空域增強(qiáng)圖像技術(shù)的分析和探討

占俊

摘要： 數(shù)字圖像處理技術(shù)在讓人類更加客觀、準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)世界方面發(fā)揮了巨大的作用，圖像增強(qiáng)是指增強(qiáng)圖像中的有用信息，此有用信息不一定和原始圖像逼近，而是根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，包括灰度映射、直方圖變換等方式來(lái)強(qiáng)調(diào)其局部或整體特征。

Abstract： The digital image processing technology has played a huge role in helping people understand the world more objectively and accurately. The image enhancement refers to enhancing the useful information in the image， and the useful information does not necessarily approximate the original image， but according to different applications， including gray mapping， histogram transformation， is to emphasize the local or the overall characteristics.

關(guān)鍵詞： 空域；圖像增強(qiáng)；數(shù)字圖像處理技術(shù)

Key words： space；image enhancement；digital image processing technology

中圖分類號(hào)：TP751 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）32-0213-03

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究領(lǐng)域地不斷深入，但在某些情況下，比如夜晚，大霧，紅外線等情況，人眼所觀測(cè)到的信息是模糊的或者看不見(jiàn)的，那就要通過(guò)圖像增強(qiáng)技術(shù)讓這些無(wú)法通過(guò)肉眼觀測(cè)到的信息呈現(xiàn)出來(lái)，使人眼能夠辨識(shí)。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

空域就是圖像域，是由圖像像素組成的空間。空域增強(qiáng)就是把圖像看成一個(gè)二維信號(hào)，處理時(shí)直接對(duì)圖像的像素做運(yùn)算，通過(guò)對(duì)圖像灰度值的改變，達(dá)到對(duì)比度增強(qiáng)和改變其動(dòng)態(tài)范圍的效果。簡(jiǎn)而言之就是指直接作用于像素改變其特性的增強(qiáng)方法，其主要包括以下灰度線性非線性變換和修正直方圖。

1.1 灰度映射

灰度映射是一種通過(guò)改變圖像像素的灰度來(lái)改善視覺(jué)效果的方法，它能夠改變圖像的對(duì)比度，是一種基于圖像的像素點(diǎn)操作。它的原理是設(shè)計(jì)某種映射法則，確定相應(yīng)的映射函數(shù)，以達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。輸出圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)通過(guò)映射函數(shù)由輸入圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)唯一確定。

當(dāng)g（m，n）的值取決于在（m，n）處的f（m，n）值時(shí)，EH就是一個(gè)灰度變換。采用s和t分別表示f（m，n）和g（m，n），則其表達(dá)形式可以寫(xiě)為公式（1）：

T=EH（s） （1）

一般灰度映射可分為線性映射、非線性映射和分段線性映射。

1.1.1 線性灰度映射

讓輸入圖像的灰度值按某種線性關(guān)系拉伸到另一個(gè)指定范圍里，達(dá)到調(diào)節(jié)其動(dòng)態(tài)范圍的目的。圖像求反就是一種典型的線性變換手段，是把原圖的灰度值進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。線性變換的公式一般如式（2）所示：

g（m，n）=f（m，n）·C+R（2）

其中C，R由輸出圖像的灰度值范圍決定。當(dāng)C>1時(shí)表示增加圖像的對(duì)比度，當(dāng)C<1時(shí)表示降低圖像對(duì)比度，R的作用是對(duì)圖像整體亮度的調(diào)整。為了進(jìn)一步說(shuō)明上式的原理，我們假設(shè)fmin，fmax分別是輸入圖像灰度值的最小值和最大值，gmin，gmax分別是輸出圖像灰度值的最小值和最大值，那么上述變換公式如式（3）所示：

g（x，y）=（gmax-gmin）（3）

一般有g(shù)minfmax。如果變換后比變換前的灰度范圍大，那么變化后增大了不同像素間的灰度值差，因此圖像對(duì)比度得到加強(qiáng)，圖像更加清晰。如圖1。

