处理，输出图像的质量得到相当程度的改善，既提高了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别。

图像的表现形式很多，但都有一个共同的特点，即图像是二维或三维空间信息。

为了本文研究的方便，这里我们主要来介绍一下二维图像。

平面上每一点仅包括两个坐标值，因此，平面图像函数是连续的二维函数，如式（2.1）所示:

式（2.1）

数字图像是连续图像f（x,y）的一种近似表示，通常用由采样点的值所组成的矩阵来表示，如图2-1所示：

图2-1数字图像的矩阵表示图

2.5图像的类型

图像类型是指数组数值与像素颜色之间定义的关系，它与图像格式的概念有所不

同，常见的有四种类型的图像。

2.5.1二进制图像

在一幅二进制图像中，每一个像素将取两个离散数值（0或1）中的一个，从本质上说，这两个数值分别代表状态开或关。

因为图像中的每个像素仅需1位信息，常把二进制图像称为是1位图像。

单色图像具有比较简单的格式.一般由黑色区域和白色区域组成。

2.5.2灰度图像

灰度图像具有如下特征:

1.灰度图像的存储文件带有图像颜色表，此颜色表共有256项，图像颜色表中一表项由红、绿、蓝颜色分量组成，并且红、绿、蓝颜色分量值都相等。

2.每个像素由8位组成，其值范围从O-255，表示256种不同的灰度级。

2.5.3伪彩色图像

伪彩色图像与灰度图像相似，其存储文件中也带有图像颜色表，伪彩色图像具有如下特点:

1.图像颜色表中的红、绿、蓝颜色分量值不全相等。

2.整幅图像仅有256种颜色，要表示256种不同的颜色，像素必须由8位组成，每个像素的像素值不是由每个基色分量的数值直接决定的，我们把具有256色的图像称为8位彩色图像。

2.5.4位真彩色图像

具有全彩色照片表达能力的图像为24位彩色图像，24位真彩色图像存储文件中不带有图像颜色表，其具有如下特征:

1.图像中每一像素由RGB三个分量组成，每个分量各占8位，每个像素需24位。

2.红、绿、蓝三个分量的取值范围是O-255。

2.6图像的常见格式

图像文件按其数字图像格式的不同一般具有不同的扩展名。

最常见的是:

BMP、GIF、TIFF、JPEG等[1]。

2.6.1图像的常见格式和类型

图像文件按其数字图像格式的不同一般具有不同的扩展名。

最常见的是:

BMP、GIF、TIFF、JPEG等[1][36]。

下面简单介绍一下。

2.6.1.1BMP（Bitmap）文件

BMP文件是MicrosoftWindows所定义的图像文件格式，最早应用在微MicrosoftWindows窗口系统中。

BMP图像文件具有以下特点:

（1）只存放一副图像;

（2）只能存储单色、16色、256色和真彩色四种图像数据;（3）图像数据有压缩两种处理方式;（4）调色板的数据存储结构较为特殊，存储格式不是固定与文件头的某些具体参数（如像素位、压缩算法等）密切相关的。

其中，Windows设有RLE4和RLE8两种压缩方式，RLE4只能处理16色图像数据，RLE8则只能压缩256色图像数据。

BMP图像文件的文件结构由文件头、位图信息头、颜色信息和图像数据成其中，表头长度固定为54个字节，只有真彩色BMP图像文件内没有调色其余不超过256种颜色的图像文件都必须有调色板信息。

2.6.1.2GIF文件

GIF图像文件格式是CompuServe公司最先在网络中用于在线传送图像数据。

GIF图像文件经常用于网页的动画等特技制作。

具有以下特点：

（1）文件具有多元化结构，能够储存多张图像，多图像的定序或覆盖，交错屏幕绘图以及文本覆盖;

（2）调色板数据有通用调色板和局部调色板之分;（3）采用了LZW压缩法;（4）图像数据一个字节存储一点;（5）文件内的各种图像数据区和补充区多数没有固定的数据长度和存储位置，为了方便程序寻找数据区，就以数据区的第一个字节作为标识符，以使程序能够判断读到哪种数据区;（6）图像数据有顺序排列和交叉排列两种方式;（7）图像最多只能存储256色图像。

