基于CLAHE與同態(tài)濾波的細胞圖像增強新方法*

余成波，孔慶達，田 桐

基于CLAHE與同態(tài)濾波的細胞圖像增強新方法*

余成波，孔慶達，田 桐

(重慶理工大學 遠程測試與控制研究所，重慶 400054)

針對角膜內(nèi)皮細胞圖像由于非均勻光照造成的明暗不均問題，提出一種基于限制對比度自適應直方圖均衡化(Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization,CLAHE)與同態(tài)濾波進行組合的角膜內(nèi)皮細胞圖像增強新方法。CLAHE方法提高了圖像的局部對比度，不損傷圖像細節(jié)，同時避免圖像噪聲隨圖像對比度增大而放大。同態(tài)濾波方法增強圖像暗部細節(jié)，提升圖像的分辨率。實驗結果表明本文方法對角膜內(nèi)皮細胞圖像的分辨率和對比度增強有顯著的效果。

圖像增強；自適應直方圖均衡化；同態(tài)濾波

0 引言

在對角膜內(nèi)皮細胞圖像病變的分析中，使角膜內(nèi)皮細胞圖像能夠清晰地展現(xiàn)出細胞的形態(tài)特點是角膜內(nèi)皮細胞圖像處理算法的關鍵。在實際的采集過程中由于曝光不均勻、噪聲等難以避免的因素影響，常常使采集到的圖像明暗不均、噪點過多、細胞輪廓模糊不清，為了使采集得到的圖像清晰可辨，應該對圖像進行前期的預處理。目前一般的細胞圖像增強方法包括直方圖均衡化、單尺度Retinex圖像增強算法[1]等。直方圖均衡化[2](Histogram Equalization,HE)是圖像增強領域中常用的一種方法，通過觀察圖像的直方圖能夠看到圖像灰度范圍、對比度的變化等，從而利用直方圖來調(diào)整圖像的對比度。它的主要思想是把原圖中灰度比較密集的區(qū)域轉化成在全部灰度范圍內(nèi)的均勻分布[3]。算法的核心用到了累積分布函數(shù)變換的數(shù)學理論[4]。直方圖均衡化雖然改善了圖像的對比度，但是直方圖均衡化的方法也有缺點，該方法屬于圖像全局處理方法，對光照不均勻的圖像進行處理時會使暗部更暗，亮部更亮，圖像細節(jié)損失嚴重，因此對角膜內(nèi)皮細胞圖像的處理是有缺陷的。文獻[1]中提出采用單尺度Retinex圖像增強算法對于彩色細胞圖像的去霧、增強和色彩校正效果比較好，但是算法較復雜，且在處理灰度圖像時使圖像的邊緣部分細節(jié)有缺失，無法滿足要求。

上述方法對角膜內(nèi)皮細胞圖像的增強效果并不理想，本文提出了采用CLAHE方法結合同態(tài)濾波來進行圖像增強的方法，在抑制圖像噪聲放大的同時，圖像光線較暗區(qū)域的細節(jié)不會損失，使細胞的輪廓清晰可見[5]。

1 角膜內(nèi)皮細胞圖像增強流程

圖1 本文圖像增強的過程

圖像采集過程中的非均勻照射以及噪聲影響，使采集到的圖片會出現(xiàn)明暗不均問題，為了使圖像邊緣細節(jié)能夠清晰顯示，對原細胞灰度圖像進行圖像增強，本文提出如圖1所示的方法。

本文的圖像增強流程概述：

(1)采用CLAHE方法，局部動態(tài)地增強圖像對比度，保留圖像細節(jié)和形態(tài)特征，并抑制噪聲的放大。

(2)對上述處理后的圖像采用同態(tài)濾波方法，增強圖像細節(jié)，平滑圖像，降低圖像噪聲，提升圖像的分辨力，得到增強后的圖像。

2 限制對比度自適應直方圖均衡化方法

自適應直方圖均衡化方法(Adaptive Histogram Equalization, AHE)不同于普通的直方圖均衡算法,該方法通過計算圖像局部直方圖來分配亮度，最后達到改善圖像對比度的目的[6]。自適應直方圖均衡化使圖像的局部對比度增強，獲得更多的圖像細節(jié)，但是該方法也有缺點，在圖像處理的過程中無法抑制圖像噪聲的增強。

限制對比度自適應直方圖均衡化方法[7](Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization, CLAHE)是對自適應直方圖均衡化方法的改進。該算法先通過如圖2所示的方式截取直方圖，然后再求解轉化函數(shù)達到抑制圖像中噪聲放大的目的，同時繼承了對比度自適應直方圖均衡化算法的優(yōu)點，使圖像的細節(jié)和輪廓更加清晰。因此本文采用了該算法來對細胞圖像進行增強，CLAHE方法的具體實現(xiàn)步驟如下[8]：

(1)將圖像分為M×N個不疊加子區(qū)域。

(2)計算每塊區(qū)域的灰度直方圖，并使每個區(qū)域上的灰度級得到相同的像素數(shù)，即平均像素數(shù)：

(1)