1.1.2 非線性灰度映射

灰度的非線性映射就是變換傳輸函數(shù)為非線性函數(shù)的變換，針對(duì)某種需求采取不同的變換域，使得輸出圖像能夠根據(jù)此變換域的特征來(lái)變換。非線性映射函數(shù)有很多，常見(jiàn)的有對(duì)數(shù)函數(shù)變換、指數(shù)函數(shù)變換、正弦函數(shù)變換和余弦函數(shù)變換等。

①對(duì)數(shù)函數(shù)變換。

其函數(shù)表達(dá)式如式（4）：

g（i，j）=c*log（1+f（i，j）） （4）

其中c是比例常數(shù)，它決定著曲線的位置和開(kāi)關(guān)。這種形式的變換操作可以對(duì)輸入圖像的低灰度區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展，將高灰度區(qū)域壓縮。可以根據(jù)需要的不同對(duì)參數(shù)C進(jìn)行選擇。

②指數(shù)函數(shù)變換。

其函數(shù)表達(dá)式如：g（I，j）=bc [ f （x，y） -a]-1

其中a、b、c三個(gè)參數(shù)分別代表著這種函數(shù)的形狀和大小。對(duì)實(shí)現(xiàn)灰度值較大的區(qū)間可以采用此方法。

③分段線性映射。

加大灰度值之間的范圍可以增加圖像中各個(gè)部分間的反差，從而增加灰度值之間的動(dòng)態(tài)范圍，使對(duì)比度增強(qiáng)，這稱為對(duì)比度拉伸。采用分段線性的變換可以加強(qiáng)感興趣的區(qū)域，削弱不感興趣的區(qū)域。

線性和非線性映射都是針對(duì)一幅圖像的整體進(jìn)行操作的，是把所有的像素值進(jìn)行相同的統(tǒng)一的函數(shù)映射。但是在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，我們需要增強(qiáng)的信息往往是局部的，即我們僅僅需要突出感興趣的區(qū)域，而對(duì)其他區(qū)域進(jìn)行抑制或不增強(qiáng)，這就用到了分段線性映射。此方法是對(duì)不同的區(qū)域進(jìn)行不同的處理，有針對(duì)性地對(duì)圖像的某些部分進(jìn)行操作。常見(jiàn)的分段線性映射是分三段的線性變換，如圖2所示。

圖2可看出像素值為[a，b]的區(qū)間斜率大于1，故對(duì)其區(qū)間的灰度值進(jìn)行了擴(kuò)展，而灰度區(qū)間是[0，a]和[b，M]的斜率小于1，對(duì)其進(jìn)行了壓縮。變換的表達(dá)式可由式5表示：

g（x，y）=af（x，y），0？燮f（x，y）

其中f（x，y）表示像素點(diǎn)為（x，y）處的灰度值。折線函數(shù)的形態(tài)可通過(guò)拐點(diǎn)和分段直線的斜率所確定，通過(guò)調(diào)整兩者的值達(dá)到擴(kuò)展或壓縮灰度區(qū)間的目的。與線性變換類似，非線性灰度變化在實(shí)現(xiàn)方法和獲得的最終效果上與之有所區(qū)別，但目的都是為了讓圖像的質(zhì)量得到改善。

1.2 直方圖

一幅圖像的直方圖是對(duì)圖像內(nèi)部信息描述的重要手段，是圖像最基本的統(tǒng)計(jì)特征，它可以通過(guò)對(duì)直方圖進(jìn)行調(diào)整修正，獲得較好的視覺(jué)效果。最常見(jiàn)的直方圖修正方法有：直方圖均衡化和直方圖規(guī)定化。

1.2.1 直方圖均衡化

直方圖均衡化又稱直方圖平坦化是針對(duì)圖像的灰度概率密度，將其分布為均勾化處理的過(guò)程。這個(gè)方法主要是對(duì)原始圖像的直方圖分布進(jìn)行調(diào)整，可以獲得比較平坦的直方圖，然后對(duì)圖像進(jìn)行直方圖均衡校正。對(duì)直方圖采用均衡化的思想如下：