GIF图像文件结构一般由表头、通用调色板、图像数据区以及四个补充区共七个数据单元组成。

其中，表头和图像数据区是文件不可缺少的单元，通用调色板和其余的四个补充区是可选择内容。

2.6.1.3TIF文件

TIF图像文件格式是现有图像文件格式中最复杂的一种，其主要特点如下:

（1）应用指针功能，实现多幅图像存储;

（2）文件内数据区没有固定的排列顺序，但规定表头必须在文件前端，标识信息区和图像数据区在文件中可以任意存放;（3）可制定私人用的标识信息;（4）能够接受除了一般图像处理RGB模式之外的多种不同的图像模式;（5）可存储多份调色板数据，其调色板的数据类型和排列顺序较为特殊;（6）能够提供多种不同的压缩数据的方法;（7）图像数据可分割成几个部分进行分别存档。

TIF图像文件主要由表头、标识信息区和图像数据区三部分组成。

其中，文件内固定只有一个位于文件前端的表头，表头有一个标志参数指出标识信息区在文件中的存储地址，标识信息区有多组标识信息用于存储图像数据区的地址。

每组标识信息长度固定为12个字节，前8个字节分别表示标识信息的代号（2个字节）、数据类型（2个字节）、数据量（4个字节），最后4个字节用于存储数据值或标志信息。

2.6.1.4JPEG格式

JPEG是对静止灰度或彩色图像的一种国际压缩标准，其正式的名称是“连续色调静态图像的数学压缩和编码”,己在数字照相机上得到广泛使用，当选用有损压缩方式时其可节省相当大的空间。

JPGE标准只是定义了一个规范的编码数据流，并没有规定图像数据文件的格式。

CubeMicrosystems公司定义了一种JPGE文件交换格式JFIF。

JFIF图像是一种或者使用灰度表示，或者使用Y，Cb，Cr分量彩色表示的JPEG图像。

它包含一个与JPEG兼容的头。

一个JFIF文件通常包含单个图像，图像可以是灰度的，也可以是彩色的。

图像类型是指数组数值与像素颜色之间定义的关系，它与图像格式的概念有所不同，常见的有四种类型的图像。

2.7应用领域

　　图像是人类获取和交换信息的主要来源，因此，图像处理的应用领域必然涉及到人类生活和工作的方方面面。

随着人类活动范围的不断扩大，图像处理的应用领域也将随之不断扩大。

1.航天和航空方面

　　航天和航空技术方面的应用数字图像处理技术在航天和航空技术方面的应用，除了JPL对月球、火星照片的处理之外，另一方面的应用是在飞机遥感和卫星遥感技术中。

许多国家每天派出很多侦察飞机对地球上有兴趣的地区进行大量的空中摄影。

对由此得来的照片进行处理分析，以前需要雇用几千人，而现在改用配备有高级计算机的图像处理系统来判读分析，既节省人力，又加快了速度，还可以从照片中提取人工所不能发现的大量有用情报。

从60年代末以来，美国及一些国际组织发射了资源遥感卫星（如LANDSAT系列）和天空实验室（如SKYLAB），由于成像条件受飞行器位置、姿态、环境条件等影响，图像质量总不是很高。

因此，以如此昂贵的代价进行简单直观的判读来获取图像是不合算的，而必须采用数字图像处理技术。

如LANDSAT系列陆地卫星，采用多波段扫描器（MSS），在900km高空对地球每一个地区以18天为一周期进行扫描成像，其图像分辨率大致相当于地面上十几米或100米左右（如1983年发射的LANDSAT-4，分辨率为30m）。

这些图像在空中先处理（数字化，编码）成数字信号存入磁带中，在卫星经过地面站上空时，再高速传送下来，然后由处理中心分析判读。

这些图像无论是在成像、存储、传输过程中，还是在判读分析中，都必须采用