許銳 陳初俠 喬濤 李承銘 柯駿 王佳欣

摘要：現(xiàn)實(shí)生活中由于光照、天氣等原因，所獲取的圖像都在一定程度上出現(xiàn)了質(zhì)量低下的情況，嚴(yán)重影響人們的視覺(jué)效果，因此有必要對(duì)此類圖像進(jìn)行增強(qiáng)。該文基于MATLAB圖形界面GUI開發(fā)工具設(shè)計(jì)了一款空域圖像增強(qiáng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)嵌入了分段線性變換、直方圖均衡化、指數(shù)變換和對(duì)數(shù)變換四種圖像增強(qiáng)算法。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，界面友好，能同時(shí)展示四種算法的增強(qiáng)結(jié)果，可以幫助圖像愛(ài)好者更切實(shí)地掌握有關(guān)圖像增強(qiáng)的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：空間域;圖像增強(qiáng);對(duì)比度;GUI

中圖分類號(hào)：TN391.9? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）04-0077-03

1? 引言

人類獲取信息的一個(gè)重要手段是通過(guò)圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類從自然界獲取的信息中，圖像信息占75%—85%[1]。而圖像在生成、傳遞、壓縮、儲(chǔ)存、變換等一系列過(guò)程中，會(huì)受各種因素的影響，如光照、天氣、光學(xué)系統(tǒng)失真等[2]，因此必須對(duì)質(zhì)量低下的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，以改善人們的視覺(jué)效果。本文對(duì)四種典型的空域圖像增強(qiáng)算法進(jìn)行介紹和分析，并通過(guò)MATLAB圖形界面GUI開發(fā)工具設(shè)計(jì)了一款空域圖像增強(qiáng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)四種圖像增強(qiáng)算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和顯示，用戶在使用的過(guò)程中，不需要了解回調(diào)程序的編寫過(guò)程，只需要掌握簡(jiǎn)單的圖像選取操作就可以看到四種圖像增強(qiáng)算法的增強(qiáng)效果。

2典型空域圖像增強(qiáng)算法

圖像增強(qiáng)技術(shù)根據(jù)增強(qiáng)處理時(shí)所處的空間不同，分為空間域法和頻域法[3]。典型的空域圖像增強(qiáng)算法有灰度變換（包含線性變換和非線性變換）、直方圖處理（包含直方圖均衡化和直方圖規(guī)定化）和偽彩色處理;典型的頻域圖像增強(qiáng)算法有低通濾波、高通濾波和同態(tài)濾波，如圖1所示。本文只對(duì)典型的四種空域增強(qiáng)算法進(jìn)行介紹和實(shí)現(xiàn)，它們是分段線性變換、指數(shù)變換（又稱伽馬校正）、對(duì)數(shù)變換和直方圖均衡化。

2.1分段線性變換

線性變換包含灰度線性變換和分段線性變換[1]。分段線性變換是將圖像的灰度范圍分為多段（如三段），然后對(duì)每個(gè)線段的灰度進(jìn)行線性變換處理，以突出圖像中感興趣的目標(biāo)。設(shè)原始圖像的灰度值為f（i， j），分段線性變換后圖像的灰度值為g（i， j），則分段線性變換的輸入輸出映射關(guān)系如圖2所示[4]。

在圖2中，感興趣目標(biāo)的灰度范圍[fa， fb]被拉伸到[ga， gb]，其他線段的灰度被壓縮，即有α<1、β&gt;1、γ<1。分段線性變換的數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式為：

式（1）中，α=ga/fa，β=（gb-ga）/（fb-fa），γ=（255-gb）/（255-fb），i=1，2，…，m，j=1，2，…，n，圖像的大小為m×n。從映射關(guān)系和表達(dá)式可以看出，分段線性變換的優(yōu)點(diǎn)是變換函數(shù)較簡(jiǎn)單，所需計(jì)算量較少;缺點(diǎn)是技術(shù)參數(shù)需要人為選取，如fa、fb、ga和gb。

2.2指數(shù)變換

指數(shù)變換又稱伽馬校正或冪律變換[5]，它屬于非線性變換，其數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式為：

式（2）中，α、γ均為正數(shù)。α為縮放系數(shù)，是一個(gè)常數(shù)，通常取1;γ為伽馬系數(shù)，其值的選取決定了輸入圖像和輸出圖像的映射關(guān)系。當(dāng)γ<1時(shí)，把輸入的窄帶暗值映射到輸出寬帶亮值;當(dāng)γ>1時(shí)，把輸入的寬帶亮值映射到輸出窄帶暗值;當(dāng)γ=1時(shí)，相當(dāng)于正比變換。指數(shù)變換輸入輸出映射關(guān)系如圖3所示。

