TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3509 ~ 35 1 4   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.3533          3509     Re cei v ed  Jun e  17, 2013; Revi sed  De ce m ber 10, 201 3; Acce pted  De cem ber 3 0 ,  2013   A New Adaptive Threshold Image-Denoising Method  Based on Edge Detection      Bin w e n  Hua ng* 1 , Yuan Jiao 2   1 Information C enter, Hai n a n  Vocatio nal C o l l ege of Pol i tica l Scienc e an d L a w ,   No.28 0 , Xi nD a Z hou Ro ad, Ha ikou, Ha ina n , Chin a, (+ 86)08 986 58 559 79   2 Information T e chnology  Departmen t, Haina n  Medica l Univ e r sit y ,   No.3, XueY uan  Road, Ha ikou,  Hain an, Chi n a   * Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : 6447 13 62@ q q .com      A b st r a ct   In i m a ge  proc essin g , re mov a of no ise  w i thout  bl urr i n g  t he  imag edg es is  a  difficult  pro b le m.   Aiming  at  orthog on al w a ve l e t transfor m   and  traditi on al  thresh old s s hortag e , a  ne w  w a velet pa cket   transform  ad ap tive thresh old i m a ge d e -n oisi ng  meth od w h i c h is bas ed o n  edg e detecti o n  is pro pose d . By   edg e detecti on  meth od, the w a vel e t packet c oefficie n ts corr espo ndi ng to e dge w h ic h is d e tected a nd ot he r   non- edg e w a v e let  pack e t coe fficients ar e tre a ted  by  differe nt thresh ol d. U s ing  the  rel a tivi ty amon g w a ve le t   packet coeffici ents and  nei g hbor d e p end e n cy relati on,  a t  the same ti me, a dopti ng  the new  varia n ce   nei ghb or esti mate  meth od  an d the n  the  ad a p tive thres h o l d  is pro duc ed.  F r om th e ex pe riment res u lt,  w e   see that co mp ared w i th tradit i on al  metho d s,  this me th od c an not o n ly effectively e l i m i n ate nois e , but can   also w e ll ke ep  origi n a l  i m ag e s informatio n  a nd the q ual ity after imag e de- n o isin g is very w e ll.      Ke y w ords : i m age  de nois i n g , w a velet p a ck et transfor m , e dge  detecti on,  nei gh bor  dep end ency  ad apt ive   threshold     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Wavelet tran sform i s   an e ffective sign a l  deno sin g  to ol, it has  sh o w n m a ss a p p lication  pro s pe ct in i m age  pro c e s sing, p a ttern  recognitio n  e t c. Wavel e t transfo rm h a multi-re sol u tion   analysi s   cap ability as  wel l  as tim e -freq uen cy dom ai n an alysis of  sig nal at th e  sam e  time [ 1 ].  Recently, m a in ima ge denosing  algorithm based on  wa velet  is  still staying on im age  decompo sitio n  of wavele t basis, ho wever, ima g e  decompo sition of wavelet basi s  o n ly  decompo se l o w freque ncy  part of info rmation, hi gh  freque ncy p a rt of inform ation can’t be  g o refinem ent h andlin g, this way  ca uses und etecte loss p hen om enon  in i n formation of  hi gh   freque ncy p a r t, wavelet pa cket ba sis  ca n overcom e   su ch  sho r tag e  to get bette r analy s is  abi lity  [2]: Low f r eq uen cy pa rt a nd hi gh f r equ ency  part  ca n be  de com p ose d  at th same  time, t hus  more hi gh fre quen cy part o f  information  can b e  save d  and got refin e ment han dli ng.  The m o st  widely u s ed   wavelet  den osin g m e tho d  is n online a wavel e t tran sform   threshold  shrink m e thod   prop osed  by Don oho  et  al [3]. Wavel e t thre shol shri nk metho d   cal c ulate s   o r thogo nal  wavelet tran sf orm  of noi se i m age,   however, g e neral  thresh old   2 2l o g n Tn  has  “excessi v e killing  tenden cy tren d  to  wavelet  coeffici ent, it will ca use   oscillation lo cated in vicinity of discontin ui ty point and quick ch an ge pla c e for  denoi se d ima ge  calle d Gibb phen omen on.  Thus, a ne wavelet pa cket transfo rm  adaptive thre shol d image  de- noisi ng meth od which i s  b a se d on e d g e  dete c tion is prop osed. Base d on the  edge info rma t io n   whi c h i s   effectively detecte d by thi s  m e thod,  wa velet  packet i s  ch o s en  to  decom pose the  ima ge.   