第3章灰度級(jí)變換

第三章

圖像增強(qiáng)

(圖像的灰度變換）圖像增強(qiáng)的目的是為了改善畫(huà)質(zhì)，使圖像的顯示效果更加清晰。本章中主要介紹的內(nèi)容包括：對(duì)比度線(xiàn)性展寬灰級(jí)窗與灰級(jí)窗切片動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整直方圖均衡化處理偽彩色技術(shù)對(duì)比度：通俗地講，就是亮暗的對(duì)比程度。對(duì)比度大的圖像通常層次感強(qiáng)，清晰度高。對(duì)比度的計(jì)算公式如下：即相鄰像素間的灰度差即相鄰像素間的灰度差為δ的像素分布概率其中：相鄰像素的兩種定義：四近鄰八近鄰3.1圖像的對(duì)比度

對(duì)比度計(jì)算例

設(shè)圖像為：四近鄰!!!逐個(gè)像素統(tǒng)計(jì)板書(shū)計(jì)算對(duì)比度演示計(jì)算結(jié)果的意義？3.2對(duì)比度線(xiàn)性展寬

對(duì)比度展寬的目的是，將人所關(guān)心的部分強(qiáng)調(diào)出來(lái)。設(shè)新、舊圖的灰度級(jí)分別為g和f，要求:(1)g和f均在[0，255]間變化;(2)是g的表現(xiàn)效果要優(yōu)于f。

原理是，對(duì)像素進(jìn)行灰度級(jí)映射。

對(duì)比度展寬的目的是，將人所關(guān)心的部分強(qiáng)調(diào)出來(lái)。設(shè)新、舊圖的灰度級(jí)分別為g和f，要求:(1)g和f均在[0，255]間變化;(2)是g的表現(xiàn)效果要優(yōu)于f。

原理是，對(duì)像素進(jìn)行灰度級(jí)映射?？捎孟聢D表示映射關(guān)系，將圖像像素(i,j)從原灰度f(wàn)(i,j)映射為新的像素灰度g(i,j)。255fafbf255gagbαγβ(i,j)g(i,j)0分析：對(duì)比度展寬與抑制原像素灰度新像素灰度公式板書(shū)將上面圖示的映射關(guān)系，用計(jì)算公式表達(dá)即為：Potoshop演示對(duì)比度線(xiàn)性展寬(近似實(shí)現(xiàn)）已知一幅圖像F如下，其中灰度變化范圍為0～7，請(qǐng)對(duì)其進(jìn)行線(xiàn)性對(duì)比度展寬處理。假設(shè)fa=3,fb=5,ga=2,gb=6。求新圖像G。解：f(i,j)01234567g(i,j)01124677(1)(2)(3)(4)展寬與壓縮3.3灰級(jí)窗與灰級(jí)窗切片只顯示指定灰度級(jí)范圍內(nèi)的信息。抑制非重要信息的對(duì)比度，使:α=γ=0255fafbf(i,j)255gagbαγβg(i,j)線(xiàn)性對(duì)比度展寬灰級(jí)窗問(wèn)題：灰級(jí)窗使圖像主體內(nèi)容的對(duì)比度如何變化？為什么？算法的數(shù)學(xué)描述3.3.1灰級(jí)窗Photoshop演示3.3.2灰級(jí)窗切片分割目標(biāo)物區(qū)域，其與非目標(biāo)物用不同灰度值描述。255fafbfg255Photoshop演示3.4動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整動(dòng)態(tài)范圍：是指一幅圖像所描述的場(chǎng)景從暗到亮的變化范圍。動(dòng)態(tài)范圍對(duì)圖像質(zhì)量的影響：當(dāng)描述場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)范圍過(guò)大時(shí)，可能使其中的主要景物的灰度級(jí)變化范圍不大，嚴(yán)重影響了圖像畫(huà)面的質(zhì)量。動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整原理：壓縮動(dòng)態(tài)范圍，使圖像中主要目標(biāo)物的灰度級(jí)的變化范圍擴(kuò)大。3.4.1線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整如下圖所示，將原來(lái)[0,255]范圍內(nèi)的亮暗變化，壓縮到[a,b]范圍內(nèi)。再將[a,b]范圍內(nèi)的灰度值展寬到[0,255]。線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整效果photoshop軟件實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整：先顯示直方圖，以確定fa、fb線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整的計(jì)算實(shí)例1399821373360646820529260a=2b=703999003933606469005090600299900292270747900509070將[0,2]轉(zhuǎn)換為0將[7,9]轉(zhuǎn)換為9可理解為：亮暗限幅

