CN107507157B - 一种改进的图像增强方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种改进的图像增强方法，包括：S1、对图像像素灰度为f(x,y)进行归一化处理得到n(x,y)，其中采用改进后的归一化处理方式：
S2、对待优化参数
进行编码，随机产生一组初始个体构成初始种群，并输入控制参数交叉概率pc、变异概率pm、群体规模N和最大运行代数G等；S3、判断进化代数t是否等于G，若符合则算法结束，输出
最优解；否则转向下一步；S4、采用轮盘赌策略选择M个个体，对个体按照遗传操作中的交叉和变异方法进行交叉和变异操作；S5、选取两个疫苗和待接种个体数和接种点数进行免疫操作，并做出接种后的免疫选择，同时对接种后的种群采用最优个体保留策略；S6、一组
都对应一个非线性变换函数F(u)，用非线性变换函数进行图像灰度变换，得到输出图像g(x,y)。
Description
技术领域
本发明涉及图像增强技术领域，特别是涉及一种改进的图像增强方法方法。
背景技术
图像增强的目的在于：①采用一系列技术改善图像的视觉效果，提高图像的清晰度；②将图像转换成一种更适合于人或机器进行分析处理的形式。图像增强包括灰度级和对比度处理，噪声消除，边缘突起和锐化，滤波，插值和放大，以及伪色彩处理等。目前常用的增强技术可分为空域图像增强法和频域图像增强法两种。前者对图像像素直接处理，而后者先对图像进行傅里叶变换之后再进行处理。空域增强法包括灰度变换，直方图变换，图像中的脉冲噪声模型，邻域平均法，中值滤波和图像锐化等。频率域增强法通常包括频率域法通常分为高、低通滤波、频率带通和带阻滤波、同态滤波等。
遗传算法由于具有高效、鲁棒性强，且不容易陷入局部最优等优点，许多学者也将其应用到图像增强中。有研究者将遗传算法用于图像增强，使用图像的参数模型。将图像增强转化为参数的优化；有研究者基于染色体结构划分寻优空间对遗传算法进行改进，达到提高图像对比度的目的；有研究者利用Fibonacci数列对遗传算法的交叉概率及变异概率进行了改进,实现了在模糊域中利用遗传算法进行图像增强。有研究者基于人工免疫原理,采用针对图像质量评价效果的新适应度函数，包括方差、信息熵、紧致度、信噪改变量以及像素差别五要素，以上对图像增强的各种改进虽然都取得了一定的效果，但它们的共同点是改进都是单方面的，也就是说各种改进都是从不同的角度进行的，所以效果也不尽相同。而且大都存在适用面较窄、需要预先设置阀值、计算量较大等不足之处。因此，建立一种能够在复杂环境中保持图像中的细节信息及纹理特征，具备良好的自适应性及抗噪能力的图像增强算法，具有积极的意义。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种改进的图像增强方法方法。
本发明所采用的技术方案是：一种改进的图像增强方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、原图像像素灰度为f(x,y)，然后对其进行归一化处理得到n(x,y)；其中采用改进后的归一化处理方式：
其中Lmin和Lmax分别为原图像灰度值的最小值和最大值，n(x,y)∈[0,1]；
S2、按照AIGA抗体编码方法对待优化的两个参数
进行编码，随机产生一组初始个体构成初始种群，并输入控制参数交叉概率pc、变异概率pm、群体规模N和最大运行代数G；进行运算，产生种群X(t)；
所述初始种群的初始化方法，设一个抗体中变量个数为n，初始抗体规模为m，ai和bi分别为变量xi的取值上限和下限，
为第i个初始个体：
式中
为第i个个体的第j个分量的初始值，j∈{1,2,…,n}；