Usi ng la rge  amount  of redu nda nt informatio n  whi c h i s   prod uced by  wavelet p a cket   decompo sitio n  and thi s  kind of redu ndant info rm ation is u s ef ul to find the depe nde n c relation shi p   o f   wavelet co e fficients between  i n tra - scal e an d inte r-scale, th coef ficient vari an ce   estimation  a c curacy  ba sed  on  wavel e t coefficient  nei ghbo r i s   gre a t ly improved.  Mean while, t h e   wavelet pa cket coefficie n ts are  divided  into  two cat egori e s, which are  corre s pondi ng to e dge  and n on-edg e wavel e t p a cket coeffici ents. Th es two ki nd s of  coeffici ents are treated  by  different ad a p tive thresho l d. This met hod can  save the origi n a l  image information well and   denoi se effe ctively; in addition, it is ve ry useful to do f u rthe r image  pro c e ssi ng.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3509 – 35 14   3510 2. Wav e let Packe t Principle  In sho r t, the wavelet pa cket is a family of functions.  The ca noni cal orthog onal  basi s   libra ry  of  2 () LR  is   c o ns truc ted  by this  family of func ti on s. Form thi s  li bra r y, many  grou ps of   can oni cal o r thogo nal ba si s of  2 () LR  can be  cho s e n  and  wavelet o r tho gonal b a si s i s  only on e   grou p of them.  Whe n  the sig nal is de com posed by wa velet  packet, many kind s o f  wavelet packet ba si can  be  ado pt ed. Acco rdin g to the  dem and  of si gnal  and  noi se, th e be st b a si sho u ld  be  ch ose n   from them [4] .  Nowaday s, Shanno n ent ropy is u s e d   more to  search the  be st b a si s. Thresho l d is  the key of wavelet pa cket denoisi ng  and t he adaptive thresh old whi c h is based o n  edge   detectio n  is a dopted by thi s  pap er.        3. Edge Dete ction Algori t hm  For  an a r bitrary imag e pix e (, ) Pi j , the wavel e t pa cket tra n sform value s  of h o ri zo ntal   and vertical d i rectio n are g o t resp ectivel y , they are 1 (, ) wi j , 2 (, ) wi j So its modulu s  is:     22 12 (, ) ( , ) (, ) M ij w i j w ij                                                     (1)     Argume n t direction of ima ge pixel is gradient directi on, argu ment   (, ) A ij  can be got  from arc tang ent of  21 (, ) / (, ) wi j w i j , and the expre ssi on  is:     2 1 (, ) (, ) a r c t a n (, ) wi j Ai j wi j                                                                           (2)     Argume n 0 (, ) Pi j an d modulu s   (, ) M ij of arbitra r y image pixel is given, image pixel   pointed by  its  gra d ient  di re ction can be got  from arg u m ent (, ) A ij , firstly, image  pixel p o int  0 P is  lighten, then  set the  poi nt pointed   b y   argum ent dire ction of  image pixel 0 P as  1 P , c o mpare  modulu s   of two p o ints, li g h ten  1 P  and  extinguish  0 P  if the mod u lu s of   1 P  is l a rg er.  Continue   doing the sa me handli ng to  1 P  until modulus of next point is larg e r  than or eq u a l to this point.  After traversi ng all imag pixels, maxi mum value i m age of lo ca l modulu s  is  con s i s t of all light  points.   Maximum poi nt of local modulu s  of ima ge is  linked a s  maximum chain; the prin ciple i s   that maximu m point of two mod u lus is  adjoin, ta n g e n t line di re ction is  app roxi mate at on e l i ne,  tangent li ne  dire ction  is vertical  di re ction of   gradie n t, and  u s threshold  to  wipe  off  sho r t   maximum value link, in this way, image  (, ) Pm n  is margin of original imag e.      4. Adap tiv e  Thresh old Image De nosing Bas e d on  Wav e let Pac ket Trans f orm  an d   Neighbo r De penden c y   4.1. Adap tiv e  Thresh old Bas e d on Ba y esian Estimation [5 T h r e s h o l d  de te r m ina t io n  is   ve r y  imp o r t a n t s e g m e n t  in th r e s h o l d  imag e  de n o s i n g .   