空域變換增強

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1、空域變換增強圖像的空域變換增強方法是基于圖像像素點的方法，也叫做灰度變換。常見的有三種方法：（1）對每個像素按照增強算法進行直接灰度變換（2）借助圖像的直方圖進行變換（3）借助一系列圖像之間的操作進行變換為了提高紅外圖像的對比度，本文中研究了前兩種方法：灰度拉伸和直方圖均衡化。1、灰度拉伸灰度拉伸是基于圖像的點運算而言的。它可以使圖像動態(tài)范圍加大，圖像對比度擴展，使得圖像更加清晰。該方法是按一定的規(guī)則逐點修改輸入圖像每一像素點的灰度值，從而改變圖像灰度的動態(tài)范圍。它可以使某動態(tài)區(qū)進行壓縮而在另外區(qū)域中進行擴展。本論文中采用如下變換函數(shù)公式對紅外灰度像素進行灰

2、度拉伸。其中，α,β,γ為分段函數(shù)的三個斜率，β值大于α和γ的值。該灰度拉伸函數(shù)將紅外圖像中可能包含行人的灰度范圍擴展到范圍，將圖像中較暗的背景灰度范圍和較亮的可能是燈光等噪聲干擾的灰度范圍分別壓縮到和。下圖為該函數(shù)的示意圖。圖像拉伸示意圖經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，在各種情況下行人的灰度值大體分布在(50,200)的范圍內(nèi)，因此實驗中將(a,b)取值為(50,200)，取值為(40,250)。經(jīng)過灰度拉伸使得紅外圖像中行人目標(biāo)更加突出。變換后灰度高端和低端的對比度降低，消除了背景中的噪聲干擾，尤其是灰度端部分的燈光干擾，為后續(xù)的圖像分割和行人檢測處理研究提供了很好的基礎(chǔ)

3、。然而，灰度拉伸算法對遠(yuǎn)距離行人的紅外圖像處理的效果比較好，這是由于遠(yuǎn)距離行人紅外圖像灰度值普遍比較低，直方圖分布聚集在較低灰度范圍，經(jīng)過灰度拉伸后可以增加圖像中行人和背景的對比度。但是近距離行人紅外圖像灰度直方圖聚集在較高的范圍內(nèi)，灰度拉伸使得行人和背景區(qū)域灰度同時被擴展，反而降低了行人和背景的對比度。本文中只研究7~15米范圍內(nèi)的行人，經(jīng)過試驗證明7米左右處行人的紅外圖像不存在這種問題。2、直方圖灰度均衡直方圖均衡化是非常典型的空域增強方法，它可以大大改善圖像灰度分布的動態(tài)范圍，增加圖像的整體對比度，使人們獲得對于紅外圖像更好的視覺效果。該算法因其簡捷高

4、效而得到了廣泛的應(yīng)用。直方圖均衡化的基本思想是使得增強后圖像的灰度統(tǒng)計直方圖呈現(xiàn)為均勻分布，從而改善整幅圖像灰度分布的動態(tài)范圍。它是通過點運算將圖像的原始灰度分布均勻散布于整個可能允許的灰度分布空間，使輸入圖像轉(zhuǎn)換為在每一灰度級上都有相同的像素點數(shù)的輸出圖像（即輸出的直方圖是平的），從而拉大灰度值之間的動態(tài)范圍，在視覺上增強圖像的整體對比度。其主要步驟為：（1）計算原圖像灰度級直方圖；（2）求原圖像灰度的累積概率分布函數(shù)，進一步求出灰度變換表；（3）求新的灰度值；設(shè)r和S分別表示歸一化了的原圖像和經(jīng)直方圖修正后的圖像灰度。即0≤r,S≤1對[0，1]區(qū)間內(nèi)的

5、任一個值都可產(chǎn)生一個值，且為變換函數(shù)。滿足下列條件：a、在0≤r≤1區(qū)間內(nèi)是單調(diào)增加函數(shù)；b、對于0≤r≤1，有0≤≤1。條件a保證灰度級從黑到白的次序，而條件b確保映射后的像素灰度在允許的范圍內(nèi)。對于連續(xù)圖像，圖像的概率密度函數(shù)（歸一化到單位面積的直方圖）的定義為：()其中為直方圖，為圖像的面積。設(shè)變換前圖像的改良密度函數(shù)為，轉(zhuǎn)換后圖像的概率密度函數(shù)為，變換函數(shù)為。由概率論知識得：如果想讓變化后圖像的概率密度函數(shù)為1，則必須滿足：等式兩邊對r積分得：對于離散圖像，第i個灰度級出現(xiàn)的頻數(shù)用表示，該灰度級像素對應(yīng)的概率值為：式中L是灰度級的數(shù)目，是第i級灰度級

6、的概率，是在圖像中出現(xiàn)這種灰度級的次數(shù)，n是幀內(nèi)像素總數(shù)。則離散圖像的變換函數(shù)表達(dá)式為上面用的r和S都是歸一化了的灰度值，得出結(jié)果以后需要再計算對應(yīng)的灰度值。L級的灰度圖可用下式計算其灰度值：其中：為變化后得到的實際灰度值。直方圖均衡化的優(yōu)點是能自動地增強整個圖像的對比度，但它的具體增強效果不易控制，處理的結(jié)果總是得到全局均衡化的直方圖。該方法將行人目標(biāo)增強的同時，也將背景增強，不適于后續(xù)的圖像處理工作。另外，可以采用直方圖規(guī)定化的方法改進直方圖均衡化算法。直方圖規(guī)定化方法采用特定形狀的直方圖，有選擇地增強目標(biāo)所在的灰度值范圍內(nèi)的對比度，使得處理后的圖像處理

7、中行人目標(biāo)更加突出。從直方圖規(guī)定化的原理看，它是可以滿足人們對于圖像增強的要求的。但是為了得到最佳的增強效果，需要制定最佳的特定直方圖，這就要求首先對圖像中目標(biāo)的大小、灰度分布等特征進行相當(dāng)準(zhǔn)確的提取，否則可能造成目標(biāo)的殘缺或失真。對于千變?nèi)f化的實際場景，如何準(zhǔn)確提取目標(biāo)特征、進一步如何利用這些目標(biāo)特征制定最佳的特定直方圖是相當(dāng)困難、也是相當(dāng)復(fù)雜的。所以本論文中采用灰度拉伸的方法來提高紅外圖像的對比度的。