1、第第9章章 数学形态学及其应用数学形态学及其应用内容提要内容提要:n 9.1 概述概述n 9.1.1 数学形态学的发展简史及基本思想数学形态学的发展简史及基本思想n 9.1.2 几个基本概念几个基本概念n 9.2 二值形态学二值形态学n 9.2.1 二值腐蚀二值腐蚀n 9.2.2 二值膨胀二值膨胀n 9.2.3 二值开运算二值开运算n 9.2.4 二值闭运算二值闭运算n9.3 灰值形态学灰值形态学n9.3.19.3.4 灰度腐蚀、膨胀、开运算、闭运算灰度腐蚀、膨胀、开运算、闭运算n9.3.5 灰值形态学梯度灰值形态学梯度n9.3.6 高帽变换和低帽变换高帽变换和低帽变换n9.3.7 开闭运算和
2、闭开运算开闭运算和闭开运算n9.4 彩色形态学（选学）彩色形态学（选学）n9.4.1 彩色形态学的基本方法彩色形态学的基本方法n9.4.2 基于数学形态学的彩色图像滤波基于数学形态学的彩色图像滤波9.1 概述概述u 9.1.1 9.1.1 数学形态学的发展简史及基本思想数学形态学的发展简史及基本思想u可回溯到可回溯到19世纪世纪Euler、20世纪世纪Minkowski等人的研究。等人的研究。u1964年法国的年法国的Matheron和和Serra在积分几何的研究成果在积分几何的研究成果上，将数学形态学引入图像处理领域，并研制了基于数上，将数学形态学引入图像处理领域，并研制了基于数学形态学的图
3、像处理系统。学形态学的图像处理系统。u1968年在巴黎矿业学院创建了数学形态学研究中心。年在巴黎矿业学院创建了数学形态学研究中心。uMatheron于于1975年出版的年出版的Random Sets and Integral Geometry一书论述了随机集合论、积分几何论和拓扑一书论述了随机集合论、积分几何论和拓扑逻辑论，为数学形态学奠定了坚实的理论基础。逻辑论，为数学形态学奠定了坚实的理论基础。u1982年年Serra的专著的专著Image Analysis and Mathematical Morphology是数学形态学发展的重要里程碑。是数学形态学发展的重要里程碑。u1985年以后，
4、一些相关领域的国际会议开始把数学形态学年以后，一些相关领域的国际会议开始把数学形态学列为学术讨论专题，或专门举行研讨会。列为学术讨论专题，或专门举行研讨会。u1990年起，年起，SPIE每年举办一次每年举办一次“Image Algebra and Morphological Image Processing”会议。会议。u1986年年计算机视觉与图形图像处理杂志计算机视觉与图形图像处理杂志(GVGIP)出版出版了数学形态学专刊了数学形态学专刊u1989年和年和1994年年 Journal of Signal Processing出版了出版了形态学在信号处理中的应用研究专辑。形态学在信号处理中的
5、应用研究专辑。数学形态学是研究空间结构的形状、框架的学科数学形态学是研究空间结构的形状、框架的学科 以积分几何、集合代数及拓扑论为理论基础，此以积分几何、集合代数及拓扑论为理论基础，此外还涉及随机集论、近世代数和图论等一系列数外还涉及随机集论、近世代数和图论等一系列数学分支。学分支。数学形态学的理论虽然很复杂，被称为数学形态学的理论虽然很复杂，被称为“惊人的惊人的数学数学”，但它的基本思想却是简单而完美的。，但它的基本思想却是简单而完美的。数学形态学的基于集合的观点是极其重要的。数学形态学的基于集合的观点是极其重要的。数学形态学的基于集合的观点数学形态学的基于集合的观点（1 1）运算由集合运算