C h ang  et  al  u s e G eneralized G aussia n  Distribution (G G D ) as  p r ior model of  wa velet  co effici ent  distrib u tion,  by minimum  Bayes ri sk,  to get a d a p tive thre sho l d of digital  drive in B a yes   frame w ork.   Set:    ,, , ij ij ij yx                                                                                     (3)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A New Ada p tive Th re shol d Im age-De noi sing Meth od  Based o n  Ed ge Dete ction  (Binwen Hua ng)  3511 , 1 , 2 , ..., ij N , ij y , ij x   and   , ij mea n  observed n o ise ima ge, true ima ge an d indepe nde n t   identically distributed Ga u ssi an noi se,  , ij   obey s   2 (0 , ) n N distri bution Set   ,, , ij ij i j YX V    a s corre s po n d ing  wavelet  co efficient.  Suppo se if X  and  Y a s   Gau ssi an  d i s tribution, that  is   2 (0 , ) x X  2 (, ) x YX X    Gene rali zed  Gau ssi an di stribution exp r e ssi on is li sted  as follows:     , () ( , ) e x p X XX GG x C x   .                                     (4)     x  X  0      1 ,) [ ] XX      .                                                      (5)     (, ) (, ) 1 2( ) X X C     .                                                                     (6)     1 0 () ut te u d u     is gamm a  function, pa rameter  X is st anda rd va ria n ce,   is  fo rm a l   para m eter. T hen Bayes  risk is defin ed a s     22 2 ( ) () () ( ( ) ) ( ) XT YX rT E X X E E X X y x p y x d y d x        .             (7)    As to given  para m eter, th e target i s  to  find the be st threshold  T that can  get th e minimum   B a y e s ri sk:     (, ) a r g m i n ( ) X T Tr T  .                                                                                                             (8)    We can get a pproxim ate o p timal formul as of  T by deriv ation [5]:    2 () n BX X T   .                                                                                                                                  (9)    X is stan dard varian ce of  X 2 n  is stan dard varian ce of noi se. This thre sh old is Bayes  Shrin k   threshold.     4.2. Spatial Adap tiv e  Thr eshold for E dge Wav e let Packe t Coe f ficients   This  pape r u s e s  spatial a daptive meth od to  dete r m i ne ad aptive  thre shold  fo r ea ch   wavelet coeffic i ent, thus  eac h coefficie n t threshold i s   2 (, ) (, ) n B X Ti j ij                                                                                                                            (10)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3509 – 35 14   3512 Noi s e varia n c 2 n  determi ned by noi se type, accordin g to ro bustn ess me dian  estimation p r opo sed by Donoh o [6], that is,  2 n  is estim a ted by subb a n d 1 HH   () 0.6745 ij n M ed i a n Y   1 ij YH H                                                                                                (11)    For the ed ge  pixel, the edg e pixels which are  a d jace nt have spati a l relation. T herefo r e,  one e dge  pi xel’s varia n ce estim a ted  by its adja c e n t edge  pixel s  is  more a c curate than  the  method e s ti mated by its N nei ghbo r pixels. Let    [, ] P Y ij  rep r e s ent s the wavel e t packet  coeffici ent rel a ted to edge  pixel  (, ) Pi j , so its varian ce  can b e  got by the followin g  form ula:    22 1 [, ] [ , ] 21 PP YY ij t v L                                                                                                       (12)    (, ) Pt v  is the a d ja cent edg e pix e l of edg e pi xel  (, ) Pi j . For the  given ed ge p i xel, its   varian ce i s  e s timated by i t s two  side adja c ent  L e dge pixel s  re spe c tively, that is 2L +1 e dge   pixels  in all. Generally speaki ng,  different value  of L can produce  simil a result. However, i t  will  destroy the region al wh en  L is  too larg e and it will a ffect the cal c ulation a c curacy wh en L i s  too  small.  