CN114494471A - 一种图像对比度增强方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于图像对比度增强方法及系统，属于图像处理技术领域，该系统包括待增强图像获取模块、灰度图获取模块、直方图生成模块、直方图归一化模块、预设权值生成模块、Gamma参数值计算模块和增强图像生成模块，该方法包括：1.输入待增强图像；2.对输入的待增强图像进行颜色空间转换及通道分离，获得待增强图像的灰度图I；3.计算灰度图的直方图；4.计算直方图的归一化系数；5.计算Gamma参数值的预设权值；6.计算Gamma参数值；7.使用Gamma参数值对待增强图像灰度图进行Gamma变换并经通道合并和颜色空间转换获得增强图像。本发明有效的解决了在提升图像对比度的同时，存在图像过度增强或增强不足的问题，提升了图像的视觉效果。
Description
技术领域
本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种图像对比度增强方法及系统。
背景技术
图像对比度增强是一种通过调整图像各像素亮度分布动态范围提升对比度的数字图像增强技术。数字图像已广泛应用于我们当前生活的方方面面，然而，不利的采集条件，如阴天、夜景和缺乏照明等，往往导致图像对比度和动态范围的降低，致使后续图像分析和理解任务的可用性下降。因此利用图像对比度增强技术提升视觉质量在计算机视觉、模式识别以及数字图像处理等应用中发挥着至关重要的作用。
HE(histogram equalization，直方图均衡)是一种经典的图像对比度增强方法，其基于将图像的直方图分布变换为尽可能均匀分布的思想，选择图像直方图的CDF(cumulative distribution function，累积分布函数)作为增强前后图像各像素亮度的映射函数。该方法增强后的图像直方图近似接近均匀分布，使得对比度得到极大提升，然而由于图像增强前后各像素亮度的映射函数与人眼视觉特性并不相符，很容易导致过度增强问题，特别是在输入图像直方图具有较高峰值的场景。为提升HE的性能，人们提出了很多对输入图像直方图进行调整后再应用直方图均衡的方法，如，WTHE(weighted and thresholdedhistogram equalization，加权门限直方图均衡)和CLAHE(contrast-limited adaptivehistogram equalization，对比度限制的自适应直方图均衡)，但这些方法都不能完全避免过度增强问题，甚至还会因为要避免过度增强引入增强不足的问题。
Gamma变换因与人眼视觉特性相符成为另一种普遍被采用的对比度增强方法，其选择指数函数作为增强前后图像各像素亮度的映射函数。Gamma变换中使用的指数函数的幂指数参数通常被成为Gamma参数，该参数的设定直接影响图像对比度增强的结果，不适当的参数设定可能会导致过度增强或增强不足，且不同输入图像通常需要设定不同的参数来获得较好的增强结果。现有应用大多是采用遍历多个参数值人工选择最优增强结果或依据经验设置一个参数值。人工选择Gamma参数值极其耗时且在视频处理等应用中基本不可实现，而依据经验设定的Gamma参数值通常只能获得大体不差的增强结果，很难对单个图像获得较优的增强结果。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种图像对比度增强方法及系统。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种图像对比度增强方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：输入待增强图像；
步骤二：对输入的待增强图像进行颜色空间转换及通道分离，获得待增强图像的灰度图；
步骤三：计算灰度图的直方图；
步骤四：计算直方图的归一化系数；
步骤五：根据直方图的灰度等级计算Gamma参数值的预设权值；
步骤六：根据步骤三、四、五得到的直方图、直方图的归一化系数和预设权值计算Gamma参数值；
步骤七：使用Gamma参数值对灰度图进行Gamma变换，并经通道合并和颜色空间转换获得增强图像。
进一步地，步骤二具体如下：将输入的待增强图像转换到HSV空间得到待增强图像的HSV图像，再对转换后的HSV图像进行通道分离，分成色调、饱和度和亮度三个通道，采用亮度通道图作为待增强图像的灰度图。
