數(shù)字圖像的灰度處理

1、 數(shù)字圖像的灰度處理 摘 要：圖象處理著重強調(diào)的是在圖象之間進(jìn)行的各種變換，對圖象進(jìn)行各種加工以改善圖象的視覺效果。在圖象的灰度處理中，增強操作、直方圖及圖象間的變換是實現(xiàn)點操作的增強方式，又被稱作灰度變換。本文主要介紹了一些數(shù)字圖像灰度處理的方法，其中圖象取反是實現(xiàn)圖象灰度值翻轉(zhuǎn)的最直接的方法；灰度切分可實現(xiàn)強化某一灰度值的目的。對直方圖進(jìn)行均衡化修正，可使圖象的灰度間距增大或灰度均勻分布、增大反差，使圖象的細(xì)節(jié)變得清晰。關(guān) 鍵 詞： 圖像增強 灰度處理 閾值變換 灰度拉伸 灰度直方圖數(shù)字圖像處理是20世紀(jì)60年代初期所形成的一門涉及多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。所謂數(shù)字圖像處理，又稱為計算機(jī)圖像處理，

2、就是指用數(shù)字計算機(jī)及其它有關(guān)的數(shù)字硬件技術(shù)，對圖像施加某種應(yīng)算和處理，從而達(dá)到某種預(yù)期的目的。在大多數(shù)情況下，計算機(jī)采用離散的技術(shù)來處理來自連續(xù)世界的圖像。實際上圖像是連續(xù)的，計算機(jī)只能處理離散的數(shù)字圖像，所以要要對連續(xù)圖像經(jīng)過采樣和量化以獲得離散的數(shù)字圖像。數(shù)字圖像處理中圖像增強的目的是改善圖像的視覺效果，針對給定圖像的應(yīng)用場合，有目的地強調(diào)圖像的整體或局部特性，擴(kuò)大圖像中不同物體特征之間的差別，滿足某些特殊分析的需要。其方法是通過一定手段對原圖像附加一些信息或變換數(shù)據(jù)，有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，使圖像與視覺響應(yīng)特性相匹配。而通過改變圖像的灰度以期達(dá)到一種

3、很好的視覺效果是圖像增強的一種手段?；叶茸儞Q的目的是為了改善畫質(zhì)，使圖像顯示效果更加清晰。圖像的點應(yīng)算是一種既簡單又重要的技術(shù)，它能讓用戶改變圖像數(shù)據(jù)占據(jù)的灰度范圍。一幅輸入圖像經(jīng)過點應(yīng)算后將產(chǎn)生一幅新的輸出圖像，由輸入像素點的灰度值決定相應(yīng)的輸出像素點的灰度值。圖像的點應(yīng)算可以有效的改變圖像的直方圖分布，以提高圖像的分辨率和圖像的均衡。點應(yīng)算可以按照預(yù)定的方式改變一幅圖像的灰度直方圖。除了灰度級的改變是根據(jù)某種特定的灰度變換函數(shù)進(jìn)行之外，點應(yīng)算可以看作是“從像素到像素”的復(fù)制操作。如果輸入圖像為A（x,y）,則點應(yīng)算可以表示為：B(x,y)=fA（x,y） ，其中函數(shù)f(D)稱為灰度變換函數(shù)

4、，它描述了輸入灰度值和輸出灰度值之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。一旦灰度變換函數(shù)確定，該點應(yīng)算就完全被確定下來了。直接灰度變換屬于所有圖像增強技術(shù)中最簡單的一類，最常用的方法有以下幾種：（1）圖像求反 所謂對圖像求反是將原圖像灰度值翻轉(zhuǎn)，簡單說來就是使黑變白，使白變黑。假設(shè)對灰度級范圍是（0，L-1）的圖像求反，就是通過變換將（0，L-1）變換到（L-1），變換公式如下：t=L-1-s 這種方法尤其適用于增強嵌入于圖像暗色區(qū)域的白色或灰色細(xì)節(jié)。（2）對數(shù)變換 在某些情況下，例如，在顯示圖像的傅里葉譜時，其動態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過顯示設(shè)備上的顯示能力。此時僅有圖像中最亮部分可在顯示設(shè)備上顯示，而頻譜中的低值將看不見，在

5、這種情況下，所顯示的圖像相對于原圖像就存在失真。要消除這種因動態(tài)范圍太大而引起的失真，一種有效的方法是對原圖像的動態(tài)范圍進(jìn)行壓縮，最常用的借助對數(shù)形式對動態(tài)范圍進(jìn)行調(diào)整，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下: t=Clog (1+|s| ) 其中C為尺度比例常數(shù)。尺度比例常數(shù)C的取值可以結(jié)合原圖像的動態(tài)范圍以及顯示設(shè)備的顯示能力來定。（3）灰度切割 灰度切割的目的是增強特定范圍的對比度，用來突出圖像中特定灰度范圍的亮度。進(jìn)行灰度切割有許多方法，常用的有兩種方法：一種是對感興趣的灰度級以較大的灰度值來顯示，而對另外的灰度級則以較小的灰度級來顯示；另一個方法是對感興趣的灰度級以較大的灰度值進(jìn)行顯示，而其他的灰度級則保