L i s  u s ually  ch ose n   2 ma x ( 5 0 , 0 . 0 2 * ) M  to en su re  ade quate  pi xels to  estim a te its  var i anc e 2 [, ] P X ij  is  es timated as   follows   22 2 [, ] ( , ) 1 [, ] m a x ( [ , ] , 0 ) 21 PP XY n tv B i j ij t v L                                                    (13 )     (, ) B ij  is the set of 2L adja c e n t edge pixel s  of  [, ] ij   4.3. Neighbo r Depe nden c y  Adaptiv e  T h reshold for Non - edg e  Wav e let Packet Coe fficie n ts  Duri ng th e va rian ce  estima tion of no n-e dge n o isy  co efficients, thi s  pape con s i ders n o only intra-su bban d but al so inte r-scal e depe nde ncy  relativity of wavelet pa cket coefficien ts  whi c h i s  diffe rent f r om  pa st variant  neig hbor e s timati on. Th at is th e relativity be tween  child  a n d   father/brother coefficie n t. In scale s an d dire ction o , the father co efficient of one co efficient   (, ) [, ] so Yi j  is  defined  a s   (1 , ) [, ] so Yi j  in  scale  s+1 ,  same  di recti on  o and  sam e  sp atial lo cati on 1, 2 , , sJ ; ,, OH L L H H H  . The b r othe r coefficie n of  (, ) [, ] so Yi j  is  define d  as  sa me  scale s, different dire ction  o and same sp atial locatio n . So:    1 11 2 3 , (, ) (, ) ( 1 , ) ( , ) (, ) (, ) 1 2 22 2 2 , [ , ] [, ] [ , ] [, ] ij so so s o so s o kl w i n ij k l ij ij ij Y NN YY Y Y         (14)    , ij win  is squa re n e ighb or wi nd ow centeri n g  wavelet coe fficient  (, ) [, ] so Yi j , window  size i s   NN , N is po sitive  odd nu mbe r . The corre s p ondin g  item o f  above form ulas  will be  el iminated  if there is coefficient that ex ceeds the  range of wav e let subban d. The windows si ze will  affect  the estim a tio n  re sult of va riance; und ersized  wi n d o w  can’t  utili ze n e ighb or depe nden cy  relati vity  well, ove r la rg e wi ndo will  impa ct the   effect of d e n o sin g . Thi s   p aper u s e s   si ze 33 neigh bor  window [7].  Thus  (, ) X ij  is esti mated as:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A New Ada p tive Th re shol d Im age-De noi sing Meth od  Based o n  Ed ge Dete ction  (Binwen Hua ng)  3513  22 (, ) m a x ( ( , ) , 0 ) XY n ij ij                                                                                            (15)    4.4. Wav e let Packe t Ada p tiv e  Threshold Algorithm   w h ich is  Ba sed on Edge  Dete ction   In con c lu sion,  the pro c edu re of th is algorithm is listed  as follo ws:   (1)  De co mpo s ition of  wav e let pa cket of  im age. Sele ct a  kind  of wavelet and  d e termin layer N of wavelet de co mpositio n, then de comp o s e wavelet p a cket of N layer for ima ge;  Determine  o p timal wavel e t pa cket ba sis.  Cal c ul ate optimal  wavelet pa cke t  basi s   by g i ven  Shanno n entropy stand ard.    (2)  Use local modulu s  max i mum value  method to extract the ima g e  edge info rm ation;  (3) Th re shol d  qua ntizatio of wavel e t pa cket de co mp osition  coefficient.  Fo r th wavelet   packet  coeffi cient s rel a ted  to edge,  sp atial ada ptiv e threshold i s  cho s e n  to d eal with; for  the  wavelet pa cket  co efficient s relate to homog ene ou regi on s, ne ighbo r d epe n den cy ad apti v threshold i s  chosen to deal  with.    (4)  Wavelet  packet recon s tru c tion. Wa velet packet  recon s tru c tio n  of image i s  do ne  according to  wavelet p a cket decompo si tion co efficie n ts of Nth l a yer and th coeffici ents  a fter   the quanti z ati on han dling.       5. Experiment Re sult an d Analy s is   Based  on  the  image  de no sing  algo rith m mentio ned  above,  we  u s e MA TLAB  6.5 to d o   the sim u latio n  expe riment . As to  size 512 5 12 ’s boat im age   with  zero m e an G a u ssi an  white  noise, we  u s e Win n e r 2 m e thod, wavel e t packet  met hod a nd th method  pro p ose d  in thi s  p aper  to do  sim u lat i on exp e rim e nt. We  can  get Wi nne r2   function  from  MATLAB im age  processi ng  tools b o x,  33 win dow i s   used i n  this  pap er.  