进一步地，当步骤一中输入的待增强图像为灰度图像时，则步骤二中的灰度图为输入的待增强图像。
进一步地，步骤三中，灰度图的直方图为histI(i),i＝0,1,…K-2,K-1，其中，histI(i)表示灰度图I中灰度值为i的像素总数，K是总灰度等级，K是大于2的任意整数值。
进一步地，步骤四中，归一化系数Z的计算方式如下：
进一步地，步骤五中，直方图的灰度等级预设权值是对应灰度直方图的每个灰度级一个权值，预设权值ωi的计算表达式如下：
进一步地，步骤六中，Gamma参数值γ的计算表达式为：
本发明还提供了一种图像对比度增强系统，包括：
(1)待增强图像获取模块，用于获取存在过曝、欠曝或逆光等问题的待增强图像作为输入图像；
(2)待增强图像灰度图获取模块，用于对输入图像进行彩色空间转换和通道分离提取待增强图像的灰度图；
(3)直方图生成模块，用于计算提取的待增强图像的灰度图的直方图；
(4)直方图归一化模块，用于计算待增强图像灰度图的直方图归一化系数；
(5)预设权值生成模块，用于获得计算Gamma参数值的预设权值；
(6)Gamma参数值计算模块，用于使用待增强图像灰度图的直方图和直方图的归一化系数和Gamma参数值的预设权值计算Gamma参数值；
(7)增强图像生成模块，用于对待增强图像灰度图应用Gamma变换得到增强图像灰度图，并将增强图像灰度图经通道合并和彩色空间反转换生成增强后图像。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种图像对比度增强方法及系统，通过对灰度图的直方图、直方图的归一化系数、Gamma参数值的预设权值的计算，从而获得了适当的Gamma变换参数值，对输入的每幅图像不需要耗时的遍历搜索，而是直接经过计算自适应地选择使得图像直方图分布均匀的Gamma变换的Gamma参数，经Gamma变换并经通道合并和颜色空间转换获得增强图像，有效的解决了在提升图像对比度的同时，存在图像过度增强或增强不足的问题，提升了图像的视觉效果且易于实现。
附图说明
图1是本发明提供的一种图像对比度增强方法的工作流程图；
图2是本发明实施例一中使用的灰度待增强图像样本1；
图3是本发明实施例一中图像样本1使用不同Gamma参数进行Gamma变换后的增强图像；
图4是本发明实施例一中图像样本1使用本发明方法后的增强图像；
图5是本发明实施例二中使用的彩色待增强图像样本1；
图6是本发明实施例二中图像样本1使用不同Gamma参数进行Gamma变换后的增强图像；
图7是本发明实施例二中图像样本1使用本发明方法后的增强图像；
图8是本发明实施例二中使用的彩色待增强图像样本2；
图9是本发明实施例二中图像样本2使用不同基于直方图均衡的方法得到的增强图像；
图10是本发明实施例二中图像样本2使用本发明方法后的增强图像；
图11是本发明实施例二中使用的彩色待增强图像样本3；
图12是本发明实施例二中图像样本3使用不同基于直方图均衡的方法得到的增强图像；
图13是本发明实施例二中图像样本3使用本发明方法后的增强图像；
图14是本发明实施例的图像对比度增强系统模块图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明提供的一种图像对比度增强方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：输入待增强图像；
步骤二：对输入的待增强图像进行颜色空间转换及通道分离，获得待增强图像的灰度图；
步骤三：计算灰度图的直方图，获得待增强图像灰度图的直方图；
步骤四：计算直方图的归一化系数；
步骤五：根根据直方图的灰度等级计算Gamma参数值的预设权值；；
步骤六：根据步骤三、四、五得到的直方图、直方图的归一化系数和预设权值计算Gamma参数值；
步骤七：使用Gamma参数值对灰度图进行Gamma变换，并经通道合并和颜色空间转换获得增强图像。
下面以不同实施场景对步骤二到步骤七的具体实施方式进行详细介绍。
实施例一：以输入图像为灰度图像，直方图灰度等级K＝256为例对本发明步骤二到步骤七的具体实施方式进行详细介绍。
步骤2：由于输入图像X为灰度图像，则待增强图像的灰度图I为输入图像，即I＝X。
步骤3：获得待增强图像的灰度图I的直方图。
