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      基于直方圖均衡化的數(shù)字圖像增強(qiáng)技術(shù)

      2011-02-20 05:29:18高均立
      關(guān)鍵詞:灰度級(jí)均衡化數(shù)字圖像

      高均立

      (西安航空技術(shù)高等專科學(xué)校電氣工程系, 陜西 西安 71007)

      1 直方圖均衡化的設(shè)計(jì)方法及思想

      圖像增強(qiáng)技術(shù)不考慮圖像降質(zhì)的原因,而衰減掉不需要的圖像信息.圖像增強(qiáng)的方法主要有兩大類:空間域法和頻率域法.空間域法主要是在空間域直接對(duì)圖像的灰度系數(shù)進(jìn)行處理;頻率域法是在圖像的某個(gè)變化域內(nèi)對(duì)圖像的變換系數(shù)值進(jìn)行某種修整,然后通過(guò)逆變化獲得增強(qiáng)圖像.頻率域法屬于間接增強(qiáng)的方法,低通濾波、同態(tài)圖像增強(qiáng)均屬于該類;空間域法屬于直接增強(qiáng)的反復(fù)法,它又分為灰度級(jí)校正、灰度變化和直方圖修正,直方圖均衡屬于空間域單點(diǎn)增強(qiáng)的直方圖修正法.

      如果獲得的一幅圖像的直方圖效果不理想,則可以通過(guò)直方圖均衡化處理技術(shù)做適當(dāng)修改,實(shí)現(xiàn)使圖像清晰的目的,這種方法的基本思想是對(duì)原始圖像中的像素灰度做某種映射變換,使變換后的圖像灰度的概率密度均勻分布.幾何變換后圖像是一幅灰度級(jí)均勻分布的圖像,這意味著圖像灰度的動(dòng)態(tài)范圍得到了增加,從而可提高圖像的對(duì)比度.例如,一幅對(duì)比度較小的圖像,其直方圖分布一定集中在某一比較小的范圍之內(nèi),經(jīng)過(guò)均衡化處理后的圖像增加了圖像的動(dòng)態(tài)范圍和對(duì)比度.

      為了研究方便,用r和s分別表示原始圖像灰度和變換后的圖像灰度,即0≤r≤1,0≤s≤1(0代表黑,1代表白),在[0,1]區(qū)間內(nèi)的任一個(gè)r值都可以產(chǎn)生一個(gè)s值,且s=T(r),T(r)為變換函數(shù).為使這種灰度變換具有實(shí)際意義,T(r)應(yīng)滿足下列條件:(1)在0≤r≤1區(qū)間,T(r)為單調(diào)遞增函數(shù).(2)在0≤r≤1 區(qū)間, 有0≤T(r)≤1.這里,條件(1)保證灰度級(jí)從黑到白的次序,條件(2)保證變換后的像素灰度仍在原來(lái)的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi).

      由s到r的反變換為

      r=T-1(s) (0≤s≤1)

      (1)

      這里T-1(s)對(duì)s也滿足條件(1)和(2).

      由概率論知,若原圖像灰度級(jí)的概率密度函數(shù)Pr(r)和變換函數(shù)T(r)已知,且T-1(s)是單調(diào)增加函數(shù),則變化后的圖像灰度極的概率密度函數(shù)Ps(s)如式(2)所示:

      (2)

      對(duì)于連續(xù)圖像,當(dāng)直方圖均衡化后有Ps(s)=1,即

      ds=Pr(r)dr=dT(r)

      (3)

      兩邊取積分得:

      (4)

      式(4)就是所求的變換函數(shù),它表明變化函數(shù)是原圖像的累積分布函數(shù),是一個(gè)非負(fù)的遞增函數(shù).

      對(duì)于離散圖像,假定數(shù)字圖像中的總像素為N,灰度級(jí)總數(shù)為L(zhǎng)個(gè),第k個(gè)灰度級(jí)的值為rk的像素?cái)?shù)目為nk,則該圖像中灰度級(jí)rk的像素出現(xiàn)的概率為:

      (5)

      對(duì)其進(jìn)行均勻化處理的變換函數(shù)為

      (6)

      相應(yīng)的逆變化函數(shù)為

      rk=T-1(sk) 0≤sk≤1

      (7)

      利用式(6)對(duì)圖像做灰度變換,即可得到直方圖均衡化后的圖像.下面通過(guò)實(shí)例說(shuō)明數(shù)字圖像直方圖均衡化處理的詳細(xì)過(guò)程.