This  experi m ent select s h aar  wavel e t to do i m ag e   decompo sitio n  of 3 laye rs. As to diffe re nt Gau s sian  white n o ise,  we u s e  PSNR (Pe a k Sign al to  Noi s e Ratio)  of image as b enchma r k of  deno sin g  perf o rma n ce, it is defined a s   2 , 10 22 (( , ) ( , ) ) 10 l o g 256 ij Bi j A i j PS N R n                                                                                  (16)    B is denoi sed  image; A is original n o ise-f r ee ima ge.   PSNR (dB) o f  boat image  is sh own in T able 1  in diff erent n o ise intensity and  different   de-n o si ng me thod. The opti m al re sult is  empha si zed i n  bold.   Re sult figu re  of different  deno sin g  me thod of b oat  image i s   sho w n in  Figu re  1 while   noise var i ance n      Table 1. PSNR (dB)  of Noi s y Boat Im age Usi ng Different Den o isi n g  Method         Method   n   Noisy  imag e   Winner2  Wavelet packet   Proposed b y   this paper   15 n  24.3892  28.1743  30.3059   33.2671   n  22.5016  26.7738  29.0127   31.8376   n  20.4733  24.5942  26.9548   29.7902       From  experi ment result, we  see that  this  method  can still effect ively eliminate noi se  while noi se varian ce i s  big  and noise po llution is heav y. Denoise d image ha s cle a r margin. Th is  method ove r matche s tra d i t ional method s from PSNR and visu al effect.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3509 – 35 14   3514   Figure 1. Image De noi sing  by Usin g Different Meth od s on a Noisy  Boat Image while   n        6. Conclusio n   Low fre que ncy part and hi gh frequ en cy part can b e  decompo se d at length by wavelet   packet tran sform that avo i d t he shorta ge of wavele t transfo rm.  The exp r e ssi on of imag e  is  redu nda nt in   the do main  o f  wavelet  pa cket tran sform ,  decomp o siti on  coeffici ent  is  rel a tive. T h is   pape r uses lo cal mod u lu s maximum value method to  extract imag e edge info rmation and treat the wavel e t coefficient s which  are relat ed to e dge  a nd ho mog e n eou s regio n s differently. T hey  are tre a ted b y  different ad aptive thre sh old. M ean whi l e, the depen den cy relatio n shi p  of wav e let  coeffici ents b e twee n intra-scale and int e r-scal e is  co nsid ere d  ade quately and then a ne w imag e   denoi sing  m e thod i s  pro posed. Expe riment result  indicates th at this meth od can n o t only  denoi se effe ctively, but can also gai n cle a r imag e margin.      Referen ces   [1]    Mallat. A th eor y for m u lti-res o lutio n  d e comp o s ition: th w a v e let shr i nk age.   Biom etrik a . 19 94; 8 1 : 42 5– 452.   [2]   Jintai  Cui.  W a vel e t Analysi s Introduction,  F i rst Edition.  Xi’ an:  Xi’ an  Jiaoto ng U n iv ersit y  Press .   199 7.13 5-13 7   [3]    Don oho, M Jo hnston e . Den o i sing  b y  soft thresh old i n g IEEE Transactions on Information Theory.   199 5; 41(3): 61 3–6 27.   [4]    Coifma n RR. Wickerha u se MV. Entrop y - b a sed a l gor ithm s for best-basis  selectio n.  IEEE Trans Inform   T heory.  199 2; 38(2): 71 3– 718 [5]    Cha ng SG, Yu  B, Martin V. Adaptiv e W a v e let  T h reshol di ng for Imag Den o isi ng a n d  Compress io n.  IEEE Transactions on I m age  Processing . 20 00; 9 (9): 153 2 –15 46.   [6]    Don oho  DL, Jo hnston e  IM. Ideal s patia l a d a p tation v i w a v e let shr i nka ge.   Biom etrik a .  19 94; 81:  425 455.   [7]    Chen GY, Bui T D Krz y z a k A. Imag e  De nois i ng  U s ing  Ne igh b o u rin g  Wave let  Co efficients.   Procee din g s of  IEEE Internati ona l Co nfere n c e on  Acoustic s , Speec h, an d Sig n a l  Proc e ssing.  20 04 917 –9 20.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.