直方图灰度等级选择256，则获得的直方图为histI(i),i＝0,1,…254,255。其中，histI(i)表示灰度图I中灰度值为i的像素总数。其中，histI(i)表示灰度图I中灰度值为i的像素总数。
步骤4：获得待增强图像灰度图直方图的归一化系数。计算直方图归一化系数Z的方法为
步骤5：预设用于计算Gamma参数值的权值。预设权值计算方法为：
预设权值ωi,i＝0,1,…254,255可离线计算后存储在缓存中，在系统实时应用时再从缓存中读取。
步骤6：计算Gamma变换的Gamma参数值。Gamma参数值γ的计算方法为
步骤7：获得增强图像Y。
因步骤一中输入的待增强图像是灰度图像，则增强图像Y中每个像素的灰度值由待增强图像的灰度图I中对应像素位置的灰度值经Gamma变换得到，即
其中M是待增强图像的总行数，是N待增强图像的总列数。
实施例二：以输入图像为彩色图像，直方图灰度等级K＝256为例对本发明步骤二到步骤七的具体实施方式进行详细介绍。
本发明提供的方法中，步骤一输入图像为彩色图像时，其具体实施过程与实施例一在步骤二和步骤七的处理上会有所不同。
步骤2：获得待增强图像的灰度图I。输入待增强图像X为彩色图像时，本步骤包含多个子步骤。
步骤2.1：根据颜色空间转换公式得到待增强图像X的HSV图像
步骤2.2：对转换后的HSV图像
进行通道分离分成色调H、饱和度S和亮度V三个通道，分别得到对应三个通道的图像XH、XS和XV。
步骤2.3：采用亮度通道图作为待增强图像的灰度图I，即I＝XV。
步骤3～6的实施方法与实施例一相同。
步骤7：获得增强图像Y。因步骤一中输入的待增强图像是彩色图像，本步骤包含多个子步骤。
步骤7.1：计算增强图像的灰度图像J。J中每个像素的灰度值由待增强图像的灰度图I中对应像素位置的灰度值经Gamma变换得到，即
γ为步骤六计算得到的Gamma参数值。
步骤7.2：获得增强图像的HSV图像
对步骤二分离出的色调H通道图、饱和度S通道图以及步骤7.1得到的增强图像的灰度图进行通道合并得到增强图像的HSV图像
步骤7.3：对增强图像的HSV图像
应用与步骤2.1相对应的颜色空间反变换得到增强图像Y。
下面结合实施例具体说明本发明的效果：
图2是本发明实施例一中使用的灰度待增强图像样本1。图3是对图2中的图像样本使用不同Gamma参数经Gamma变换后得到的增强图像，其中，(a)Gamma参数为0.4；(b)Gamma参数为0.8；(c)Gamma参数为1.2。可以看出图2中图像由于过曝光图像明显较亮，图3中使用较小的Gamma参数得到的增强图像比待增强图像的视觉效果还差，使用1.2的Gamma参数得到的增强图像比待增强图像的视觉效果要相对好一些。图4是对图2中的图像样本使用本发明方法得到的增强图像，由此可见，使用本发明方法得到的增强图像视觉效果最佳。
图5是本发明实施例二中使用的彩色待增强图像样本1。图6是图5中的图像使用不同Gamma参数经Gamma变换后得到的增强图像，其中，(a)Gamma参数为0.4；(b)Gamma参数为0.8；(c)Gamma参数为1.2。图7是图5中图像使用本发明方法得到的增强图像。可以看出图5中的图像由于曝光不足，图像中有明显暗的区域，图6中使用较小的Gamma参数得到的增强图像视觉效果相对好一些。图7中使用本发明方法得到的增强图像视觉效果最佳。
图8是本发明实施例二中使用的彩色待增强图像样本2。图9是图8中的图像使用不同基于直方图均衡的方法得到的增强图像，(a)HE；(b)CLAHE；(c)WTHE。图10是图8中图像使用本发明方法得到的增强图像。可以看出经过HE和WTHE增强的图像相对图8中的原图像，其对比度明显提升，但也出现了过增强问题。CLAHE虽然避免了过增强，但图中森林区域又存在对比度提升不足的问题。图10中使用本发明方法得到的增强图像视觉效果最佳。
图11是本发明实施例二中使用的彩色待增强图像样本3。图12是图11中图像使用不同基于直方图均衡的方法得到的增强图像，(a)HE；(b)CLAHE；(c)WTHE。图13是图11中图像使用本发明方法得到的增强图像。可以看出经过HE和WTHE增强的图像相对图11中原图像的对比对得到了明显提升，但桌子上白色杯盘区域也出现了过增强问题。CLAHE虽然避免了过增强，但图中墙角鲜花区域又存在对比度提升不足的问题。图13中使用本发明方法得到的增强图像视觉效果最佳。