6、（如并、交、补等）来定义；）运算由集合运算（如并、交、补等）来定义；（2 2）所有的图像都必须以合理的方式转换为集合。）所有的图像都必须以合理的方式转换为集合。形态学算子的性能主要以几何方式进行刻画，更适形态学算子的性能主要以几何方式进行刻画，更适合视觉信息的处理和分析。合视觉信息的处理和分析。基本思想：基本思想：利用结构元素作为利用结构元素作为“探针探针”在图像中不断移动，在此过程在图像中不断移动，在此过程中收集图像的信息、分析图像各部分间的相互关系，从而中收集图像的信息、分析图像各部分间的相互关系，从而了解图像的结构特征。了解图像的结构特征。图图9.1 9.1 数学形态学的方法数学形态学的
7、方法移位、交、并等集合运算移位、交、并等集合运算输出图像输出图像输入图像输入图像结构元素结构元素 结构元素的选择十分重要结构元素的选择十分重要 根据探测研究图像的不同结构特点，结构元素可携带形态、根据探测研究图像的不同结构特点，结构元素可携带形态、大小、灰度、色度等信息。大小、灰度、色度等信息。不同点的集合形成具有不同性质的结构元素。由于不同的不同点的集合形成具有不同性质的结构元素。由于不同的结构元素可以用来检测图像不同侧面的特征，因此设计符结构元素可以用来检测图像不同侧面的特征，因此设计符合人的视觉特性的结构元素是分析图像的重要步骤。合人的视觉特性的结构元素是分析图像的重要步骤。最基本的形态
8、学运算有：膨胀最基本的形态学运算有：膨胀,腐蚀腐蚀，开，闭。，开，闭。用这些算子及其组合来进行图像形状和结构的分析及处理，用这些算子及其组合来进行图像形状和结构的分析及处理，可以解决可以解决抑制噪声、特征提取、边缘检测、形状识别、纹理分析、图像恢抑制噪声、特征提取、边缘检测、形状识别、纹理分析、图像恢复与重建等方面的问题。复与重建等方面的问题。数学形态学进行图像处理有其独有的特性：数学形态学进行图像处理有其独有的特性：（1 1）反映的是一幅图像中像素点间的逻辑）反映的是一幅图像中像素点间的逻辑关系，而不是简单的数值关系。关系，而不是简单的数值关系。（2 2）是一种非线性的图像处理方法，并且）是
9、一种非线性的图像处理方法，并且具有不可逆性。具有不可逆性。（3 3）可以并行实现。）可以并行实现。（4 4）可以用来描述和定义图像的各种集合）可以用来描述和定义图像的各种集合参数和特征。参数和特征。9.1.2 几个基本概念几个基本概念1.击中与击不中击中与击不中设有两幅图像设有两幅图像A和和B，如果，如果AB（空集），那么称（空集），那么称B击中击中（hit）A，记为，记为BA，；否则，如果，；否则，如果AB=，称，称B击不中击不中（miss）A。2.平移和反射平移和反射设设A是一幅数字图像，是一幅数字图像，a是是A的元素的元素；b是一个点，那么定义是一个点，那么定义A被被b平移后的结果为平移
10、后的结果为 Abab|aA （9.1）即整个图像沿着向量即整个图像沿着向量b的方向平行移动。的方向平行移动。一幅数字图像一幅数字图像A关于原点的反射定义为关于原点的反射定义为 AVa|-aA （9.2）3.结构元素结构元素 结构元素与被处理的目标图像中抽取何种信息密结构元素与被处理的目标图像中抽取何种信息密切相关。切相关。在考察目标图像各部分之间的关系时，需要设计在考察目标图像各部分之间的关系时，需要设计一种一种“结构元素结构元素”。在图像中不断移动结构元素，。在图像中不断移动结构元素，就可以考察图像之间各部分的关系。就可以考察图像之间各部分的关系。根据不同的图像分析目的，常用的结构元素有方根