令rij为与第i个体第j个分量，是[0，1]区间内服从均匀分布的随机数，则初始抗体可按下式产生：
其中：
S3、判断种群X(t)进化代数t是否等于最大运行代数G，若符合则算法结束，输出
最优解；否则转向下一步；
S4、用适应度函数计算个体适应度；采用轮盘赌策略从种群X(t)中选择M个个体，对选中的M个个体按照AIGA算法遗传操作中的交叉和变异方法进行交叉和变异操作；
S5、按AIGA算法疫苗选取方法选取两个疫苗，然后选取待接种个体数和接种点数进行免疫操作，并做出接种后的免疫选择，同时，对接种后的种群采用最优个体保留策略；
S6、一组
对应一个非线性变换函数F(u)，用非线性变换函数进行图像灰度变换，得到输出图像g(x,y)。
进一步的，所述的AIGA抗体编码，设参数取值范围为[U1,U2]，用长度为k的二进制编码符号来表示，可产生2k种不同的编码，其编码方式如下：
其中：
进一步的，对所述编码进行解码：假设某一个抗体的编码为bkbk-1bk-2…b2b1，则对应的解码公式为：
进一步的，对所述编码进行解码：假设某一个抗体的编码为bkbk-1bk-2…b2b1，则对应的解码公式为：
进一步的，所述的适应度函数计算个体适应度方法为利用图像的信息熵E、图像方差Fac、紧致度C、信噪改变量INc，达到图像的整体与局部，结构与细节协调平衡；适应度函数如下：
fitness(·)＝E·INc·[Fac+2.5C]
其中：
Pi为第i级灰度出现的概率，当Pi＝0时，定义pilog2pi＝0。
INc表示灰度为h的像素个数大于给定阀值Th的数量。INc越大，表明图像增强后损失的越少，保留下来的层次越多。
对于传统的Fac计算方式进行改进算法，其中，M、N为图像的长度和宽度，n＝M×N，Fac越大，图像对比度越大。紧致度C表示周长P的平方与面积A的比：
P、A定义如下：
进一步的，所述的采用轮盘赌策略从种群X(t)中选择M个个体，采用的是轮盘赌策略,每个个体用圆形赌盘的一块来代表其适应度的比例；赌盘按照群体中个体数的值进行相应次数的旋转，从而始终保持群体的大小不变，个体被选中的概率取决于个体的相对适应度，公式如下：
其中pi为个体i被选中的概率，fi为个体i的适应度，
为群体的累加适应度。
进一步的，所述的对选中的M个个体按照AIGA算法遗传操作中的交叉和变异方法进行交叉和变异操作，所述交叉操作：采用均匀交叉形成新个体，其过程是在交叉概率相同的前提下，交换配对个体对应的基因，其过程如下：随机生成屏蔽字W＝(w1,w2,w3,…,wl)，其中l为个体编码串的相应长度；按照下述的规则将一对父代染色体的基因进行交换：若wi＝0，则两个父代染色体的第i个基因不变；若wi＝1，则两个父代染色体的第i个基因相互交换生成新一代个体；
所述变异操作：变异是以小概率对个体编码上的某个位置进行改变，进而生成新个体；对于给定的染色体位串s'＝a′1a'2…a'L，具体步骤如下：给定变异概率pm，随机产生xi∈(0,1)；按照以下原则生成新的个体s'＝a′1a'2…a'L，
其中xi是对应于每一个基因位产生的均匀随机变量xi∈(0,1)。
进一步的，所述按AIGA算法疫苗选取方法选取两个疫苗，包含以下步骤：
①计算种群X(t)＝(x1(t),x2(t),...,xn(t))中个体xi(t)的适应度为f(xi(t))；
②令X(t)中最优个体的下标为k1，即f(xk1(t))取得最大值；
③遍历整个种群X(t)，令p＝f(xk1(t))-f(xi(t))，记使p的值取得最小且不为0的个体下标为k2，则
为种群X(t)中的次优解；
④选取xk1(t)和
为两个疫苗。
进一步的，所述的选取待接种个体数和接种点数进行免疫操作，并做出接种后的免疫选择，包含以下步骤：
T1、接种个体的选择，对种群X(t)中的个体适应度f(xi(t))排序，计算种群平均适应度：