使用指數(shù)變換進(jìn)行圖像增強(qiáng)時(shí)，要想得到較理想的增強(qiáng)效果，γ取值應(yīng)遵循以下規(guī)律：當(dāng)輸入圖像比較亮?xí)rγ應(yīng)大于1;當(dāng)輸入圖像比較暗時(shí)γ應(yīng)小于1。與分段線性變換相比，指數(shù)變換的計(jì)算量會(huì)大一些。

2.3對(duì)數(shù)變換

對(duì)數(shù)變換也屬于非線性變換，其數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)式為：

式（3）中，c為增益常數(shù)，lg（x）為以10為底的對(duì)數(shù)，1+f（i， j）是為了避免對(duì)零取對(duì)數(shù)。對(duì)數(shù)變換輸入輸出映射關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，對(duì)數(shù)變換將輸入范圍較窄的低灰度值變換為輸出范圍較寬的高灰度值，將輸入范圍較寬的高灰度值變換為輸出范圍較窄的高灰度值，即對(duì)輸入圖像的低灰度值進(jìn)行拉伸，高灰度值進(jìn)行壓縮，特別適用于對(duì)較暗的圖像進(jìn)行增強(qiáng)，與γ小于1時(shí)的指數(shù)變換類似。

2.4直方圖均衡化

直方圖均衡化的基本思想是對(duì)處于某一灰度值的像素個(gè)數(shù)進(jìn)行重新分配，以實(shí)現(xiàn)最大程度上的均勻分布。即對(duì)圖像中像素個(gè)數(shù)較多的灰度值（圖像中感興趣的目標(biāo)）進(jìn)行展寬，而對(duì)像素個(gè)數(shù)較少的灰度值進(jìn)行壓縮。設(shè)輸入圖像和直方圖均衡化后圖像的灰度值分別為f（i， j）和g（i， j），i=1，2，…，m，j=1，2，…，n。則直方圖均衡化的具體操作步驟如下。

1）求輸入圖像各灰度值的像素個(gè)數(shù)，即灰度直方圖;

2）求各灰度值的灰度分布概率，即各灰度值像素個(gè)數(shù)與總像素個(gè)數(shù)的比值;

3）求各灰度值的累計(jì)分布概率;

4）以累計(jì)分布概率為變換函數(shù)進(jìn)行直方圖均衡化計(jì)算，得到輸出圖像。

直方圖均衡化對(duì)動(dòng)態(tài)范圍較小的圖像增強(qiáng)效果特別明顯，其優(yōu)點(diǎn)是它能夠自動(dòng)調(diào)整圖像的灰度分布，缺點(diǎn)是增強(qiáng)效果不好控制，容易造成圖像灰度級(jí)減少，從而導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)消失。

3空域圖像增強(qiáng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)思路

在進(jìn)行空域圖像增強(qiáng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要有五個(gè)環(huán)節(jié)。

1）確定空域圖像增強(qiáng)算法。通過(guò)綜合考察，本文所設(shè)計(jì)的空域圖像增強(qiáng)系統(tǒng)主要包含四種圖像增強(qiáng)算法，分別是分段線性變換、指數(shù)變換、對(duì)數(shù)變換和直方圖均衡化。

2）利用MATLAB實(shí)現(xiàn)四種圖像增強(qiáng)算法。這里需要對(duì)每種算法分別進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并寫成函數(shù)（function）的形式，以便后續(xù)調(diào)用。這是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最核心部分。

3）設(shè)計(jì)GUI界面。通過(guò)MATLAB圖形界面GUI開發(fā)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的界面除了顯示原始圖像外，還應(yīng)顯示四種增強(qiáng)算法的仿真結(jié)果，這便于對(duì)每種算法的優(yōu)劣進(jìn)行直觀視覺(jué)比較。

4）添加回調(diào)函數(shù)。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)界面有兩個(gè)按鈕，一個(gè)是圖像導(dǎo)入按鈕，另外一個(gè)是圖像增強(qiáng)按鈕，需要在所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)（m文件）里對(duì)這兩個(gè)按鈕分別添加一些函數(shù)，以保證系統(tǒng)能運(yùn)行。