图14是本发明实施例的图像对比度增强系统模块图。如图14所示，该系统由待增强图像获取模块、待增强图像灰度图获取模块、直方图生成模块、直方图归一化模块、预设权值生成模块、Gamma参数值计算模块和增强图像生成模块共同组成。其中，待增强图像获取模块，用于获取存在过曝、欠曝或逆光等问题的待增强图像作为输入图像；待增强图像灰度图获取模块，用于对输入图像进行彩色空间转换和通道分离提取待增强图像的灰度图；直方图生成模块，用于计算提取的待增强图像的灰度图的直方图；直方图归一化模块，用于计算待增强图像灰度图的直方图归一化系数；预设权值生成模块，用于获得计算Gamma参数值的预设权值，此预设权值可提前离线计算后存储在缓存中，但实时应用时从缓存中读取；Gamma参数值计算模块，用于使用待增强图像灰度图的直方图、待增强图像灰度图的直方图归一化系数、预设权值计算Gamma参数值；增强图像生成模块，用于对待增强图像灰度图应用Gamma变换得到增强图像灰度图并将增强图像灰度图经通道合并和彩色空间反转换生成增强后图像。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本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 (8)
1.一种图像对比度增强方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：输入待增强图像；
步骤二：对输入的待增强图像进行颜色空间转换及通道分离，获得待增强图像的灰度图；
步骤三：计算灰度图的直方图；
步骤四：计算直方图的归一化系数；
步骤五：根据直方图的灰度等级计算Gamma参数值的预设权值；
步骤六：根据步骤三、四、五得到的直方图、直方图的归一化系数和预设权值计算Gamma参数值；
步骤七：使用Gamma参数值对灰度图进行Gamma变换，并经通道合并和颜色空间转换获得增强图像。
2.根据权利要求1所述的一种图像对比度增强方法，其特征在于，步骤二具体如下：将输入的待增强图像转换到HSV空间得到待增强图像的HSV图像，再对转换后的HSV图像进行通道分离，分成色调、饱和度和亮度三个通道，采用亮度通道图作为待增强图像的灰度图。
3.根据权利要求1所述的一种图像对比度增强方法，其特征在于，当步骤一中输入的待增强图像为灰度图像时，则步骤二中的灰度图为输入的待增强图像。
4.根据权利要求1或2所述的一种图像对比度增强方法，其特征在于，步骤三中，灰度图的直方图为histI(i),i＝0,1,…K-2,K-1，其中，histI(i)表示灰度图I中灰度值为i的像素总数，K是总灰度等级，K是大于2的任意整数值。
5.根据权利要求4所述的一种图像对比度增强方法，其特征在于，步骤四中，归一化系数Z的计算方式如下：
6.根据权利要求5所述的一种图像对比度增强方法，其特征在于，步骤五中，直方图的灰度等级预设权值是对应灰度直方图的每个灰度级一个权值，预设权值ωi的计算表达式如下：
7.根据权利要求6所述的一种图像对比度增强方法，其特征在于，步骤六中，Gamma参数值γ的计算表达式为：
8.一种图像对比度增强系统，其特征在于，包括：
(1)待增强图像获取模块，用于获取存在过曝、欠曝或逆光等问题的待增强图像作为输入图像；
(2)待增强图像灰度图获取模块，用于对输入图像进行彩色空间转换和通道分离提取待增强图像的灰度图；
(3)直方图生成模块，用于计算提取的待增强图像的灰度图的直方图；
(4)直方图归一化模块，用于计算待增强图像灰度图的直方图归一化系数；
(5)预设权值生成模块，用于获得计算Gamma参数值的预设权值；
(6)Gamma参数值计算模块，用于使用待增强图像灰度图的直方图、直方图的归一化系数和Gamma参数值的预设权值计算Gamma参数值；
(7)增强图像生成模块，用于对待增强图像灰度图应用Gamma变换得到增强图像灰度图，并将增强图像灰度图经通道合并和彩色空间反转换生成增强后图像。
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|---|---|---|---|---|
| CN116718353A (zh) * | 2023-06-01 | 2023-09-08 | 信利光电股份有限公司 | 一种显示模组光学自动检测方法及装置 |
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