随机选择低于平均适应度的个体作为接种个体；
T2、接种个体数和接种点数的选择，接种个体数：
其中，t表示当前代数，N表示当前代种群的个体数；
接种点数：
p(t)＝L*e-t
L表示个体编码长度；
T3、接种后抗体的选择方法，选取xk1(t)和xk2(t)为两个疫苗，假设选取的待接种个体为xm(t)，通过在接种点的周围选取最近的点注入疫苗，接种后产生两个抗体分别为
和/>
选取f(xm(t))，/>
中大者为抗体。
进一步的，所述步骤S5中的一组
对应一个非线性变换函数F(u)，用非线性变换函数进行图像灰度变换，得到输出图像g(x,y)；其中：
g(x,y)＝Lmin+(Lmax-Lmin)F(n(x,y))或
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过用一种自适应免疫遗传算法应用到图像的增强处理，发明了一种新的非线性图像增强方法。利用新的免疫疫苗选择策略和免疫操作方法，自动寻找图像非线性增强函数的最佳变换参数，从而增强图像的对比度和细节，达到图像增强的效果。
附图说明
图1为一种改进的图像增强方法方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
本发明所采用的技术方案是：一种改进的基于自适应免疫遗传算法的图像增强方法包括：
S1、假设原图像像素灰度为f(x,y)，然后进行归一化处理得到n(x,y)；其中采用改进后的归一化处理方式：
其中Lmin和Lmax分别为原图像灰度值的最小值和最大值，显然n(x,y)∈[0,1]；采用改进后的归一化处理，使的图像的细节更加明显，为图像增强做好了充分的前提。
S2、按照AIGA抗体编码及种群初始化方法，初始化算法各参数，对待优化的两个参数
进行编码，随机产生一组初始个体构成初始种群，并输入控制参数交叉概率pc、变异概率pm、群体规模N和最大运行代数G等，进行运算，得到种群X(t)，判断种群X(t)的进化代数t是否等于最大运行代数G，若符合则算法结束，输出/>
最优解；否则转向下一步；
S3、用适应度函数计算个体适应度；采用轮盘赌策略在种群X(t)中选择M个个体，对选中的M个个体按照AIGA算法遗传操作中的交叉和变异方法进行交叉和变异操作；
S4、按AIGA算法疫苗选取方法选取两个疫苗，然后选取待接种个体数和接种点数进行免疫操作，并做出接种后的免疫选择，同时，对接种后的种群采用最优个体保留策略；
S5、一组
都对应一个非线性变换函数F(u)，用非线性变换函数进行图像灰度变换，得到输出图像g(x,y)；
AIGA抗体编码，包含以下步骤：
编码：设参数取值范围为[U1,U2]，用长度为k的二进制编码符号来表示，可产生2k种不同的编码，其编码方式如下：
其中：
解码：假设某一个抗体的编码为bkbk-1bk-2…b2b1，则对应的解码公式为：
为了更好的进行解码，在上述的解码公式基础上针对矿下的特殊环境，给出改进后的解码公式：
种群初始化方法：设一个抗体中变量个数为n，初始抗体规模为m，ai和bi分别为变量xi的取值上限和下限，
为第i个初始个体：
式中
为第i个个体的第j个分量的初始值，j∈{1,2,…,n}。
令rij为与第i个体第j个分量，是[0，1]区间内服从均匀分布的随机数，则初始抗体可按下式产生：
其中：
适应度函数计算个体适应度：利用图像的信息熵E、图像方差Fac、紧致度C、信噪改变量INc，达到图像的整体与局部，结构与细节协调平衡。适应度函数如下：
fitness(·)＝E·INc·[Fac+2.5C]
其中：
Pi为第i级灰度出现的概率，当Pi＝0时，定义pilog2pi＝0。
INc表示灰度为h的像素个数大于给定阀值Th的数量。INc越大，表明图像增强后损失的越少，保留下来的层次越多。
