【图像处理】-009 图像噪声

图像噪声

文章目录

  • 1 图像退化/复原过程模型
  • 2 噪声模型
    • 2.1 噪声的空间和频率特性
  • 3 高斯噪声
    • 3.1 高斯噪声的概率密度函数
    • 3.2 实例
  • 4 瑞利噪声
    • 4.1 瑞利噪声的额概率密度函数
  • 5 爱尔兰(伽马)噪声
  • 6 指数噪声
  • 7 均匀噪声
  • 8 脉冲(椒盐)噪声

1 图像退化/复原过程模型

  退化过程被建模为一个退化函数和一个加性噪声项,对一幅输入图像 f ( x , y f(x,y f(x,y进行处理,产生一幅退化后的图像 g ( x , y g(x,y g(x,y。给定 g ( x , y g(x,y g(x,y和关于退化函数 H H H的一些知识及关于加性噪声项 η ( x , y ) \eta(x,y) η(x,y)的一些知识后,图像复原的目的就是获得原始图像的一个估计 f ^ ( x , y ) \hat{f}(x,y) f^(x,y)。如果 H H H是一个线性的、位置不变的过程,那么空间域中的退化图像可由下式给出:
(1) g ( x , y ) = h ( x , y ) ⋆ f ( x , y ) + η ( x , y ) g(x,y)=h(x,y) \star f(x,y)+\eta (x,y) \tag{1} g(x,y)=h(x,y)f(x,y)+η(x,y)(1)
  其中 h ( x , y ) h(x,y) h(x,y)是退化函数的空间表示,符号 ⋆ \star 表示空间卷积。由于空间域中的卷积等同于频率域中的乘积,那么式 ( 1 ) (1) (1)可以写成等价的频率域中的形式:
(2) G ( u , v ) = H ( u , v ) F ( u , v ) + N ( u , v ) G(u,v)=H(u,v)F(u,v)+N(u,v) \tag{2} G(u,v)=H(u,v)F(u,v)+N(u,v)(2)
【图像处理】-009 图像噪声_第1张图片

2 噪声模型

  数字图像中,噪声主要来源于图像的获取或传输过程。

2.1 噪声的空间和频率特性

  频率特性是指傅立叶域中噪声的频率内容(即相对于电磁波普的频率)。当噪声的傅立叶谱是常量时,噪声通常称为白噪声,这是从白光的物理特性派生出来的,它以相等的比例包含可见光谱中的几乎所有频率。以相同比例包含所有频率的函数的傅立叶谱是一个常量。

3 高斯噪声

3.1 高斯噪声的概率密度函数

  在空间域和频率域中,由于高斯噪声的数学上的易处理性,故实践中常用这种噪声(也称为正态噪声)模型。高斯随机变量 z z z的PDF由下式给出:
(3) p ( z ) = 1 2 π σ e − ( z − z ‾ ) 2 2 σ 2 p(z)=\frac{1}{\sqrt{2 \pi}\sigma }e^{-\frac{(z- \overline{z})^2}{2 \sigma ^2}} \tag{3} p(z)=2π σ1e2σ2(zz)2(3)
  其中, z z z表示灰度值, z ‾ \overline{z} z表示灰度均值, σ \sigma σ表示灰度标准差,标准差的平方 σ 2 \sigma ^2 σ2称为 z z z的方差。

【图像处理】-009 图像噪声_第2张图片

3.2 实例

clc;
clear;
close all;

% 读取源图像
srcimg = imread('../images/18.jpg');
srcimg = im2double(srcimg);
[height,width,channels]=size(srcimg);
figure(1),imshow(srcimg),title('原图');

%% 加高斯噪声
res_gaussian = imnoise(srcimg,'gaussian',0,0.01);
figure(2),imshow(res_gaussian),title('高斯噪声结果');
imwrite(res_gaussian,'../images/18_gaussian-0-0.0.jpg');