11、据不同的图像分析目的，常用的结构元素有方形、扁平形、圆形等。形、扁平形、圆形等。在多尺度形态学分析中，结构元素的大小可以变在多尺度形态学分析中，结构元素的大小可以变化，但结构元素的尺寸一般地要明显小于目标图化，但结构元素的尺寸一般地要明显小于目标图像的尺寸。像的尺寸。9.2 9.2 二值形态学二值形态学 二值图像是数字图像的重要子集，指灰度值二值图像是数字图像的重要子集，指灰度值只取两种值的图像。只取两种值的图像。两个灰度值可取为两个灰度值可取为0（相应的点构成背景）和（相应的点构成背景）和1（相应的点构成景物）。（相应的点构成景物）。二值形态学处理算法都是以膨胀二值形态学处理算法都是以膨胀,
12、腐蚀这两种腐蚀这两种最基本的运算为基础的。最基本的运算为基础的。一般设集合一般设集合A为图像集合，集合为图像集合，集合B为结构元素，为结构元素，数学形态学运算是用数学形态学运算是用B对对A进行操作。进行操作。9.2.1 9.2.1 二值腐蚀二值腐蚀集合集合A A（输入图像）被集合（输入图像）被集合B B（结构元素）腐蚀（结构元素）腐蚀:A BA B (9.3)(9.3)AxBx:dd/8d/8dd/4d/4A AB B A AB Bd图图9.2 9.2 腐蚀示意图腐蚀示意图9.2.2 二值膨胀二值膨胀 腐蚀运算的对偶运算，通过对补集的腐蚀来定义。腐蚀运算的对偶运算，通过对补集的腐蚀来定义。以以
13、AC表示集合表示集合A的补集，的补集，表示表示B关于坐标原点的关于坐标原点的反射。反射。集合集合A被集合被集合B膨胀表示为：膨胀表示为：B图图9.3 9.3 膨胀示意图膨胀示意图腐蚀和膨胀操作的直观解释腐蚀和膨胀操作的直观解释 腐蚀是对图像内部作滤波处理，而膨胀是腐蚀是对图像内部作滤波处理，而膨胀是利用结构元素对图像补集进行填充，因而利用结构元素对图像补集进行填充，因而它是对图像外部作滤波处理。它是对图像外部作滤波处理。腐蚀具有收缩图像的作用，膨胀具有扩大腐蚀具有收缩图像的作用，膨胀具有扩大图像的作用。图像的作用。9.2.3 二值开运算二值开运算 两种二次运算起着非常重要的作用两种二次运算起着
14、非常重要的作用开运算开运算闭运算（开运算的对偶运算）闭运算（开运算的对偶运算）。从结构元素填充的角度看，它们具有更从结构元素填充的角度看，它们具有更为直观的几何形式。为直观的几何形式。开运算的定义 假设假设A仍为输入图像，仍为输入图像，B为结构元素，利用为结构元素，利用B对对A作开运算，用符号作开运算，用符号AB表示，其定义表示，其定义为：为：或或p可以通过计算所有可以填入图像内部的结构元素平可以通过计算所有可以填入图像内部的结构元素平移的并集求得。移的并集求得。p当结构元素当结构元素B扫过整个图像集合内部，扫过整个图像集合内部，AB就是使结构就是使结构元素元素B的任何像素不越出图像的任何像素
15、不越出图像A边界的图像边界的图像A像素点的集合。像素点的集合。图图9.4 9.4 利用圆盘作开运算利用圆盘作开运算 BBABAABABAOB9.2.4 二值闭运算二值闭运算n 闭运算是开运算的对偶运算，定义为先作膨闭运算是开运算的对偶运算，定义为先作膨胀后作腐蚀。胀后作腐蚀。n 或或u开、闭运算也互为对偶运算开、闭运算也互为对偶运算u开运算具有磨光图像外边界的作用开运算具有磨光图像外边界的作用u闭运算具有磨光图像内边界的作用闭运算具有磨光图像内边界的作用图图9.5 9.5 利用圆盘作闭运算利用圆盘作闭运算9.3 灰值形态学灰值形态学 在灰度图像形态处理中，输入和输出的图在灰度图像形态处理中，输
