【圖像處理】直方圖均衡與匹配


灰度直方圖

灰度直方圖: 圖像灰度直方圖描述的是圖像各個(gè)灰度級(jí)的統(tǒng)計(jì)特性,橫坐標(biāo)表示各級(jí)灰度值,縱坐標(biāo)表示各級(jí)灰度值在圖像中對(duì)應(yīng)的像素個(gè)數(shù)昨寞。

比如灰度級(jí)范圍為[0,L-1]的數(shù)字圖像的灰度直方圖可以如下離散函數(shù)來(lái)表示:

h(r_{k})=n_{k}

其中关划,rk表示第k級(jí)灰度值,nk表示圖像中灰度為rk的像素個(gè)數(shù)官辈,k=0,1,...,L-1箱舞。


歸一化灰度直方圖

歸一化灰度直方圖:橫坐標(biāo)表示各級(jí)灰度值,縱坐標(biāo)表示各級(jí)灰度值在圖像中出現(xiàn)的概率統(tǒng)計(jì)拳亿。歸一化直方圖的縱坐標(biāo)分量之和應(yīng)等于1晴股。

p(r_{k})=n_{k}/MN

其中,rk表示第k級(jí)灰度值肺魁,nk表示圖像中灰度為rk的像素個(gè)數(shù)电湘,M與N表示圖像的行和列,p(rk)表示灰度級(jí)rk在圖像中出現(xiàn)的概率值鹅经,k=0,1,...,L-1寂呛。


累積直方圖

累計(jì)直方圖:代表圖像組成成分在灰度級(jí)的累計(jì)概率分布情況,每一個(gè)概率值代表小于等于此灰度值的概率瞬雹。

c(r_{k})=\sum_{i=0}^{k}n_{i}/MN=\sum_{i=0}^{k}p(r_{i})

其中昧谊,rk表示第k級(jí)灰度值,nk表示圖像中灰度為rk的像素個(gè)數(shù)酗捌,M與N表示圖像的行和列呢诬,p(rk)表示灰度級(jí)rk在圖像中出現(xiàn)的概率值涌哲,c(rk)表示累積值,k=0,1,...,L-1尚镰。

從上圖可以看出阀圾,在暗圖像中,灰度直方圖的分量集中在灰度級(jí)的低端狗唉;在亮圖像中初烘,灰度直方圖的分量集中在灰度級(jí)的高端;低對(duì)比圖圖像具有較窄的灰度直方圖分俯;高對(duì)比度圖像中灰度直方圖的分量覆蓋很寬的灰度級(jí)范圍肾筐,且像素的分布沒(méi)有太不均勻,只有少量垂線比其它高許多缸剪。


直方圖均衡

直方圖均衡:是將當(dāng)前的灰度分布通過(guò)一個(gè)變換函數(shù)吗铐,變換為范圍更寬、灰度分布更均勻的圖像杏节,也就是將原圖像的直方圖修改為在整個(gè)灰度區(qū)間內(nèi)大致均勻分布唬渗,因此擴(kuò)大了圖像的動(dòng)態(tài)范圍,增強(qiáng)了圖像的對(duì)比度奋渔。

直方圖均衡化的步驟:

  • 計(jì)算原圖像的灰度直方圖p(rk);
  • 計(jì)算原圖像的累積直方圖c(rk);
  • 計(jì)算圖像新的像素值镊逝,如下

s_{k}=T(r_{k})=(L-1)c(r_{k})=(L-1)\sum_{i=0}^{k}p(r_{i})=\frac{(L-1)}{MN}\sum_{i=0}^{k}n_{i}

其中,rk表示第k級(jí)灰度值嫉鲸,nk表示圖像中灰度為rk的像素個(gè)數(shù)撑蒜,M與N表示圖像的行和列,p(rk)表示灰度級(jí)rk在圖像中出現(xiàn)的概率值充坑,c(rk)表示累積值减江,k=0,1,...,L-1染突,sk表示輸出圖像的灰度級(jí)捻爷,(L-1)表示圖像的最大灰度級(jí)比如255。

示例

已知一幅大小為64×64像素的3位圖像的灰度分布以及歸一化灰度直方圖值如下表所示份企,求均衡后的歸一化灰度直方圖?

rk nk p(rk)
r0 790 0.19
r1 1023 0.25
r2 850 0.21
r3 656 0.16
r4 329 0.08
r5 245 0.06
r6 122 0.03
r7 81 0.02