对于传统的Fac计算方式进行改进算法，其中，M、N为图像的长度和宽度，n＝M×N，Fac越大，图像对比度越大。紧致度C表示周长P的平方与面积A的比：
P、A定义如下：
用改进后的计算公式计算周长，这样可以去掉很多多余的噪声点，这样更加的提高了周长的精确度。
采用轮盘赌策略选择M个个体：采用的是轮盘赌策略,每个个体用圆形赌盘的一块来代表其适应度的比例。赌盘按照群体中个体数的值进行相应次数的旋转，从而始终保持群体的大小不变。个体被选中的概率取决于个体的相对适应度，公式如下：
其中pi为个体i被选中的概率，fi为个体i的适应度，
为群体的累加适应度。
显然，个体适应度愈高，被选中的概率愈大。但是，适应度小的个体也有可能被选中，以便增加下一代群体的多样性。
对选中的M个个体按照AIGA算法遗传操作中的交叉和变异方法进行交叉和变异操作：
交叉算子：采用均匀交叉形成新个体，其过程是在交叉概率相同的前提下，交换配对个体对应的基因，其主要过程如下：
1)随机生成屏蔽字W＝(w1,w2,w3,…,wl)，其中l为个体编码串的相应长度；
2)按照下述的规则将一对；父代染色体的基因进行交换：若wi＝0，则两个父代染色体的第i个基因不变；若wi＝1，则两个父代染色体的第i个基因相互交换生成新一代个体。
变异算子：变异是以小概率对个体编码上的某个位置进行改变，进而生成新个体。
对于给定的染色体位串s'＝a′1a'2…a'L，具体步骤如下：
1)给定变异概率pm，随机产生xi∈(0,1)；
2)按照以下原则生成新的个体s'＝a′1a'2…a'L，
其中xi是对应于每一个基因位产生的均匀随机变量xi∈(0,1)。
为了保持种群多样性，本文还设计出如下自适应变异率：
其中：t表示当前代数；pm表示预先设定的突变率，一般pm∈[0.010.1]；f(t-1)表示上一代种群的最佳适应度值；f(t)表示当代种群的最佳适应度值；ne表示自上次进化以来至当前代为止连续未进化的代数，即当f(t-1)＝f(t)时，ne＝ne+1。
按AIGA算法疫苗选取方法选取两个疫苗：
由于适应度相同或相差不大的个体其包含的模式可能相差极大，一般情况下，仅选择当代最优个体作为疫苗，在对种群进化方向进行指导的同时，会以较大的概率带来误导作用，易使种群搜索陷入局部最优解。因此针对其不足，本方法选取当代种群中两个较优个体作为注射疫苗，这样可以使得接种后的个体即抗体包含有用的模式，使其向优良个体的方向靠拢，对搜索具有一定的指导作用，从而能够加快收敛速度，有效抑制由于单个疫苗带来的误差作用，为抗体的进化提供多个方向，具体步骤如下：
①计算种群X(t)＝(x1(t),x2(t),...,xn(t))中个体xi(t)的适应度f(xi(t))
②令X(t)中最优个体的下标为k1，即f(xk1(t))取得最大值。
③遍历整个种群X(t)，令p＝f(xk1(t))-f(xi(t))，记使p的值取得最小且不为0的个体下标为k2，则
为种群X(t)中的次优解。
④选取xk1(t)和
为两个疫苗。
免疫操作将选出的优良疫苗对种群中的个体进行接种，以增强种群的整体性能。免疫操作有两种类型：全免疫和目标免疫。要找到适用于整个抗原(即全局问题求解)的疫苗极为困难，本方法采用目标免疫，即考虑局部最佳调整，在某一处或几处发生免疫反应。
接种个体的选择：
对种群X(t)中的个体适应度f(xi(t))排序，计算种群平均适应度：
随机选择低于平均适应度的个体作为接种个体。
接种个体数和接种点数的选择：
在AIGA遗传操作初期，为加快算法的收敛速度，进行免疫操作时，应当适当增加注射点的个数，尽快淘汰适应度较差的个体，同时为了保持种群多样性，接种点数目应适当减少。到进化中后期，为保证种群收敛，注射点数应适当减少，同时，为了避免算法停滞，待接种个体数应适当增加。