16、入和输出的图像都是灰度级形式的像都是灰度级形式的 输入和输出像素值是在最低灰度值到最高灰度输入和输出像素值是在最低灰度值到最高灰度值之间。值之间。9.3.1 灰值腐蚀灰值腐蚀 形态学源于填充的概念形态学源于填充的概念灰值形态学处理的对象是图像信号波形的拓扑特性，灰值形态学处理的对象是图像信号波形的拓扑特性，结构元素也是一个信号。结构元素也是一个信号。二值形态学中，集合的交、并运算起到关键作用二值形态学中，集合的交、并运算起到关键作用在灰值形态学中这两种运算对应与极大和极小运算。在灰值形态学中这两种运算对应与极大和极小运算。可利用填充、极大可利用填充、极大/极小概念直接定义灰值运算。极小概念直接
17、定义灰值运算。用结构元素用结构元素g对输入图像对输入图像f(x,y)进行灰值腐蚀记为进行灰值腐蚀记为 l用一维函数对其进行简化，定义为用一维函数对其进行简化，定义为l由于结构元素必须在信号的下方，故空间平移结由于结构元素必须在信号的下方，故空间平移结构元素的定义域必为信号定义域的子集，否则腐蚀构元素的定义域必为信号定义域的子集，否则腐蚀在该点没有定义。在该点没有定义。l结构元素从信号的下面对信号产生滤波作用，这与结结构元素从信号的下面对信号产生滤波作用，这与结构元素从内部对二值图像滤波的情况是相似的。构元素从内部对二值图像滤波的情况是相似的。图图9.6 9.6 灰值腐蚀运算灰值腐蚀运算0123
18、4567123yx123y012312xb(a)(b)Ofs(c)Ofs(d)ssf b)()(xsbsf)()(xsbsf 9.3.2 灰值膨胀灰值膨胀 灰值膨胀可用灰值腐蚀的对偶运算来定义。灰值膨胀可用灰值腐蚀的对偶运算来定义。采用求极大值的方法，即在位于信号下方的条件采用求极大值的方法，即在位于信号下方的条件下，求上推结构所能达到的最大值。下，求上推结构所能达到的最大值。利用结构元素的反射，求将信号限制在结构元素利用结构元素的反射，求将信号限制在结构元素的定义域内时，上推结构元素使其超过信号时的的定义域内时，上推结构元素使其超过信号时的最小值来定义。最小值来定义。用结构元素用结构元素g对
19、输入图像对输入图像f(x,y)进行灰值膨胀进行灰值膨胀 (f g)(s,t)=maxf(s-x,t-y)+g(x,y)|s-x,t-y Df,x+yDg 用一维函数对其进行简化，定义为用一维函数对其进行简化，定义为 (f g)(s)=maxf(s-x)+g(x)|s-x Df,xDg 步骤：步骤：对结构元素对结构元素g的定义域的定义域Dg 中的每一个点中的每一个点x将信号将信号f平移平移x，然，然后，再对每次平移信号的值加上后，再对每次平移信号的值加上g(x)，这样对于结构元素定，这样对于结构元素定义域中的每个点都得到一个信号，对所有这些信号逐点取其义域中的每个点都得到一个信号，对所有这些信号
20、逐点取其最大值，便可得到膨胀结果。最大值，便可得到膨胀结果。图图9.7 9.7 灰值膨胀运算灰值膨胀运算 (a)灰值膨胀过程灰值膨胀过程 (b)灰值膨胀结果灰值膨胀结果Ofs(a)Os(b)ss)()(xsbsf)()(xsbsf )(sf)(sf bf f9.3.3 灰值开运算灰值开运算 灰值开和灰值闭运算是腐蚀和膨胀的组合运算。灰值开和灰值闭运算是腐蚀和膨胀的组合运算。先作腐蚀再作膨胀的迭代运算：先作腐蚀再作膨胀的迭代运算：这两种运算也为对偶运算，并且都可用填充概念这两种运算也为对偶运算，并且都可用填充概念来说明。来说明。图图9.8 9.8 灰值开运算灰值开运算 9.3.4 灰值闭运算灰值