由于該圖像是3位圖像也榄,所以L=23=8,直接運(yùn)用直方圖均衡化公式司志,可得:
s_{0}=T(r_{0})=(8-1)\sum_{i=0}^{0}p(r_{i})=7p(r_{0})=1.33
s_{1}=T(r_{1})=(8-1)\sum_{i=0}^{1}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})]=3.08
s_{2}=T(r_{2})=(8-1)\sum_{i=0}^{2}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})+p(r_{2})]=4.55
s_{3}=T(r_{3})=(8-1)\sum_{i=0}^{3}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})+p(r_{2})+p(r_{3})]=5.67
s_{4}=T(r_{4})=(8-1)\sum_{i=0}^{4}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})+p(r_{2})+p(r_{3})+p(r_{4})]=6.23
s_{5}=T(r_{5})=(8-1)\sum_{i=0}^{5}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})+p(r_{2})+p(r_{3})+p(r_{4})+p(r_{5})]=6.65
s_{6}=T(r_{6})=(8-1)\sum_{i=0}^{6}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})+p(r_{2})+p(r_{3})+p(r_{4})+p(r_{5})+p(r_{6})]=6.86
s_{7}=T(r_{7})=(8-1)\sum_{i=0}^{7}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})+p(r_{2})+p(r_{3})+p(r_{4})+p(r_{5})+7p(r_{6})+7p(r_{7})]=7.00
將所求得的s值近似為相近的整數(shù)甜紫,即:
s_{0}=1.33≈1
s_{1}=3.08≈3
s_{2}=4.55≈5
s_{3}=5.67≈6
s_{4}=6.23≈6
s_{5}=6.65≈7
s_{6}=6.86≈7
s_{7}=7.00≈7
這些整數(shù)就是均衡后的直方圖的值,可以看到骂远,通過(guò)直方圖均衡操作囚霸,原先的8個(gè)灰度級(jí)變?yōu)榱?個(gè)灰度級(jí),即:

  • 原先的第0灰度級(jí)被映射為了第1灰度級(jí)激才,再由上表可知拓型,在均衡后的圖像中有790個(gè)像素具有該值额嘿;
  • 原先的第1灰度級(jí)被映射為了第3灰度級(jí),在均衡后的圖像中有1023個(gè)像素具有該值劣挫;
  • 原先的第2灰度級(jí)被映射為了第5灰度級(jí)册养,在均衡后的圖像中有850個(gè)像素具有該值;
  • 原先的第3压固、4灰度級(jí)被映射為了第6灰度級(jí)球拦,在均衡后的圖像中有(656+329)=985個(gè)像素具有該值;
  • 原先的第5帐我、6坎炼、7灰度級(jí)被映射為了第7灰度級(jí),在均衡后的圖像中有(245+122+81)=448個(gè)像素具有該值.拦键。

根據(jù)歸一化灰度直方圖的計(jì)算公式点弯,使用MN=64×64=4096去除這些數(shù)即可得到均衡后圖像的歸一化灰度直方圖,將其繪制出來(lái)如下(圖3)所示矿咕。

圖1.原始圖像的歸一化灰度直方圖抢肛;圖2.直方圖均衡化變換函數(shù);圖3.均衡后圖像的歸一化灰度直方圖

直方圖匹配

直方圖匹配:對(duì)于某些應(yīng)用碳柱,采用直方圖均衡的基本增強(qiáng)并不是最好的方法捡絮,特別地,有時(shí)我們希望處理后的圖像具有規(guī)定的直方圖形狀莲镣,這種用于產(chǎn)生處理后有特殊直方圖的方法稱為直方圖匹配或直方圖規(guī)定化福稳。

直方圖匹配的步驟:

  • 對(duì)原始圖像的灰度直方圖進(jìn)行均衡化,得到一個(gè)變換函數(shù)sk=T(rk)瑞侮,其中sk是均衡化后的灰度級(jí)的圆,rk是原始灰度級(jí)。
  • 對(duì)規(guī)定的直方圖進(jìn)行均衡化半火,得到一個(gè)變換函數(shù)vq=G(zq)越妈,其中vq是均衡化后的灰度級(jí),zq是規(guī)定化的灰度級(jí)钮糖。
  • 上面都是對(duì)同一圖像的均衡化梅掠,其結(jié)果應(yīng)該是相等的。

s_{k}=v_{q}

由于:

v_{q}=G(z_{q})

通過(guò)反變換可變形得到下式:

z_{q}=G^{-1}(v_{q})=G^{-1}(s_{k})=G^{-1}(T(r_{k}))

