低對(duì)比度圖像的清晰化與增強(qiáng)

陳子妍

【摘 要】圖像增強(qiáng)技術(shù)作為數(shù)字圖像處理主要的研究?jī)?nèi)容之一，其目的是將一幅圖像中有用的信息進(jìn)行增強(qiáng)，同時(shí)將無(wú)用的信息進(jìn)行抑制，提高圖像的可觀察性，從而得到更具有實(shí)用性的圖像。文章主要研究了傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)算法，第一，對(duì)比度展寬算法，通過(guò)抑制非重要信息的對(duì)比度擴(kuò)展重要信息的對(duì)比度增強(qiáng)圖像;第二，動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整，通過(guò)壓縮動(dòng)態(tài)范圍，將所關(guān)心部分的灰度級(jí)變化范圍擴(kuò)大增強(qiáng)圖像;第三，直方圖均衡化，對(duì)圖像中像素個(gè)數(shù)多的灰度值進(jìn)行展寬，對(duì)像素少的灰度值進(jìn)行歸并，從而增強(qiáng)圖像。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，這三個(gè)方法最終都得到了顯著的增強(qiáng)效果，達(dá)到了圖像增強(qiáng)的目的。

【關(guān)鍵詞】圖像增強(qiáng);對(duì)比度展寬;動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整;直方圖均衡化

中圖分類(lèi)號(hào)： TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）14-0074-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.034

Definition and Enhancement of Low Contrast Images

CHEN Zi-yan

（Department of Physical Education，Anhui Defence Vacation College，Guiyang Guizhou 550025，China）

【Abstract】Image enhancement technology，as one of the major research content of digital image processing，its purpose is to the useful information in an image enhanced，at the same time will be useless information information suppressed，improve the observability of the image，so as to get more practical image.Therefore，image enhancement is an important research topic in the field of image processing.This paper mainly studied the traditional image enhancement algorithms，F(xiàn)irst，the contrast enhancement algorithm，which expands the contrast of important information by suppressing the contrast of non-important information.Second，the dynamic range adjustment，by compressing the dynamic range，enlarging the level of gray scale of the concerned part to enlarge the image.Third，the histogram equalization，the grey scale value of the number of pixels in the image is expanded，and the grey value of the pixel is merged to enhance the image.Through experimental results，the three methods have been shown to enhance the image enhancement.

【Key words】Image Enhancement;Contrast enhancement;Dynamic range adjustment;Histogram equalization

0 前言

圖像增強(qiáng)[1]是按照特定的要求突出一幅圖像中的某些信息，同時(shí)削弱或去除某些不需要的信息，使處理后的圖像對(duì)某種特定的應(yīng)用比原來(lái)圖像更加適用，從而基于應(yīng)用目的改善圖像質(zhì)量，使圖像更適合于人的視覺(jué)特性或機(jī)器的識(shí)別系統(tǒng)。目前，圖像增強(qiáng)方法主要有：直方圖修正處理、圖像平滑化處理、圖像銳化處理及彩色圖像處理技術(shù)等。由于數(shù)字圖像獲取的設(shè)備精度不同、拍攝條件不同、圖像的內(nèi)容與特征不同以及圖像增強(qiáng)處理的目的不同，因此，圖像增強(qiáng)算法可涉及如低照度、低對(duì)比度、光照不均、霧霾等多種待處理圖像，并產(chǎn)生如對(duì)比度增強(qiáng)、直方圖修正、動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整、去霧、色彩增強(qiáng)等多種算法。這些圖像增強(qiáng)算法依據(jù)處理目的，可以將原本低對(duì)比度、低照度等引起的圖像不清晰進(jìn)行修正，增強(qiáng)圖像的清晰度，從而還原或增強(qiáng)圖像中有用的信息。此外，圖像增強(qiáng)過(guò)程也需要有圖像去噪、圖像邊緣銳化等算法的支持，從而對(duì)圖像中可能存在的噪聲進(jìn)行去除，并保持或增強(qiáng)圖像邊緣細(xì)節(jié)部分，以便后續(xù)人機(jī)識(shí)別處理過(guò)程中能夠更加容易地對(duì)圖像中感興趣的部分進(jìn)行檢測(cè)和分析。本文研究的是低對(duì)比度圖像的清晰化與增強(qiáng)。在日常生活中，由于天氣、影像設(shè)備、光照等原因，會(huì)拍攝出一些低對(duì)比度、光照不均的圖像，這些圖像不能很好地向人們展示物體本身的顏色和特征，可能會(huì)導(dǎo)致物體某些信息由于低對(duì)比度、光照不均等因素不能準(zhǔn)確的傳遞給人們。因此，需要增強(qiáng)圖像來(lái)獲取圖像中想要得到的重要信息。

1 圖像增強(qiáng)技術(shù)

圖像增強(qiáng)不考慮圖像質(zhì)量下降的原因，只將圖像中感興趣的特征有選擇的突出，而衰減不需要的特征，它的目的主要是提高圖像的可讀度。文章以MATLAB軟件為平臺(tái)，通過(guò)直方圖均衡化[2]、對(duì)比度線性展寬[3]、動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整[4]等算法增強(qiáng)數(shù)字圖像的質(zhì)量。