如果原始圖像灰度級(jí)為連續(xù)的情況，首先將其歸一化操作，通過(guò)一個(gè)T變換將原始圖像的橫像素變換為縱像素，從而得到新的圖像，其可以表示為S=T（r），0？燮r？燮1得到。通過(guò)概率論的基本理論分析，若己知P和變換函數(shù)S=T（r），并且T-1（s）是單調(diào)遞增函數(shù)，則經(jīng)過(guò)變換后所得到的概率密度函數(shù)可如式（6）所示：

其中n表示為像素總數(shù)，ri滿足歸一化條件。

因此，通過(guò)上述理論的實(shí)現(xiàn)可以將對(duì)于圖像中灰度級(jí)值為rk的像素經(jīng)過(guò)變換轉(zhuǎn)化到輸出圖像中，此時(shí)新的灰度級(jí)是一種均衡化的結(jié)果，提高了圖像的灰度變化，也從整體中提高了圖像的對(duì)比度，并在一定程度上實(shí)現(xiàn)了圖像的增強(qiáng)。以上研究結(jié)果滿足預(yù)先給出的定義。此變換后的灰度g范圍在[0，1]之間，如果要在[0，255]區(qū)間顯示，則乘以255即可。

但是在實(shí)際變換中，經(jīng)過(guò)直方圖均衡化修正后的圖像直方圖并不是完全均衡的。這可能是由于在原始圖像中一些灰度級(jí)頻數(shù)較小的可能疊加到其他的灰度級(jí)中去，造成了直方圖的疊加，所以在此種方法研究的基礎(chǔ)上人們又提出了直方圖規(guī)定化方法。

1.2.2 直方圖規(guī)定化

直方圖均衡化可以調(diào)整圖像的對(duì)比度，但是由于它是根據(jù)像素灰度值的概率直接把圖像的直方圖統(tǒng)一地歸一化到一個(gè)區(qū)間，而沒(méi)有加入人的主觀意識(shí)，所以它的結(jié)果是不受控制的。其原理是根據(jù)直方圖均衡化的思想來(lái)實(shí)現(xiàn)的，把處理前圖像的直方圖和想要達(dá)到的直方圖均進(jìn)行直方圖均衡化到同一個(gè)灰度區(qū)間，再按照某種映射關(guān)系讓原圖像和處理后的圖像進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。用Pr（r）和Pz（z）分別表示原圖像和想要獲得的圖像（規(guī)定）的灰度密度函數(shù)，他們的直方圖分布如圖4所示。

直方圖規(guī)定化實(shí)現(xiàn)步驟主要包括以下三個(gè)：

①對(duì)原始圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理：S=T（r）。其中S表示原始圖像均衡化處理后的灰度，r表示處理前的灰度，T表示均衡化處理方法。

②對(duì)規(guī)定的直方圖進(jìn)行均衡化處理：v=G（z）。z和v分別表示規(guī)定的圖像均衡化處理前和處理后的灰度，G表示均衡化處理方法。

③將原始直方圖映射到規(guī)定的直方圖：由于都是均衡化，讓s=v，則有z=G-1（v）=G-1[T（r）]。規(guī)定直方圖均衡化的反變換處理方法由G-1表示。

2 總結(jié)

通過(guò)以上理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，基于采用空域圖像增強(qiáng)技術(shù)能更好地改善圖像的對(duì)比度和灰度動(dòng)態(tài)范圍，提高圖像的清晰度。應(yīng)該指出的是，圖像增強(qiáng)沒(méi)有固定和統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其關(guān)鍵取決于技術(shù)的正確選擇、參數(shù)（如窗口尺寸和模板系數(shù)）的配置以及使用順序的合理安排，增強(qiáng)質(zhì)量往往由增強(qiáng)目的而主觀評(píng)定。

參考資料：

[1]李艷梅.圖像增強(qiáng)的相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用研究[D].成都：成都科技大學(xué)，2013.

[2]許欣.圖像增強(qiáng)若干理論方法與應(yīng)用研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2010.

[3]龔聲蓉，劉純平，王強(qiáng).數(shù)字圖像處理與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.