      1.2 直方圖均衡化設(shè)計(jì)思路

      設(shè)有一幅64×64,8 bit的灰度圖像,其直方圖如圖1所示,均衡化后得到的直方圖如圖2所示.需注意,由于不能(或著說(shuō)沒有理由)將同一個(gè)灰度值的各個(gè)像素變換到不同的灰度級(jí),所以數(shù)字圖像直方圖均衡化的結(jié)果一般只是近似均衡的直方圖.

      圖1 原始圖 圖2 均衡化后的直方圖

      表1 各灰度級(jí)概率分布

      假設(shè)有一幅圖像,共有64×64個(gè)像素,8個(gè)灰度級(jí),各個(gè)灰度級(jí)概率分布如表1所示,將其均衡化.

      根據(jù)表1作出此圖像的直方圖如圖3所示,利用式(1)~(6)可求得變換函數(shù)為

      圖3 原直方圖 圖4 均衡化后的直方圖

      同樣按此方法計(jì)算出s2、s3、s4、s5、s6、s7如下:s2=0.16,s3=0.28,s4=0.42,s5=0.62,s6=0.84,s7=1.

      根據(jù)變換函數(shù)T(rk)可以逐個(gè)將rk變成sk,從表2可以看出原圖像給定的rk是等間隔的,即在0,1/7,2/7,3/7,4/7,5/7,6/7,1中取值,經(jīng)過(guò)T(rk)求得的sk不一定就是等間隔的,表2給出了重新量化后得到的新灰度.

      把相應(yīng)的原灰度級(jí)的像素相加得到新的灰度級(jí)的像素?cái)?shù).均勻化后的直方圖如圖4所示.從圖4中可以看出均衡化后的直方圖比原直方圖均勻了,但它并不完全均勻,這是由于在均衡化的過(guò)程中原直方圖上的幾個(gè)像素較少的灰度級(jí)歸并到一個(gè)新的灰度級(jí)上,而像素較多的灰度級(jí)間隔被拉大了.直方圖均衡化提高了圖像的對(duì)比度,但是,它是以減少圖像的灰度等級(jí)為代價(jià)的.在均衡化的過(guò)程中,原直方圖上圖像灰度級(jí)有可能合并成一個(gè)新的灰度級(jí),因此原圖像的一些細(xì)節(jié)經(jīng)過(guò)均衡化以后完全損失掉了.

      表2 量化后的灰度概率分布

      2 均衡化算法

      clear

      clc

      close all

      I=imread('tire.tif');

      %imshow(I);

      for k=1:256

      a1(k)=k-1;

      sum(k)=0;

      end

      [a,b]=size(I);

      %統(tǒng)計(jì)各個(gè)灰度值像素個(gè)數(shù)

      for k=1:256

      for i=1:a

      for j=1:b

      if I(i,j)==a1(k)

      sum(k)=sum(k)+1;

      end

      end

      end

      end

      %列出原始直方圖

      for i=1:256

      p(i)=sum(i)/(a*b);

      end

      %figure,imhist(I)

      %計(jì)算原始累計(jì)直方圖

      s(1)=p(1);

      for i=2:256

      s(i)=s(i-1)+p(i);

      end

      %取整

      for k=1:256

      g(k)=floor(255*s(k)+0.5);

      end

      I1=I;

      for k=1:256if g(k)+1-k~=0

      for i=1:a

      for j=1:b

      if I(i,j)==a1(k)

      I1(i,j)=g(k);

      end

      end

      end

      end

      end

      %figure;imshow(I1);

      %figure,imhist(I1);

      subplot(121),imshow(I),title('原始圖像');

      subplot(122),imshow(I1),title('均衡化后的圖像');

      figure

      subplot(121),imhist(I),title('原始圖像的直方圖');

      subplot(122),imhist(I1),title('均衡化后圖像的直方圖');

      3 Matlab仿真結(jié)果及分析

      從直方圖均衡化的實(shí)例仿真結(jié)果(圖5、圖6)可以看出,原圖較暗且動(dòng)態(tài)范圍較小,反映在直方圖上就是其直方圖所占據(jù)的灰度值比較窄,而且集中在灰度值較低的一邊.原圖經(jīng)處理后,直方圖占據(jù)了整個(gè)圖像灰度值允許的范圍.由于直方圖均衡化增加了圖像灰度動(dòng)態(tài)范圍,所以也增加了圖像的對(duì)比度,反映在圖像上就是圖像的反差較大,許多細(xì)節(jié)都看得比較清楚了.但需要注意的是,直方圖均衡化在增強(qiáng)圖像反差的同時(shí),也增加了圖像的顆粒感,感覺好像圖像有許多細(xì)小的顆粒組成.

      圖5 處理前后圖像對(duì)比

      圖6 處理前后直方圖對(duì)比

      參考文獻(xiàn)

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      [8] 劉宏昆.Delphi應(yīng)用技巧與常見問(wèn)題[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.

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