我谈维纳(Wiener)复原滤波器

Rafael Gonzalez的《数字图像处理》中,图像复原这章内容几乎全错。上篇谈了图像去噪,这篇谈图像复原。

图像复原也称为盲解卷积,不处理点扩散函数(光学传递函数)的都不是图像复原。几何校正不属于图像复原,图像投影重建也不属于图像复原,都不能归入图像复原。由于图像复原是图像降质模型的求逆过程,其目的是使估计图像逼近原图像。以频域和空域的分类不合理,频域只是实现方式,最小均方误差复原和最小二乘复原都有频域和空域解。逆滤波可认为是最小二乘复原的频域解,假设噪声不存在的情况下推导逆滤波的思路不合理。维纳滤波是线性最小均方复原的频域解,它是最小均方误差估计,不是最小二乘估计。MATLAB 也认为维纳滤波是最小二乘解。最小均方估计和最小二乘估计是两个完全不同的概念,最小均方估计假设已知信号的分布,线性最小均方误差估计假设已知信号的一、二阶矩,最小二乘估计无须已知信号的统计知识。

维纳(Wiener)复原滤波器

Gonzalez的维纳(Wiener)复原滤波器问题很多,他的概念不清楚。
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①不能随便假设信号或噪声的均值为零,Gonzalez总这样,在早期版本,在逆滤波中假设噪声为零,后来版本中就直接删除了这样的假设,那逻辑更不通了。逆滤波那里问题更大,谈到最小二乘估计再说。有些可以假设,不是想假设就假设。
②维纳滤波是线性最小均方复原的频域解,它是最小均方误差估计,不是最小二乘估计。
③功率信号不能做傅里叶变换。
④自相关的傅里叶变换是功率谱。 ∣ N ( u , v ) ∣ 2 |N(u,v)|^2 N(u,v)2是能量谱。

维纳(Wiener)复原滤波器的推导

维纳-霍普夫方程式

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频域维纳复原滤波器

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最后,维纳滤波的推导建立在零均值平稳随机过程的基础之上。当数据做了中心化处理(减去均值)之后,互相关等价于互协方差,互相关才能衡量两个随机变量是否相关。所以信号处理中通常信号都是做中心化处理的,所以也就不区分相关函数和协方差函数。因为两者的概念毕竟不一样,所以就会导致难以阅读。

假设随机过程是均值遍历的,在频域滤波之前需要减去整幅图像的均值,滤波之后再加回均值。MATLAB 图像处理工具箱中的维纳滤波函数有误,我们书中在二维码提供的代码中修正了相关部分。
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写在后面的话

某人将维纳滤波放在了约束复原,人家维纳滤波是经典的无约束复原,错得离谱。
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