1.1 對(duì)比度線性展寬

對(duì)比度：通俗地講，就是亮暗的對(duì)比程度。對(duì)比度通常表現(xiàn)了圖像畫(huà)質(zhì)的清晰程度。對(duì)比度越大，從黑到白的漸變層次就越多，灰度的表現(xiàn)能力就越豐富，圖像越清晰醒目。而對(duì)比度越小，畫(huà)面清晰度越低，層次感就越差。

對(duì)比度展寬的目的是：通過(guò)將亮暗差異（即對(duì)比度）擴(kuò)大，來(lái)把人所關(guān)心的部分強(qiáng)調(diào)出來(lái)。原理是：進(jìn)行像素點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的灰度級(jí)的線性影射。該影射關(guān)系通過(guò)調(diào)整參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)亮暗差異的擴(kuò)大。為達(dá)到對(duì)比度擴(kuò)展的目的，可以對(duì)圖像某個(gè)灰度區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展，通常所指的線性擴(kuò)展是對(duì)圖像灰度進(jìn)行分段線性化擴(kuò)展灰度圖像。 線性對(duì)比度展寬處理，實(shí)質(zhì)上是通過(guò)對(duì)不重要信息對(duì)比度的降低，從而留出多余的空間對(duì)重要信息的對(duì)比度進(jìn)行展寬。

1.2 動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整

動(dòng)態(tài)范圍是指照相機(jī)拍攝到的某個(gè)瞬間場(chǎng)景中亮度的變化范圍，即一幅圖像中所描述地從最暗到最亮的變化范圍。動(dòng)態(tài)范圍對(duì)人視覺(jué)的影響：由于人眼所可以分辨的灰度的變化范圍是有限的，所以當(dāng)動(dòng)態(tài)范圍太大時(shí)，很高的亮度值把暗區(qū)的信號(hào)都掩蓋了。

動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整，就是利用動(dòng)態(tài)范圍對(duì)人類(lèi)視覺(jué)的影響的特性，將動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行壓縮，將所關(guān)心部分的灰度級(jí)的變化范圍擴(kuò)大，由此達(dá)到改善畫(huà)面效果的目的。當(dāng)動(dòng)態(tài)范圍太大時(shí)，由于人眼所可以分辨的亮度變化范圍是有限的?；蛘哒f(shuō)表現(xiàn)在圖像上可以描述的灰度變化范圍是有限的。因此，往往會(huì)因?yàn)楹芨叩幕叶戎祬^(qū)域的信號(hào)掩蓋暗區(qū)的信號(hào)，從而影響到目標(biāo)區(qū)域的表現(xiàn)效果，使得目標(biāo)區(qū)域的細(xì)節(jié)特別是暗區(qū)的細(xì)節(jié)難以辨認(rèn)。

1.3 直方圖均衡化

直方圖均衡方法的基本原理是：對(duì)在圖像中像素個(gè)數(shù)多的灰度值進(jìn)行展寬，而對(duì)像素個(gè)數(shù)少的灰度值進(jìn)行歸并，從而達(dá)到清晰圖像的目的。如果圖像的灰度分別集中在較窄的區(qū)間，從而引起圖像細(xì)節(jié)的模糊，為了增強(qiáng)圖像，可通過(guò)改善各部分亮度的比例關(guān)系，即通過(guò)直方圖均衡化的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)原圖像的直方圖統(tǒng)計(jì)值就可算出均衡化后各像元的灰度值。直方圖上灰度分布較密的部分被拉伸，灰度分布較稀疏的部分被壓縮，使圖像對(duì)比度總體上得到增強(qiáng)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖可以看出，三種算法對(duì)圖像的增強(qiáng)都有很明顯的效果。動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整對(duì)樹(shù)葉等細(xì)節(jié)處的增強(qiáng)較為明顯，但是會(huì)導(dǎo)致有些信息細(xì)節(jié)損失掉;直方圖均衡化能夠?qū)⒄w的對(duì)比度都提高，但是只能得到全局均衡化處理的圖像，想要增強(qiáng)某一灰度范圍的對(duì)比度并不合適;對(duì)比度展寬能夠很好地增強(qiáng)圖像的層次感，但是同樣在抑制某些不重要景物時(shí)會(huì)導(dǎo)致信息的丟失。

3 總結(jié)

文章主要研究了圖像清晰化的算法，主要有對(duì)比度展寬、動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整、直方圖均衡化，并基于MATLAB平臺(tái)，給出了各自的處理效果圖。這些方法并不能使原始圖像信息增加，其結(jié)果只能增強(qiáng)對(duì)某種信息的辨別能力，而這種處理有可能損失一些其他信息。但是，只要提高了圖像的視覺(jué)特性，圖像清晰化的目的就達(dá)到了。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王浩，張葉，沈宏海，等.圖像增強(qiáng)算法綜述[J].中國(guó)光學(xué)， 2017，10（4）：438-448.

[2]董麗麗，丁暢，許文海.基于直方圖均衡化圖像增強(qiáng)的兩種改進(jìn)方法[J].電子學(xué)報(bào)，2018，46（10）：65-73.

[3]吳傳富，朱同波.基于MATLAB的幾種圖像增強(qiáng)算法[J]. 機(jī)電技術(shù)，2012（5）：37-39.

[4]陳蘊(yùn)，陳松.基于動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整的指紋圖像增強(qiáng)方法[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2015，51（8）：183-188.