6、持不變。（4）位圖切割 對一幅有多個位表示其灰度值的圖像來說，其中的每個位可看作一個二值的平面，也稱為位面。設(shè)圖像中每一個像素由8位表示，也就是說圖像有8個位面，一般用位面0表示最低位面，位面7表示最高位面，借助圖像的位面表示形式，通過操作圖像特定位面來達(dá)到對圖像的增強效果。（5）灰度的線性變換 灰度的線性變換就是將圖像中所有的點的灰度按照線形灰度變換函數(shù)進(jìn)行變換。該線性灰度變換函數(shù)f(x)是一個一維線性函數(shù)，描述：f(x)=a*x+b,灰度變換方程為DB=f(DA)=a*DA+b,式中參數(shù)a為線性函數(shù)的斜率，b為線性函數(shù)在y軸的截距,DA表示輸入圖像的灰度，DB表示輸出圖像的灰度。當(dāng)a>

7、;1時輸出圖像的對比度將增加；當(dāng)a<1時，輸出圖像的對比度將減??；當(dāng)a=1且b0時操作僅使所有像素的灰度值上移或下移，其效果是使整個圖像更暗或更亮；如果a<0，暗區(qū)域?qū)⒆兞?，亮區(qū)域?qū)⒆儼担c應(yīng)算完成了圖像求補應(yīng)算。特殊情況下，當(dāng)a=1，b=0時，輸出圖像和輸入圖像相同；當(dāng)a=-1，b=225時，輸出圖像的灰度正好反轉(zhuǎn)。灰度直方圖是數(shù)字圖像處理中一個最簡單、最有用的的工具，它描述了一幅圖像的灰度級內(nèi)容，例如圖像的灰度范圍、每個灰度級出現(xiàn)的頻率、灰度級的分布、整幅圖像的平均明暗和對比度等，對圖像近一步處理提供了重要依據(jù)?；叶戎狈綀D定義為灰度值的函數(shù)，描述的是圖像中具有該灰度值的像素的個

8、數(shù)，其橫坐標(biāo)表示像素的灰度級別，縱坐標(biāo)是該灰度出現(xiàn)的頻率。大多數(shù)自然圖像由于其灰度分布集中在較窄的區(qū)間，引起圖像細(xì)節(jié)不夠清晰，采用直方圖修整后可使圖像的灰度間距拉開或使灰度分布均勻，從而增大反差，使圖像細(xì)節(jié)清晰，達(dá)到增強的目的。直方圖處理方法通常分兩種：直方圖均衡化：實質(zhì)是減少圖像的灰皆以換取對比度的擴(kuò)大，它的結(jié)果是唯一的，就是根據(jù)灰度信息，自動增強整個圖像的對比度，也就是說對比度擴(kuò)大到什么程度是不受控制的，目的是通過點應(yīng)算使輸入圖像轉(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；直方圖規(guī)定化：相當(dāng)于建立了一個灰度級別的固定模式，所有圖像進(jìn)入后，都會以同一種灰度直方圖的

9、狀態(tài)顯示出來。 灰度的閾值變換可以讓一幅灰度圖像轉(zhuǎn)換成黑白二值圖，它的操作過程是先由用戶指定一個閾值，如果圖像中某像素的灰度值小于該閾值，則該圖像的灰度值設(shè)置為0，否則灰度值設(shè)置為225?；叶乳撝底儞Q的變換函數(shù)表達(dá)式如下： 0 x<Tf(x)= 255              x>T其中T為指定的閾值。閾值T就像個門檻，比它大就是白，比它小就是黑。該變換函數(shù)是階躍函數(shù)，只需給出閾值點T即可，經(jīng)過閾值處理后的圖像變成了一幅黑白二值圖，閾值處理是灰度圖轉(zhuǎn)二

10、值圖的一種常用方法。有時候由于環(huán)境光線或采集設(shè)備等原因，圖像的灰度有時會集中于某一較小區(qū)間，如圖像過亮或過暗等，這時就需要對圖像的灰度進(jìn)行拉伸使之覆蓋較大的取值區(qū)間，從而提高圖像的對比度以便于觀察。這種處理就可以利用線性變換曲線建立灰度映射來完成?；叶壤煊纸凶鰧Ρ榷壤?，它是最基本的一種灰度變換，它與線性變換有些類似，不同之處在于灰度拉伸使用的是分段線性變換，所以它最大的優(yōu)勢是變換函數(shù)可以由用戶任意合成。它的主要思想是提高圖像處理時灰度級的動態(tài)范圍，適用于低對比度圖像的處理，一般由兩個基本操作組成： 直方圖統(tǒng)計，來確定對圖像進(jìn)行灰度拉伸的兩個拐點； 灰度變換，根據(jù)步驟確定的分段線性變換函數(shù)進(jìn)行像素灰度值的映射?；叶壤炜梢造`活的控制輸出灰度直方圖的分布，它可以有選擇的拉伸某段灰度區(qū)間以改善輸出圖像。如果一幅圖像灰度集中在較暗的區(qū)域而導(dǎo)致圖像偏暗，可以用灰度拉伸功能來拉伸（斜率>1）物體灰度區(qū)間來改善圖像；同樣如果圖像灰度集中在較亮的區(qū)域而導(dǎo)致圖像偏亮，也可以用灰度拉伸功能來壓縮（斜率<1）物體灰度區(qū)間以改善圖像質(zhì)量。在計算機(jī)圖形學(xué)與圖