21、闭运算 根据对偶性定义，灰值闭运算定义为：根据对偶性定义，灰值闭运算定义为：fg=(f g)g (9.14)灰值闭运算具有扩展性灰值闭运算具有扩展性 滤波结果总位于原始图像的上方。它从图像的上滤波结果总位于原始图像的上方。它从图像的上方磨光图像灰值表面向下突出的尖峰（即波谷）。方磨光图像灰值表面向下突出的尖峰（即波谷）。图图9.9 9.9 灰值闭运算灰值闭运算图图9.10 9.10 细胞组织图像的灰值形态运算细胞组织图像的灰值形态运算9.3.5 9.3.5 灰值形态学梯度灰值形态学梯度 利用扁平结构元素利用扁平结构元素g对对f作腐蚀和膨胀可得到作腐蚀和膨胀可得到f的局的局部极大和极小值，与数字
22、差分定义的梯度相应。部极大和极小值，与数字差分定义的梯度相应。形态学梯度的定义为：形态学梯度的定义为：u为了更好地获得边缘检测的效果，可以将形为了更好地获得边缘检测的效果，可以将形态学梯度与阈值结合起来使用。态学梯度与阈值结合起来使用。图图9.11 9.11 核磁共振图像的形态学梯度核磁共振图像的形态学梯度9.3.69.3.6 高帽变换和低帽变换高帽变换和低帽变换 通过这两种变换可以得到灰度图像中一些重要的通过这两种变换可以得到灰度图像中一些重要的标记点。标记点。在较亮的背景中求暗的像素点或在较暗的背景中求亮在较亮的背景中求暗的像素点或在较暗的背景中求亮的像素点；检测受到噪声污染图像中的边缘等
23、。的像素点；检测受到噪声污染图像中的边缘等。为了使上述效果更明显，对变换后的图像也可以为了使上述效果更明显，对变换后的图像也可以作阈值处理。作阈值处理。高帽变换 从一幅原始图像从一幅原始图像 f 中减去对其作开运算后得到图中减去对其作开运算后得到图像像WHT(f)，其定义为：，其定义为：WHT(f)=f (fg)(9.16)其中，其中，g为结构元素。为结构元素。高帽变换是一种波峰检测器高帽变换是一种波峰检测器 它在较暗的背景中求亮的像素点很有效。它在较暗的背景中求亮的像素点很有效。低帽变换 与高帽变换相对偶的算子，定义为：与高帽变换相对偶的算子，定义为：BHT(f)=(fg)f (9.17)低
24、帽变换是一种波谷检测器低帽变换是一种波谷检测器 适合于在较亮的背景中求暗的像素点。适合于在较亮的背景中求暗的像素点。图图9.12 9.12 利用利用Top-HatTop-Hat和和BotBot-hat-hat变换检测图像峰值和谷值变换检测图像峰值和谷值9.3.7 开闭运算和闭开运算开闭运算和闭开运算 形态开、闭运算作为最基本的形态滤波运算。形态开、闭运算作为最基本的形态滤波运算。在实际的图像处理中，仅仅采用形态开和闭的滤在实际的图像处理中，仅仅采用形态开和闭的滤波效果往往不能令人满意。波效果往往不能令人满意。在基本的形态开、闭运算的基础上设计出形态开在基本的形态开、闭运算的基础上设计出形态开闭和形态闭开组合滤波器，发挥其更好的滤闭和形态闭开组合滤波器，发挥其更好的滤波性能。波性能。开闭运算和闭开运算互为对偶操作开闭运算和闭开运算互为对偶操作 形态开闭形态开闭运算能够滤除图像中形状小于结构元素的亮运算能够滤除图像中形状小于结构元素的亮噪声。噪声。形态闭形态闭开开运算可以滤除图像中形状小于结构元素的暗运算可以滤除图像中形状小于结构元素的暗噪声。噪声。开闭运算：开闭运算：fg=fgg (9.18)闭开运算：闭开运算：fg=fgg (9.19)