像這樣店归,通過(guò)均衡化作為中間結(jié)果阎抒,將得到原始灰度級(jí)rk和規(guī)定化后灰度級(jí)zq之間的映射關(guān)系。

但是在實(shí)踐中消痛,我們并不需要計(jì)算G的反變換且叁,因?yàn)槲覀兲幚淼幕叶燃?jí)是整數(shù),比如8位圖像的灰度級(jí)是0-255秩伞,利用vq=G(zq)式計(jì)算q=0,1,2,...,L-1時(shí)的所有值是一件很簡(jiǎn)單的事情逞带。實(shí)際計(jì)算步驟如下:

  • 對(duì)原始圖像的灰度直方圖進(jìn)行均衡化质涛,將sk四舍五入為[0,L-1]內(nèi)的整數(shù)。
  • 對(duì)規(guī)定的直方圖進(jìn)行均衡化掰担,將vq的值四舍五入為[0,L-1]內(nèi)的整數(shù)汇陆。
  • 對(duì)于每一個(gè)sk值,都尋找相應(yīng)的vq值带饱,使得vq最接近sk毡代,進(jìn)而可得sk到zq的映射。當(dāng)滿足sk的zq值多于一個(gè)時(shí)勺疼,我們選擇最小的zq值進(jìn)行映射教寂。
  • 根據(jù)得到的sk與zq的映射關(guān)系,即可將原始直方圖均衡后的灰度級(jí)映射為規(guī)定化后的灰度級(jí)执庐,形成直方圖規(guī)定化后的圖像酪耕。

示例

已知一幅大小為64×64像素的3位圖像的灰度分布、歸一化灰度直方圖值如表1所示轨淌,規(guī)定的歸一化灰度直方圖值如表2所示迂烁,求規(guī)定后的歸一化灰度直方圖?

表1.原始圖像的灰度分布、歸一化灰度直方圖值

rk nk p(rk)
r0 790 0.19
r1 1023 0.25
r2 850 0.21
r3 656 0.16
r4 329 0.08
r5 245 0.06
r6 122 0.03
r7 81 0.02

表2.規(guī)定的歸一化灰度直方圖值

zq p(zq)
z0 0.00
z1 0.00
z2 0.00
z3 0.15
z4 0.20
z5 0.30
z6 0.30
z7 0.15

首先對(duì)原始圖像的灰度直方圖進(jìn)行均衡化递鹉,再將sk四舍五入為[0,L-1]內(nèi)的整數(shù)盟步,可得:
s_{0}=T(r_{0})=(8-1)\sum_{i=0}^{0}p(r_{i})=7p(r_{0})=1.33≈1
s_{1}=T(r_{1})=(8-1)\sum_{i=0}^{1}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})]=3.08≈3
s_{2}=T(r_{2})=(8-1)\sum_{i=0}^{2}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})+p(r_{2})]=4.55≈5
s_{3}=T(r_{3})=(8-1)\sum_{i=0}^{3}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})+p(r_{2})+p(r_{3})]=5.67≈6
s_{4}=T(r_{4})=(8-1)\sum_{i=0}^{4}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})+p(r_{2})+p(r_{3})+p(r_{4})]=6.23≈6
s_{5}=T(r_{5})=(8-1)\sum_{i=0}^{5}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})+p(r_{2})+p(r_{3})+p(r_{4})+p(r_{5})]=6.65≈7
s_{6}=T(r_{6})=(8-1)\sum_{i=0}^{6}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})+p(r_{2})+p(r_{3})+p(r_{4})+p(r_{5})+p(r_{6})]=6.86≈7
s_{7}=T(r_{7})=(8-1)\sum_{i=0}^{7}p(r_{i})=7[p(r_{0})+p(r_{1})+p(r_{2})+p(r_{3})+p(r_{4})+p(r_{5})+7p(r_{6})+7p(r_{7})]=7.00≈7

對(duì)規(guī)定的直方圖進(jìn)行均衡化,并將vq的值四舍五入為[0,L-1]內(nèi)的整數(shù)躏结,可得:
v_{0}=G(r_{0})=(8-1)\sum_{i=0}^{0}p(z_{i})=7p(z_{0})=0.00≈0
v_{1}=G(r_{1})=(8-1)\sum_{i=0}^{1}p(z_{i})=7[p(z_{0})+p(z_{1})]=0.00≈0
v_{2}=G(r_{2})=(8-1)\sum_{i=0}^{2}p(z_{i})=7[p(z_{0})+p(z_{1})+p(z_{2})]=0.00≈0
v_{3}=G(r_{3})=(8-1)\sum_{i=0}^{3}p(z_{i})=7[p(z_{0})+p(z_{1})+p(z_{2})+p(z_{3})]=1.05≈1
v_{4}=G(r_{4})=(8-1)\sum_{i=0}^{4}p(z_{i})=7[p(z_{0})+p(z_{1})+p(z_{2})+p(z_{3})+p(z_{4})]=2.45≈2
v_{5}=G(r_{5})=(8-1)\sum_{i=0}^{5}p(z_{i})=7[p(z_{0})+p(z_{1})+p(z_{2})+p(z_{3})+p(z_{4})+p(z_{5})]=4.55≈5
v_{6}=G(r_{6})=(8-1)\sum_{i=0}^{6}p(z_{i})=7[p(z_{0})+p(z_{1})+p(z_{2})+p(z_{3})+p(z_{4})+p(z_{5})+p(z_{6})]=5.95≈6
v_{7}=G(r_{7})=(8-1)\sum_{i=0}^{7}p(z_{i})=7[p(z_{0})+p(z_{1})+p(z_{2})+p(z_{3})+p(z_{4})+p(z_{5})+7p(z_{6})+7p(z_{7})]=7.00≈7