接种个体数：
其中，t表示当前代数，N表示当前代种群的个体数。
接种点数：
p(t)＝L*e-t
L表示个体编码长度。
接种后抗体的选择方法：
选取xk1(t)和xk2(t)为两个疫苗，假设选取的待接种个体为xm(t)，通过在接种点的周围选取最近的点注入疫苗，接种后产生两个抗体分别为
和/>
选取f(xm(t))，
中大者为抗体。
一组
对应一个非线性变换函数F(u)，用非线性变换函数进行图像灰度变换，得到输出图像g(x,y)；其中：
g(x,y)＝Lmin+(Lmax-Lmin)F(n(x,y))。
当然，所述的输出图像g(x,y)还可以为：
这样输出的图像更加精准，图像的增强效果更加明显。
算法的参数设置如下：最大进化代数G＝100，种群规模N＝30，交叉概率为0.95，变异概率为0.05。采用本文算法分别对井下低亮度、高亮度、低对比度和高对比度的四幅图像进行增强处理，并进行对比分析，目的是改善井下图像的主观和客观效果，保持图像中的细节信息及纹理特征，同时验证本文算法的有效性和稳定性。
为了验证本文算法的性能，将基于本文自适应免疫遗传算法(AIGA)与传统免疫遗传算法(IGA)的图像增强进行对比，见表1。
表1IGA和AIGA图像增强适应度值对比
| 进化代数 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 |
| AIGA | 72.1 | 71.3 | 70.6 | 70.0 | 69.7 | 69.0 | 68.6 |
| IGA | 68.9 | 67.9 | 67.4 | 67.5 | 67.1 | 66.4 | 66.4 |
表1中的IGA与AIGA对比，可见AIGA能更快更稳定地收敛到最优解，可见自适应免疫遗传算法能够实现井下复杂环境下的图像增强，较好地改变原免疫遗传算法的全局搜索性能，大大提高了算法收敛速度，能够在实际应用中取得良好效果。
通过用一种自适应免疫遗传算法应用到图像的增强处理，发明了一种新的非线性图像增强方法。利用新的免疫疫苗选择策略和免疫操作方法，自动寻找图像非线性增强函数的最佳变换参数，从而增强图像的对比度和细节，达到图像增强的效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种改进的图像增强方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、原图像像素灰度为f(x,y)，然后对其进行归一化处理得到n(x,y)；其中采用改进后的归一化处理方式：
其中Lmin和Lmax分别为原图像灰度值的最小值和最大值，n(x,y)∈[0,1]；
S2、按照AIGA抗体编码方法对待优化的两个参数
进行编码，随机产生一组初始个体构成初始种群，并输入控制参数交叉概率pc、变异概率pm、群体规模N和最大运行代数G；进行运算，产生种群X(t)；
S3、判断种群X(t)进化代数t是否等于最大运行代数G，若符合则算法结束，输出
最优解；否则转向下一步；
S4、用适应度函数计算个体适应度；采用轮盘赌策略从种群X(t)中选择M个个体，对选中的M个个体按照AIGA算法遗传操作中的交叉和变异方法进行交叉和变异操作；
S5、按AIGA算法疫苗选取方法选取两个疫苗，然后选取待接种个体数和接种点数进行免疫操作，并做出接种后的免疫选择，同时，对接种后的种群采用最优个体保留策略；
S6、一组
对应一个非线性变换函数F(u)，用非线性变换函数进行图像灰度变换，得到输出图像g(x,y)；
所述的AIGA抗体编码，设参数取值范围为[U1,U2]，用长度为k的二进制编码符号来表示，可产生2k种不同的编码，其编码方式如下：
