瓊臺(tái)師范學(xué)院信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 梁 棟 胡 鋒

在圖像處理的過(guò)程，自然就會(huì)存在圖像增強(qiáng)技術(shù)的需要，這主要是基于對(duì)提高圖像質(zhì)量的客觀需要，從現(xiàn)有的圖像處理軟件來(lái)看，都存在著圖像增加的功能，這是基于時(shí)代發(fā)展的需要。從發(fā)展現(xiàn)狀、原理和各種方法的介紹是本文的切入點(diǎn)，再重點(diǎn)介紹了幾種常用的增強(qiáng)方法，在學(xué)習(xí)數(shù)字圖像的基本表示和處理方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)圖像增強(qiáng)的普遍性，本文研究并實(shí)現(xiàn)了常用的圖像增強(qiáng)方法及其應(yīng)用。討論了不同增強(qiáng)算法的應(yīng)用場(chǎng)合，并對(duì)其圖像增強(qiáng)方法的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 圖像增強(qiáng)的現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展使圖像增強(qiáng)技術(shù)在其它技術(shù)的映襯下發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。圖像處理在圖像增強(qiáng)方面的應(yīng)用較為廣泛，從科學(xué)研究到個(gè)人圖像的增強(qiáng)無(wú)所不在，特別是對(duì)于國(guó)家宇航中心的太空?qǐng)D像，以及國(guó)家地理雜志的圖像和地理信息系統(tǒng)、也包括醫(yī)療成像設(shè)備等。加利福尼亞大學(xué)的Tony chen教授認(rèn)為，當(dāng)前在圖像處理的領(lǐng)域，可以稱得上圖像處理框架的主要有以下幾種：一是基于變換的圖像處理框架；二是基于偏微分方程（PDE）的圖像處理框架；三是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的圖像處理框架。

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，圖像增強(qiáng)技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中得到了充分的應(yīng)用，達(dá)到一個(gè)全新的高度，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)化的處理和存儲(chǔ)，數(shù)字圖像處理技術(shù)（Digital Image Processing）以數(shù)字形式進(jìn)行存儲(chǔ)和處理的圖像保證。通過(guò)全面利用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像進(jìn)行技術(shù)處理和加工處理成為一種極為方便的過(guò)程，所以圖像增強(qiáng)技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展是較快的。

數(shù)字圖像處理系統(tǒng)主要由圖像采集系統(tǒng)、數(shù)字計(jì)算機(jī)及輸出設(shè)備組成。如圖1所示。

圖1從模擬圖像處理開始，介入更多的是硬件設(shè)備部分，在這一個(gè)過(guò)程中需有四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，而對(duì)于圖像處理來(lái)說(shuō)，軟件系統(tǒng)同樣也很重要。在任何的處理系統(tǒng)中軟硬件都是分不開的，所以在圖像獲取的過(guò)程中，由于硬件設(shè)備的不佳造成的效果差也是不能回避的，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)造成圖像質(zhì)量不穩(wěn)定的主要因素：第一是隨機(jī)存在較為嚴(yán)重的噪聲，這種噪聲與相機(jī)或數(shù)字化設(shè)備質(zhì)量是有關(guān)系的，對(duì)于圖像質(zhì)量有影響。另外還包括系統(tǒng)噪聲的影響。第二是畸變，這個(gè)由于圖像采集設(shè)備與物體相對(duì)位置以及光學(xué)透鏡曲率等原因造成的，比如圖像的失真性。

數(shù)字圖像處理流程如圖2所示，這個(gè)處理過(guò)程主要分四個(gè)流程，從原始的圖像開始，先進(jìn)行預(yù)處理，這些過(guò)程包括：色彩增強(qiáng)、局部特征化、去噪化、平滑化等，通過(guò)這些基本的圖像處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像從原始的圖像向精細(xì)化轉(zhuǎn)變，這個(gè)過(guò)程就有非常明顯的加工過(guò)程，然后會(huì)進(jìn)行到圖像的特征分析和提取，只有滿足這些提取的功能才能進(jìn)一步的對(duì)圖像進(jìn)行正確理解或者遙感圖像的解譯，直到最后可以通過(guò)專家的視覺(jué)解譯，也可以通過(guò)數(shù)字識(shí)別的技術(shù)，利用知識(shí)庫(kù)來(lái)進(jìn)一步對(duì)圖像進(jìn)行深度理解。