將如上計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)到表格中:

zq vq=G(zq)
z0 0
z1 0
z2 0
z3 1
z4 2
z5 5
z6 6
z7 7

對(duì)于每一個(gè)sk值却盘,都尋找相應(yīng)的vq值,使得vq最接近sk媳拴,根據(jù)vq與zq的關(guān)系黄橘,進(jìn)而可得sk到zq的映射,如下所示:

sk vq=G(zq) zq
1 1 3
3 2 4
5 5 5
6 6 6
7 7 7

將sk映射為zq屈溉,實(shí)際上就是將原始直方圖均衡后的灰度級(jí)映射為規(guī)定化后的灰度級(jí)塞关,詳細(xì)過(guò)程如下:

  • 原始直方圖均衡后的第1灰度級(jí)被映射為了第3灰度級(jí),在直方圖均衡后的圖像中有790個(gè)像素具有該值语婴;
  • 原始直方圖均衡后的第3灰度級(jí)被映射為了第4灰度級(jí)描孟,在直方圖均衡后的圖像中有1023個(gè)像素具有該值驶睦;
  • 原始直方圖均衡后的第5灰度級(jí)被映射為了第5灰度級(jí)砰左,在直方圖均衡后的圖像中有850個(gè)像素具有該值;
  • 原始直方圖均衡后的第6灰度級(jí)被映射為了第6灰度級(jí)场航,在直方圖均衡后的圖像中有(656+329)=985個(gè)像素具有該值缠导;
  • 原始直方圖均衡后的第7灰度級(jí)被映射為了第7灰度級(jí),在直方圖均衡后的圖像中有(245+122+81)=448個(gè)像素具有該值溉痢;

根據(jù)歸一化灰度直方圖的計(jì)算公式僻造,使用MN=64×64=4096去除這些數(shù)即可得到規(guī)定后圖像的歸一化灰度直方圖憋他,將其繪制出來(lái)如下(圖d)所示。

圖a.原始圖像的歸一化灰度直方圖髓削;圖b.規(guī)定的直方圖竹挡;圖c.直方圖規(guī)定化變換函數(shù);圖d.規(guī)定后圖像的歸一化灰度直方圖

從結(jié)果可以看出立膛,如上(圖d)所示的最終結(jié)果并不完全與規(guī)定的直方圖匹配揪罕,但我們達(dá)到了將灰度明確地移向灰度級(jí)高端的目的。