其中：
对所述编码进行解码：假设某一个抗体的编码为bkbk-1bk-2…b2b1，则对应的解码公式为：
对所述编码进行解码：假设某一个抗体的编码为bkbk-1bk-2…b2b1，则对应的解码公式为：
所述的适应度函数计算个体适应度方法为利用图像的信息熵E、图像方差Fac、紧致度C、信噪改变量INc，达到图像的整体与局部，结构与细节协调平衡；适应度函数如下：
fitness(·)＝E·INc·[Fac+2.5C]
其中：
Pi为第i级灰度出现的概率，当Pi＝0时，定义pilog2pi＝0。
INc表示灰度为h的像素个数大于给定阀值Th的数量；
其中，M、N为图像的长度和宽度，n＝M×N；紧致度C表示周长P的平方与面积A的比：
P、A定义如下：
所述步骤S5中的一组
对应一个非线性变换函数F(u)，用非线性变换函数进行图像灰度变换，得到输出图像g(x,y)；其中：
2.根据权利要求1所述的一种改进的图像增强方法方法，其特征在于，所述的采用轮盘赌策略从种群X(t)中选择M个个体，采用的是轮盘赌策略,每个个体用圆形赌盘的一块来代表其适应度的比例；赌盘按照群体中个体数的值进行相应次数的旋转，从而始终保持群体的大小不变，个体被选中的概率取决于个体的相对适应度，公式如下：
其中pi为个体i被选中的概率，fi为个体i的适应度，
为群体的累加适应度。
3.根据权利要求2所述的一种改进的图像增强方法方法，其特征在于，所述的对选中的M个个体按照AIGA算法遗传操作中的交叉和变异方法进行交叉和变异操作，所述交叉操作：采用均匀交叉形成新个体，其过程是在交叉概率相同的前提下，交换配对个体对应的基因，其过程如下：随机生成屏蔽字W＝(w1,w2,w3,…,wl)，其中l为个体编码串的相应长度；按照下述的规则将一对父代染色体的基因进行交换：若wi＝0，则两个父代染色体的第i个基因不变；若wi＝1，则两个父代染色体的第i个基因相互交换生成新一代个体；
所述变异操作：变异是以小概率对个体编码上的某个位置进行改变，进而生成新个体；对于给定的染色体位串s'＝a′1a′2…a′L，具体步骤如下：给定变异概率pm，随机产生xi∈(0,1)；按照以下原则生成新的个体s'＝a′1a′2…a′L，
其中xi是对应于每一个基因位产生的均匀随机变量xi∈(0,1)。
4.根据权利要求1所述的一种改进的图像增强方法方法，其特征在于，所述按AIGA算法疫苗选取方法选取两个疫苗，包含以下步骤：
①计算种群X(t)＝(x1(t),x2(t),...,xn(t))中个体xi(t)的适应度为f(xi(t))；
②令X(t)中最优个体的下标为k1，即f(xk1(t))取得最大值；
③遍历整个种群X(t)，令p＝f(xk1(t))-f(xi(t))，记使p的值取得最小且不为0的个体下标为k2，则
为种群X(t)中的次优解；
④选取xk1(t)和
为两个疫苗。
5.根据权利要求1所述的一种改进的图像增强方法方法，其特征在于，所述的选取待接种个体数和接种点数进行免疫操作，并做出接种后的免疫选择，包含以下步骤：
T1、接种个体的选择，对种群X(t)中的个体适应度f(xi(t))排序，计算种群平均适应度：
随机选择低于平均适应度的个体作为接种个体；
T2、接种个体数和接种点数的选择，接种个体数：
其中，t表示当前代数，N表示当前代种群的个体数；
接种点数：
p(t)＝L*e-t
L表示个体编码长度；
T3、接种后抗体的选择方法，选取xk1(t)和xk2(t)为两个疫苗，假设选取的待接种个体为xm(t)，通过在接种点的周围选取最近的点注入疫苗，接种后产生两个抗体分别为
和
选取/>
中大者为抗体。/>
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