轉(zhuǎn)換[3,6]的像素值g(i,j)=9/5×[f(i,j)-2]C=16.9211C=26.2895345624573.4.2非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整灰度映射關(guān)系通常采用對(duì)數(shù)運(yùn)算。原因是人眼對(duì)信號(hào)的處理是有一個(gè)近似對(duì)數(shù)算子的環(huán)節(jié)。非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整的計(jì)算實(shí)例13998213733606468205292603599943585580868940749480g(i,j)=9*lg(f(i,j)+1)作用：將暗的部分?jǐn)U展，而將亮的部分抑制。C=16.9211C=18.7632f(i,j)0123456789g(i,j)0345678899Photoshop近似演示：非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整3.5直方圖均衡化方法直方圖均衡化方法是一種自動(dòng)增強(qiáng)圖像對(duì)比度的算法?；舅枷胧牵簩?duì)在圖像中像素個(gè)數(shù)多的灰度級(jí)進(jìn)行展寬對(duì)像素個(gè)數(shù)少的灰度級(jí)進(jìn)行壓縮。見(jiàn)實(shí)例直方圖均衡化的步驟：1、求灰度直方圖h2、計(jì)算灰度級(jí)的分布概率Pf3、計(jì)算灰度級(jí)的累積分布概率Pa4、計(jì)算新圖像的灰度值255×Pa直方圖均衡化方法的物理意義分析？一、求灰度直方圖設(shè)f、g分別為原圖像和處理后的圖像。求出原圖f的灰度直方圖，設(shè)為h。顯然，在[0,255]范圍內(nèi)量化時(shí)，h是一個(gè)256維的向量。例1446824373340696550565564

f

h02112133455565718191注：這里為了描述方便起見(jiàn)，設(shè)灰度級(jí)的分布范圍為[0,9]。h=[2,1,1,3,5,5,5,1,1,1]

0123456789f的灰度直方圖二、計(jì)算灰度級(jí)的分布概率1求出圖像f的總體像素個(gè)數(shù)

Nf=m×n(m,n分別為圖像的長(zhǎng)和寬）2灰度級(jí)i的分布概率

Pf(i)：灰度級(jí)i的像素個(gè)數(shù)在整個(gè)圖像中所占的百分比。

Pf(i)=h(i)/Nf(i=0,1,…,255)

Pf00.0810.0420.0430.1240.2050.2060.2070.2480.0490.04h02112133455565718191Pf(i)=h(i)/25所有灰度級(jí)的分布概率之和等于？Pf=[0.04,0.04,0.12,0.20,0.20,0.20,0.04,0.04,0.14]三、計(jì)算灰度級(jí)的累積分布概率圖像灰度級(jí)i的累積分布概率按照下式計(jì)算：

Pa0123456789Pf00.0810.0420.0430.1240.2050.2060.2070.2480.0490.04灰度級(jí)的值越大，其對(duì)應(yīng)的灰度級(jí)累積分布概率的值也越大嗎？最大灰度級(jí)的累積分布概率等于？00.120.160.280.480.680.880.920.961.00Pa=[0,0.12,0.16,0.28,0.48,0.68,0.88,0.92,0.96,1.0]四、計(jì)算新圖像的灰度值假設(shè)新圖像中的最大灰度級(jí)為9，則新圖像的灰度值按下式計(jì)算：