圖1 數(shù)字圖像處理系統(tǒng)

圖2 圖像處理流程圖

2 圖像增強(qiáng)的原理

圖像增強(qiáng)是利用各種有效的處理技術(shù)來(lái)突出圖像中的一些效果和信息的強(qiáng)化，當(dāng)然從視覺(jué)上說(shuō)是要強(qiáng)化清晰度和可視性，同時(shí)消除不相關(guān)的信息和斑點(diǎn)來(lái)強(qiáng)調(diào)圖像的整體效果或局部效果特征，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)圖像增強(qiáng)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，只有相對(duì)的需求。目前常用的圖像增強(qiáng)技術(shù)有幾種：一是直方圖修改，二是圖像平滑濾波，也就是多重濾鏡的功能，三是圖像銳化使其突出的效果更好等。圖像增強(qiáng)技術(shù)主要分為兩類：一是頻域增強(qiáng)方法，二是空域增強(qiáng)方法。所謂頻域增強(qiáng)方法主要是利用各種頻域?yàn)V波器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主要是基于這種頻域來(lái)進(jìn)行圖像平滑或銳化的功能，很顯然這種平滑和稅化是較為常見(jiàn)的功能。再接著會(huì)利用變換域中的逆變換對(duì)圖像進(jìn)行有效的增強(qiáng)。而所謂的空域增強(qiáng)方法是直接對(duì)圖像中的像素進(jìn)行灰度處理，這種方式在很多軟件上較多的存在，也比較方便?？沼蚍椒▽儆谥苯釉鰪?qiáng)方法，包括去噪的平滑方法和邊緣增強(qiáng)的銳化方法?，F(xiàn)有的圖像增強(qiáng)原理可用公式(1)表示。

假設(shè)(x,y)處原始圖像的灰度為f(x,y)，增強(qiáng)后的灰度為g(x,y)，則圖像的增強(qiáng)可以表示為：(x,y)處的灰度：f(x,y)映射到g(x,y)。

這種映射可以表示為：

以上方法都是用于灰度圖像處理的，但是用于彩色圖像處理的方法并不多。為此，研究并比較了三種彩色圖像增強(qiáng)方法。傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)算法通常是根據(jù)圖像整體的統(tǒng)計(jì)信息來(lái)確定變換函數(shù)，如St變換、直方圖均衡化、中值濾波、差分銳化、高通濾波等。這樣，在計(jì)算整個(gè)圖像的變換時(shí)，由于局部區(qū)域?qū)?yīng)的細(xì)節(jié)值較小，往往被忽略。

灰度級(jí)為[0,L-1]范圍的數(shù)字圖像的直方圖是離散函數(shù)h(rk) =nk，這里rk是第k級(jí)灰度，nk是圖像中灰度級(jí)為rk的像素個(gè)數(shù)。經(jīng)常以圖像中像素的總數(shù)(用n表示)來(lái)除它的每一個(gè)值得到歸一化的直方圖。因此，一個(gè)歸一化的直方圖由P(rk) =nk/n給出。這里k=0，l，...，L-1。簡(jiǎn)單地說(shuō)，P(rk)給出了灰度級(jí)為rk發(fā)生的概率估計(jì)值。一個(gè)歸一化的直方圖其所有部分之和應(yīng)等于1。

3 圖像增強(qiáng)的常用方法

3.1 對(duì)比度增強(qiáng)

對(duì)比度的增強(qiáng)從技術(shù)上來(lái)說(shuō)是基于圖像線性函數(shù)用于變換圖像的灰度值的過(guò)程。

3.2 伽瑪校正

非線性函數(shù)（指數(shù)函數(shù)）用來(lái)變換圖像的灰度值，這兩種方法的實(shí)質(zhì)是拓寬感興趣的圖像區(qū)域，壓縮不感興趣的背景區(qū)域，從而達(dá)到圖像增強(qiáng)的效果。