4 瑞利噪声

4.1 瑞利噪声的额概率密度函数

  瑞利噪声的PDF如下:
(4) p ( z ) = { 2 b ( z − a ) e − ( z − a ) 2 / b , z ≥ a 0 , z < a p(z)=\begin{cases} \frac{2}{b}(z-a)e^{-(z-a)^{2}/b},&z \geq a\\ &&&&\\ 0,& z < a \end{cases} \tag{4} p(z)=b2(za)e(za)2/b,0,zaz<a(4)
  其概率密度的均值和方差如下:
z ‾ = a + π b / 4 \overline{z}=a+\sqrt{\pi b/4} z=a+πb/4
σ 2 = b ( 4 − π ) 4 \sigma ^2=\frac{b(4-\pi)}{4} σ2=4b(4π)
注意,距原点的位移和密度的基本形状向右变形了这一事实。瑞利密度对于近似歪斜的直方图十分适用。

【图像处理】-009 图像噪声_第3张图片

5 爱尔兰(伽马)噪声

  爱尔兰噪声的PDF由下式给出:
(5) p ( z ) = { a b z b − 1 ( b − 1 ) ! e − a z , z ≥ a 0 , z < a p(z)=\begin{cases} \frac{a^{b}z^{b-1}}{(b-1)!}e^{-az},&z \geq a\\ &&&&\\ 0,& z < a \end{cases} \tag{5} p(z)=(b1)!abzb1eaz,0,zaz<a(5)
  其中参数 a > 0 a>0 a>0, b b b为正整数,并且 ! ! !表示阶乘。其概率密度的均值和方差由
z ‾ = b a \overline{z}=\frac{b}{a} z=ab

σ 2 = b a 2 \sigma ^2=\frac{b}{a^2} σ2=a2b

6 指数噪声

  指数噪声的PDF如下:
(6) p ( z ) = { a e − a z , z ≥ 0 0 , z < 0 p(z)=\begin{cases} ae^{-az},&z \geq 0\\ &&&&\\ 0,& z < 0 \end{cases} \tag{6} p(z)=aeaz,0,z0z<0(6)
  其中 a > 0 a>0 a>0,概率密度函数的均值和方差是:
z ‾ = 1 a \overline{z}=\frac{1}{a} z=a1

σ 2 = 1 a 2 \sigma ^2 = \frac{1}{a^2} σ2=a21

7 均匀噪声

  指数噪声的PDF如下:
(7) p ( z ) = { 1 b − a , a ≤ z ≤ b 0 , 其 他 p(z)=\begin{cases} \frac{1}{b-a},&a \leq z \leq b\\ &&&&\\ 0,& 其他 \end{cases} \tag{7} p(z)=ba1,0,azb(7)
  概率密度函数的均值和方差是:
z ‾ = a + b 2 \overline{z}=\frac{a+b}{2} z=2a+b

σ 2 = ( b − a ) 2 12 \sigma ^2 = \frac{(b-a)^2}{12} σ2=12(ba)2

8 脉冲(椒盐)噪声

  指数噪声的PDF如下:
(8) p ( z ) = { P a , z = a P b , z = b 1 − P a − P b , 其 他 p(z)=\begin{cases} P_a,&z = a\\ &&&&\\ P_b,&z=b\\ &&&&\\ 1-P_{a}-P_{b},&其他 \end{cases} \tag{8} p(z)=Pa,Pb,1PaPb,z=az=b(8)
  如果 b > a b>a b>a,则灰度级 b b b在图像中将显示为一个两点,反之,灰度级 a a a在图像中将显示为一个暗点。若 P a P_a Pa P b P_b Pb为0,则脉冲噪声为单极脉冲。如果 P a P_a Pa P b P_b Pb两者均不可能为0,则脉冲噪声值将类似于在图像上随机分布的胡椒和盐粉微粒,双极脉冲噪声也称为椒盐噪声。

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