注意對(duì)計(jì)算機(jī)后的數(shù)據(jù)取整。

fPa0010.1220.1630.2840.4850.6860.8870.9280.9691.001448914383340895460686684g1446824373340696450565564001121334456687889999Pa(四舍五入取整)灰度映射表9Pa=[0,1,1,3,4,6,8,8,9,9]處理前后灰度直方圖的比較f的灰度直方圖g的灰度直方圖

對(duì)圖像中像素個(gè)數(shù)多的灰度級(jí)進(jìn)行展寬，像素個(gè)數(shù)少的灰度級(jí)進(jìn)行壓縮。

0123456789f的灰度直方圖

0123456789g的灰度直方圖

matlab實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3.6偽彩色技術(shù)人眼分辨不同彩色的能力比分辨不同的灰度級(jí)的能力強(qiáng)得多。因此，把人眼無(wú)法區(qū)別的灰度變化，顯示為不同的彩色，能夠提高識(shí)別率。這便是偽彩色增強(qiáng)的基本依據(jù)。所以，偽彩色技術(shù)是一種把灰度圖像轉(zhuǎn)換為彩色圖像的技術(shù)。由于這些彩色并不代表物體的真實(shí)顏色，所以稱(chēng)其為：偽彩色。3.6.1基于灰度變換的偽彩色方法仿照對(duì)溫度的描述方式，當(dāng)溫度比較低，我們會(huì)想到藍(lán)色（又稱(chēng)冷色調(diào)），當(dāng)溫度較高的時(shí)候，會(huì)想到紅色（又稱(chēng)暖色調(diào)）。根據(jù)人感官上的這一特性，將亮度低的影射為藍(lán)色，亮度高的影射為紅色。由此，可以按照如下所示的映射關(guān)系進(jìn)行偽彩色處理。255063127191255

fR255063127191255

fG255fB063127191255

基于亮度表示的偽彩色效果圖實(shí)例紅外圖像的偽彩顯示

3.6.2基于區(qū)域分割的偽彩色方法該偽彩色技術(shù)是先對(duì)原圖進(jìn)行了區(qū)域分割，然后對(duì)不同區(qū)域給不同的色調(diào)。

實(shí)例對(duì)比度展寬效果灰級(jí)窗效果示意圖肌肉窗肺窗骨窗灰級(jí)窗切片效果示意圖原圖骨區(qū)肌肉區(qū)肺區(qū)直方圖均衡化的效果Matlab實(shí)驗(yàn)基于亮度表示的偽彩色效果圖線(xiàn)性動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整效果基于區(qū)域分割的偽彩色技術(shù)基于區(qū)域分割的偽彩色技術(shù)

123456643221166466345666146623136466灰度直方圖1234562010圖像的灰度直方圖是對(duì)圖像中各灰度級(jí)的像素個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)。繪制直方圖時(shí)，橫坐標(biāo)表示灰度級(jí)，縱坐標(biāo)表示圖像中對(duì)應(yīng)各灰度級(jí)的像素個(gè)數(shù)。h=[0,5,4,5,6,2,14]1426545654321灰度級(jí)像素個(gè)數(shù)00[mn]=size(F);%獲取圖像矩陣f的行數(shù)m與列數(shù)n的值fa=90;fb=170;ga=20;gb=230;%給變量賦值k1=ga/fa;k2=(gb-ga)/(fb-fa);k3=(255-gb)/(255-fb);G=F;%定義輸出圖像矩陣fori=1:m%行坐標(biāo)循環(huán)語(yǔ)句forj=1:n%列坐標(biāo)循環(huán)語(yǔ)句ifF(i,j)<fa%條件控制語(yǔ)句G(i,j)=k1*F(i,j);endifF(i,j)<fb&F(i,j)>=fa%條件控制語(yǔ)句G(i,j)=k2*(F(i,j)-fa)+ga;endifF(i,j)>=fb%條件控制語(yǔ)句G(i,j)=k3*(F(i,j)-fb)+gb;endendendG=uint8(G);%改變矩陣G為圖像數(shù)據(jù)類(lèi)型F=ui