3.3 直方圖均衡化

通過(guò)積分概率密度函數(shù)將原始圖像的直方圖變換成概率密度為1（理想情況）的圖像，從而提高對(duì)比度。直方圖均衡化的本質(zhì)也是對(duì)特定區(qū)域的一種加寬，但它會(huì)導(dǎo)致整個(gè)圖像向明亮區(qū)域的變換。當(dāng)原始圖像給定時(shí)，直方圖均衡化的效果也被確定。

3.4 直方圖規(guī)格化

針對(duì)直方圖均衡化中的一些問(wèn)題，將原始圖像的直方圖轉(zhuǎn)化為指定的直方圖。通常，目標(biāo)圖像的直方圖需要參考原始圖像的直方圖，通過(guò)多重高斯函數(shù)得到。

3.5 同態(tài)濾波器

圖像的灰度圖像f(x,y)可以看作兩部分：入射光分量和反射光分量：f(x,y) =i(x,y)r(x,y)。入射光相對(duì)均勻，隨空間位置變化不大，占據(jù)低頻分量。由于物體的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，反射光反射的光強(qiáng)度也不同，隨著空間位置的變化，反射光的強(qiáng)度更大。它占據(jù)了高頻分量。該設(shè)計(jì)基于圖像由光譜和反射光譜組成的原理。

基于RGB的彩色圖像處理方法有多種。因?yàn)橹苯邮褂没叶仍鰪?qiáng)方法對(duì)每個(gè)分量都會(huì)導(dǎo)致顏色的紊亂。

我們可以將RGB圖像轉(zhuǎn)換成其他空間的圖像，例如，我們可以將RGB圖像轉(zhuǎn)換成HSV圖像。HSV分別表示色調(diào)、飽和度和亮度。通過(guò)比較可以得到三種不同的HSV值。

4 圖像增強(qiáng)方法對(duì)比研究

從目前的幾種數(shù)字圖像增強(qiáng)技術(shù)來(lái)看，都相對(duì)只能完成某種數(shù)字圖像處理的效果，所以相對(duì)是較為基礎(chǔ)的技術(shù)。需要通過(guò)各種技術(shù)的組合才能更好的完成圖像增強(qiáng)的目的，很顯然現(xiàn)在的圖像增強(qiáng)技術(shù)都不能夠獨(dú)擋一面，他們需要有更好的融合才能發(fā)揮其自身的作用。比如，對(duì)比度增強(qiáng)方法適用于相對(duì)對(duì)比度較低的圖像，它主要通過(guò)線性和非線性變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同像素的灰度值的變化，從而改變圖像的動(dòng)態(tài)范圍，達(dá)到圖像增強(qiáng)的目的。而直方圖均衡化是針對(duì)低灰度范圍進(jìn)行有效的高頻圖像均衡，特別是針對(duì)暗區(qū)細(xì)節(jié)不清的圖像進(jìn)行有效的增強(qiáng)，效果顯而易見(jiàn)。另外就是針對(duì)圖像中存在的孤立和散射的噪聲點(diǎn)需要進(jìn)行平滑方法除掉。還有像線性濾波和非線性濾波，方法都比較簡(jiǎn)單，但效果一般，所以在除噪時(shí)仍然考慮用平滑的方式。綜上所述，不同的圖像增強(qiáng)技術(shù)是針對(duì)某一種特點(diǎn)的功能區(qū)域，所以在對(duì)圖像進(jìn)行整體的定位過(guò)程中，仍然需要有整體的增強(qiáng)理念進(jìn)行。

結(jié)束語(yǔ)：隨著圖像在人們生活中的作用越來(lái)越大，大量的圖像數(shù)據(jù)需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理。圖像增強(qiáng)技術(shù)是必不可少的技術(shù)，但圖像質(zhì)量的高低是需要有好的設(shè)備和硬件，對(duì)于那些較為特殊的環(huán)境和光照條件下所形成的圖像，需要有更為精準(zhǔn)的圖像增強(qiáng)，未來(lái)可以針對(duì)個(gè)性化的視覺(jué)效果，進(jìn)行差異化的處理?？梢詽M足不同的圖像增強(qiáng)的需求，這可能是將來(lái)技術(shù)發(fā)展的方向。