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1、直方圖均衡化圖像增強(qiáng)與彩色圖像處理算法分析2012.05.2915目錄1.前言12.理論分析22.1直方圖修正技術(shù)的基礎(chǔ)22.2直方圖的均衡化32.3直方圖均衡化的算法步驟43.仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果63.1直方圖均衡化Matlab程序63.2彩色圖形處理Matlab程序83.3直方圖均衡化仿真結(jié)果：103.4彩色圖像處理仿真結(jié)果：134.結(jié)論14參考文獻(xiàn)15151.前言在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)論采用何種輸入裝置采集的圖像，由于光照、噪聲等原因，圖像的質(zhì)量往往不能令人滿意。例如，檢測(cè)對(duì)象物的邊緣過(guò)于模糊；在比較滿意的一幅圖像上發(fā)現(xiàn)多了一些不知來(lái)源的黑點(diǎn)或白點(diǎn)；圖像
2、的失真、變形等等。所以圖像往往需要采取一些手段進(jìn)行改善以求達(dá)到較好的效果。圖像增強(qiáng)技術(shù)正是在此基礎(chǔ)上提出的。圖像增強(qiáng)是圖像分析與處理的一個(gè)重要的預(yù)處理過(guò)程，其主要有兩個(gè)目的：一是運(yùn)用一系列技術(shù)手段改善圖像的視覺(jué)效果,提高圖像的清晰度；二是將圖像轉(zhuǎn)化成一種更適合于人或計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理的形式。即改善圖像質(zhì)量是圖像增強(qiáng)的根本目的。圖像增強(qiáng)的意義一般可以理解為：按需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，對(duì)圖像的某些特征，如邊緣、輪廓、對(duì)比度進(jìn)行強(qiáng)調(diào)或銳化，突出某些有用的信息，去除或削弱無(wú)用的信息以便于顯示、觀察或進(jìn)一步分析和處理。圖像增強(qiáng)技術(shù)是一類基本的圖像處理技術(shù)，是指有
3、選擇地突出圖像中感興趣的特征或者抑制圖像中某些不需要的特征，其目的是使處理后的圖像更適合于人的視覺(jué)特性或機(jī)器的識(shí)別系統(tǒng)，包括圖像的輪廓線或者紋理加強(qiáng)、圖像去噪、對(duì)比度增強(qiáng)等。因此圖像增強(qiáng)處理是圖像分析和圖像理解的前提和基礎(chǔ)。在圖像的獲取過(guò)程中，特別是對(duì)于多媒體監(jiān)控系統(tǒng)采集的圖像，由于監(jiān)控場(chǎng)景光線照射復(fù)雜、拍攝背景也比較復(fù)雜等環(huán)境因素的影響。加之?dāng)z像設(shè)備、傳感器等因素引入的噪聲，使監(jiān)控圖像在一定程度上存在對(duì)比度差、灰度分布范圍窄、圖像分辨率下降。因此，為得到一幅清晰的圖像必須進(jìn)行增強(qiáng)處理。傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)算法通常是基于整幅圖像的統(tǒng)計(jì)量，這樣在計(jì)算整幅圖
4、像的變換時(shí)，圖像中的低頻信息、高頻信息以及含有的噪聲，同時(shí)進(jìn)行了變換，因而在增強(qiáng)圖像的同時(shí)增強(qiáng)了噪聲，導(dǎo)致信息熵下降，給監(jiān)控圖像的分析和后期處理帶來(lái)了困難。針對(duì)此問(wèn)題，提出一種新算法。圖像增強(qiáng)處理方法根據(jù)圖像增強(qiáng)處理所在的空間不同，可分為基于空間域的增強(qiáng)方法和基于頻率域的增強(qiáng)方法兩類?？臻g域處理方法是在圖像像素組成的二維空間里直接對(duì)每一個(gè)像素的灰度值進(jìn)行處理，它可以是一幅圖像內(nèi)像素點(diǎn)之間的運(yùn)算處理，也可以是數(shù)幅圖像間的相應(yīng)像素點(diǎn)之間的運(yùn)算處理。頻率域處理方法是在圖形的變換域?qū)D像進(jìn)行間接處理。其特點(diǎn)是先將圖像進(jìn)行變換，在空間域?qū)D像作傅里葉變換得到
5、它的頻譜按照某種變化模型（如傅里葉變換）變換到頻率域，完成圖像由空間域變換到頻率域，然后在頻率域內(nèi)對(duì)圖像進(jìn)行低通或高通頻率域?yàn)V波處理。處理完之后，再將其反變換到空間域。直方圖均衡化算法是圖像增強(qiáng)空域法中的最常用、最重要的算法之一。它以概率理論作基礎(chǔ)，運(yùn)用灰度點(diǎn)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)直方圖的變換，從而達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。本文介紹一種基于累積分布函數(shù)變換法為基礎(chǔ)的直方圖修正法。它可以通過(guò)對(duì)直方圖進(jìn)行均勻化修正，可使圖像的灰度間距增大或灰度均勻分布、增大反差，是圖像的細(xì)節(jié)變得清晰。152.理論分析2.1直方圖修正技術(shù)的基礎(chǔ)一幅給定圖像的灰度級(jí)經(jīng)歸一化處理后，分布在范
6、圍內(nèi)。這時(shí)可以對(duì)[0,1]區(qū)間內(nèi)的任意一個(gè)r值進(jìn)行如下變換：（1）也就是說(shuō)，通過(guò)上述變換，每個(gè)原始圖像的像素值r都對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)s值。變換函數(shù)應(yīng)該滿足下列條件：①在區(qū)間內(nèi)，是單值單調(diào)增加；②對(duì)于，有這里第一個(gè)條件保證了圖像的灰度級(jí)西歐哪個(gè)白到黑的次序不變和反變換函數(shù)的存在。第二個(gè)條件則保證了映射變化后的像素灰度值在允許的范圍內(nèi)。從s到r的反變換可用式（2）表示，同樣也滿足上述兩個(gè)條件（2）由概率論理論可知，若已知隨機(jī)變量的概率密度為，而隨機(jī)變量是的函數(shù)，即，的概率密度為，所以可以由求出。因?yàn)槭菃握{(diào)增加的，由數(shù)學(xué)分析可知，它的反函數(shù)也是單調(diào)函數(shù)。在這種
7、情況下，當(dāng)，且僅當(dāng)時(shí)發(fā)生，所以可以求得隨即變量的分布函數(shù)為：（3）對(duì)式（3）兩邊求導(dǎo)，即可得到隨即變量的分布密度函數(shù)為：（4）由式（4）可知，對(duì)于連續(xù)情況，設(shè)和分別表示原圖像和變換后圖像的灰度級(jí)概率密度函數(shù)。根據(jù)概率論的知識(shí)，在已知和變換函數(shù)時(shí)，反變換函數(shù)15也是單調(diào)增長(zhǎng)，則可由式（4）求出。2.2直方圖的均衡化對(duì)于連續(xù)圖像，設(shè)r和s分別表示被增強(qiáng)圖像和變換后圖像的灰度。為了簡(jiǎn)單，在下面的討論中，假定所有像素的灰度已被歸一化了，就是說(shuō)，當(dāng)時(shí)，表示黑色；當(dāng)時(shí)，表示白色；變換函數(shù)與原圖像概率密度函數(shù)之間的關(guān)系為：（5）式中：r為積分變量。式（5）的右邊
8、可以看作是r的累積分布函數(shù)（CDF），因?yàn)镃DF是r的函數(shù)，并單調(diào)地從0增加到1，所以這一變換函數(shù)滿足了前面所述的關(guān)于在內(nèi)