5）生成獨(dú)立可執(zhí)行的EXE文件。將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)（m文件）打包生成獨(dú)立可執(zhí)行的EXE文件，形成一個(gè)獨(dú)立的圖像增強(qiáng)軟件，此軟件移植到別的計(jì)算機(jī)也能方便使用。

3.2設(shè)計(jì)結(jié)果

為了說(shuō)明所設(shè)計(jì)空域圖像增強(qiáng)系統(tǒng)的有效性，我們選取了兩幅效果不太好的圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，它們分別是“boy”和“night”。圖5為四種空域圖像增強(qiáng)算法對(duì)boy圖像的處理結(jié)果。其中分段線性變換圖像增強(qiáng)處理時(shí)[fa， fb]為[0， 160]，[ga， gb]為[0， 255];指數(shù)變換圖像增強(qiáng)處理時(shí)γ為0.95;對(duì)數(shù)變換圖像增強(qiáng)處理時(shí)c為105。

圖6為四種空域圖像增強(qiáng)算法對(duì)night圖像的處理結(jié)果。其中分段線性變換圖像增強(qiáng)處理時(shí)[fa， fb]為[0， 30]，[ga， gb]為[0， 255];指數(shù)變換圖像增強(qiáng)處理時(shí)γ為0.75;對(duì)數(shù)變換圖像增強(qiáng)處理時(shí)c為110。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1）主觀視覺(jué)評(píng)價(jià)

由圖5、圖6可以看出，四種空域圖像增強(qiáng)算法都對(duì)原始圖像進(jìn)行了一定程度的增強(qiáng)。對(duì)于分段線性變換、指數(shù)變換和對(duì)數(shù)變換，都需要人為設(shè)置參數(shù)，而且參數(shù)的選取對(duì)圖像的增強(qiáng)效果有很大影響。分段線性變換和指數(shù)變換都能比較好地突出圖像中感興趣的目標(biāo)，相比于其他兩種算法，圖像增強(qiáng)后的效果視覺(jué)上更加優(yōu)越;直方圖均衡化增強(qiáng)后的圖像雖然灰度分布較均勻，從黑到白都有涉及，但因?yàn)闇p少了一些灰度級(jí)別，導(dǎo)致了圖像細(xì)節(jié)消失（圖6更加明顯）;對(duì)數(shù)變換增強(qiáng)后的圖像其灰度集中在一個(gè)較小的區(qū)域，層次感弱，給人灰蒙蒙的感覺(jué)。

2）客觀評(píng)價(jià)

本文采用圖像對(duì)比度來(lái)客觀衡量圖像增強(qiáng)的效果。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)比度大的圖像比對(duì)比度小的圖像有更高的清晰度和更強(qiáng)的層次感[4]。圖像對(duì)比度計(jì)算公式如下

式（4）中，δ（i， j）=|i- j|，為相鄰像素的灰度差;Pδ（i， j）為相鄰像素灰度差為δ的像素分布概率。表1為boy和night圖像增強(qiáng)前和增強(qiáng)后的圖像對(duì)比度，從數(shù)據(jù)可以看出，增強(qiáng)后的圖像其對(duì)比度都要比增強(qiáng)前大，說(shuō)明四種空域圖像增強(qiáng)算法都對(duì)原始圖像進(jìn)行了不同程度的增強(qiáng)。

4? 結(jié)束語(yǔ)

在眾多的圖像增強(qiáng)算法中，本文選取了四種空域圖像增強(qiáng)算法進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)了一款空域圖像增強(qiáng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含的四種增強(qiáng)算法分別為分段線性變換、直方圖均衡化、指數(shù)變換和對(duì)數(shù)變換。所設(shè)計(jì)的增強(qiáng)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，界面友好，能同時(shí)展示四種算法的增強(qiáng)結(jié)果。不足之處是在分段線性變換、指數(shù)變換和對(duì)數(shù)變換算法設(shè)計(jì)上不能進(jìn)行自適應(yīng)增強(qiáng)，需要人為選擇參數(shù)，這導(dǎo)致對(duì)不同的圖像其增強(qiáng)效果會(huì)有很大的不同，甚至達(dá)不到增強(qiáng)的目的，這是今后筆者需要重點(diǎn)研究的地方。

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收稿日期：2021-06-25

基金項(xiàng)目：巢湖學(xué)院2021年度校級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：X202110380002）

作者簡(jiǎn)介：許銳（1999—），男，安徽亳州人，本科在讀，主要研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理;陳初俠（1984—），男，江西樂(lè)安人，通信作者，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理、EDA技術(shù)等。