式(1)中，Ngray是子區(qū)域中灰度級的數(shù)量；Nx是子區(qū)域x軸方向的像素數(shù)；Ny是子區(qū)域y軸方向的像素數(shù)。

(4)分別對每塊區(qū)域得到的裁剪后的新直方圖進行直方圖均衡化，并使用變換函數(shù)得到新的灰度值。

3 CLAHE處理后的結果分析

光學顯微鏡獲得角膜內(nèi)皮細胞圖像后，運用本文CLAHE方法進行圖像處理，與文獻[4]中的普通的直方圖均衡化方法和文獻[1]中單尺度Retinex圖像增強算法的結果進行了對比分析，實驗結果如圖3所示，以上方法均基于MATLAB R2008a實現(xiàn)。

圖3 圖像增強效果對比圖

對圖3(b)和(d)進行比較可以發(fā)現(xiàn)：直方圖均衡化后的圖像對比度增強，但是圖3(b)右側部分出現(xiàn)明顯的暗影，細節(jié)幾乎全部缺失，而限制對比度自適應直方圖均衡化[9]后的圖像細節(jié)和輪廓比普通的直方圖均衡化后的圖像效果更佳。圖3(c)雖然也能夠突出細胞的邊緣紋路，但是對于消除光照影響明顯不如本文方法。

4 同態(tài)濾波方法

同態(tài)濾波[10]方法是一種圖像頻域處理方法，該方法的原理是對圖像的灰度范圍進行調(diào)整，消除圖像上照明不均的問題，在不損失亮區(qū)的圖像細節(jié)的情況下，增強暗區(qū)的圖像細節(jié)，對于明暗不均的圖像來說非常適用。

照明函數(shù)fi(x,y)和反射函數(shù)fr(x,y)的乘積就構成了圖像函數(shù)f(x,y)，可以用下式表示：

f(x,y)=fi(x,y)fr(x,y)

(2)

0

式中，fi(x,y)表示了景物的照明，與景物無關；fr(x,y)表示了景物的細節(jié)，與照明無關。

同態(tài)濾波方法就是基于式(2)對兩個相乘的分量分別進行濾波，該方法的過程步驟如下。

(1)對數(shù)變換

lnf(x,y)=lnfi(x,y)+lnfr(x,y)

(3)

(2)傅里葉變換

F(u,v)=FI(u,v)+FR(u,v)

(4)

(3)將F(u,v)乘上同態(tài)濾波函數(shù)H(u,v)得

GIn(u,v)=H(u,v)F(u,v)=H(u,v)FI(u,v)+H(u,v)FR(u,v)

(5)

(4)對傅里葉求反變換得

gln(x,y)=giln(x,y)+grln(x,y)

(6)

(5)求指數(shù)變換得到同態(tài)濾波后的圖像

g(x,y)=exp(gi(x,y)gr(x,y))

(7)

通過上述同態(tài)濾波過程可以壓縮照明函數(shù)的灰度范圍，同時增強反射函數(shù)的頻譜成分，實驗結果如圖4所示。

圖4 同態(tài)濾波前后對比圖

從圖4可以看出，通過本文CLAHE方法處理過的圖像經(jīng)過同態(tài)濾波后明顯變得更平滑，細節(jié)更清楚，圖像的整體亮度變高，細胞的形態(tài)特征的分辨率更高。

5 結論

本文在對角膜內(nèi)皮細胞進行增強處理的過程中，針對非均勻光照情況下采集到的角膜內(nèi)皮細胞圖像依次采用如下方法:(1)限制對比度自適應直方圖均衡化算法，局部動態(tài)地提升了圖像的對比度，突出了圖像的細節(jié)顯示；(2)同態(tài)濾波算法，提高圖像暗部的亮度，同時不損傷圖像的細節(jié)并使圖像更平滑，提高了圖像的分辨率。實驗結果表明本文的方法能夠對角膜內(nèi)皮細胞進行增強，在突出了細胞邊緣細節(jié)的同時也消除了圖像的噪點，能為病變觀察、后期圖像分割及形態(tài)判別提供有效的支持，對于醫(yī)學細胞圖像的增強也具有可行性借鑒。

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New approach to the cell image enhancement based on adaptive histogram equalization and homomorphic filtering

Yu Chengbo，Kong Qingda，Tian Tong

(Institute of Remote Test and Control, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

This paper researches the uneven illumination problem of the corneal endothelial cell images , and proposes a new approach for cell image enhancement based on contrast limited adaptive histogram equalization(CLAHE) and homomorphic filtering.The method of CLAHE improves the local contrast of image, avoids image noise amplification with the increase of image contrast and does not damage the detail of image. Homomorphic filter can enhance dark detail of the image. Experimental results demonstrate that the method of the paper can enhance the resolution and contrast of image.

enhance image; adaptive histogram equalization; homomorphic filter

國家自然科學基金資助項目(61402063)；重慶市科技人才培養(yǎng)計劃(新產(chǎn)品研發(fā)團隊)資助項目(CSJC2013KJRC-TDJS40012)；重慶市高校優(yōu)秀成果轉化資助項目(KJZH14213)

TP391.4

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.015

余成波，孔慶達，田桐.基于CLAHE與同態(tài)濾波的細胞圖像增強新方法[J].微型機與應用，2017,36(4)：51-52,62.

2016-09-26)

余成波(1965-)，男，博士，教授，主要研究方向：遠程測試與控制技術、信號與信息處理。

孔慶達(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：圖像處理、信號與信息處理。

田桐(1994-)，女，碩士研究生，主要研究方向：信號與信息處理。