直方圖均衡與直方圖匹配的比較

左圖.原始影像宝泵;中圖.直方圖均衡后的結(jié)果好啰;右圖.直方圖匹配后的結(jié)果
左圖.原始影像的直方圖;中圖.直方圖均衡后圖像的直方圖儿奶;右圖.直方圖匹配后圖像的直方圖
  • 由于原始影像的直方圖中有大量像素灰度接近0框往,直接進(jìn)行直方圖均衡時(shí),其結(jié)果是把非常窄的暗像素區(qū)間映射到輸出圖像灰度級(jí)的高端闯捎。
  • 由于原始影像的直方圖中有大量像素灰度接近0椰弊,所以可以修改原始圖像的直方圖,使其不再有這一屬性瓤鼻。即采用直方圖匹配的方法來(lái)改善原始影像男应,人為規(guī)定一個(gè)直方圖,該直方圖保持了原有直方圖的基本形狀娱仔,但在圖像灰度暗區(qū)的灰度值有更平滑的過(guò)度沐飘。
  • 比較以上結(jié)果可以看出,對(duì)于該問(wèn)題牲迫,直方圖匹配的效果比直方圖均衡要好耐朴。應(yīng)該注意,原始直方圖的細(xì)小改變會(huì)使圖像的外觀得到顯著改進(jìn)盹憎。
最后編輯于
?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請(qǐng)聯(lián)系作者
  • 序言:七十年代末筛峭,一起剝皮案震驚了整個(gè)濱河市,隨后出現(xiàn)的幾起案子陪每,更是在濱河造成了極大的恐慌影晓,老刑警劉巖,帶你破解...
    沈念sama閱讀 216,919評(píng)論 6 502
  • 序言:濱河連續(xù)發(fā)生了三起死亡事件檩禾,死亡現(xiàn)場(chǎng)離奇詭異挂签,居然都是意外死亡,警方通過(guò)查閱死者的電腦和手機(jī)盼产,發(fā)現(xiàn)死者居然都...
    沈念sama閱讀 92,567評(píng)論 3 392
  • 文/潘曉璐 我一進(jìn)店門(mén)饵婆,熙熙樓的掌柜王于貴愁眉苦臉地迎上來(lái),“玉大人戏售,你說(shuō)我怎么就攤上這事侨核〔菽拢” “怎么了?”我有些...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 163,316評(píng)論 0 353
  • 文/不壞的土叔 我叫張陵搓译,是天一觀的道長(zhǎng)悲柱。 經(jīng)常有香客問(wèn)我,道長(zhǎng)些己,這世上最難降的妖魔是什么诗祸? 我笑而不...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 58,294評(píng)論 1 292
  • 正文 為了忘掉前任,我火速辦了婚禮轴总,結(jié)果婚禮上直颅,老公的妹妹穿的比我還像新娘。我一直安慰自己怀樟,他們只是感情好功偿,可當(dāng)我...
    茶點(diǎn)故事閱讀 67,318評(píng)論 6 390
  • 文/花漫 我一把揭開(kāi)白布。 她就那樣靜靜地躺著往堡,像睡著了一般械荷。 火紅的嫁衣襯著肌膚如雪。 梳的紋絲不亂的頭發(fā)上虑灰,一...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 51,245評(píng)論 1 299
  • 那天吨瞎,我揣著相機(jī)與錄音,去河邊找鬼穆咐。 笑死颤诀,一個(gè)胖子當(dāng)著我的面吹牛,可吹牛的內(nèi)容都是我干的对湃。 我是一名探鬼主播崖叫,決...
    沈念sama閱讀 40,120評(píng)論 3 418
  • 文/蒼蘭香墨 我猛地睜開(kāi)眼,長(zhǎng)吁一口氣:“原來(lái)是場(chǎng)噩夢(mèng)啊……” “哼拍柒!你這毒婦竟也來(lái)了心傀?” 一聲冷哼從身側(cè)響起,我...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 38,964評(píng)論 0 275
  • 序言:老撾萬(wàn)榮一對(duì)情侶失蹤拆讯,失蹤者是張志新(化名)和其女友劉穎脂男,沒(méi)想到半個(gè)月后,有當(dāng)?shù)厝嗽跇?shù)林里發(fā)現(xiàn)了一具尸體种呐,經(jīng)...
    沈念sama閱讀 45,376評(píng)論 1 313
  • 正文 獨(dú)居荒郊野嶺守林人離奇死亡宰翅,尸身上長(zhǎng)有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛 以下內(nèi)容為張勛視角 年9月15日...
    茶點(diǎn)故事閱讀 37,592評(píng)論 2 333
  • 正文 我和宋清朗相戀三年,在試婚紗的時(shí)候發(fā)現(xiàn)自己被綠了陕贮。 大學(xué)時(shí)的朋友給我發(fā)了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片堕油。...
    茶點(diǎn)故事閱讀 39,764評(píng)論 1 348
  • 序言:一個(gè)原本活蹦亂跳的男人離奇死亡,死狀恐怖肮之,靈堂內(nèi)的尸體忽然破棺而出掉缺,到底是詐尸還是另有隱情,我是刑警寧澤戈擒,帶...
    沈念sama閱讀 35,460評(píng)論 5 344
  • 正文 年R本政府宣布眶明,位于F島的核電站,受9級(jí)特大地震影響筐高,放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏搜囱。R本人自食惡果不足惜,卻給世界環(huán)境...
    茶點(diǎn)故事閱讀 41,070評(píng)論 3 327
  • 文/蒙蒙 一柑土、第九天 我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望蜀肘。 院中可真熱鬧,春花似錦稽屏、人聲如沸扮宠。這莊子的主人今日做“春日...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 31,697評(píng)論 0 22
  • 文/蒼蘭香墨 我抬頭看了看天上的太陽(yáng)坛增。三九已至,卻和暖如春薄腻,著一層夾襖步出監(jiān)牢的瞬間收捣,已是汗流浹背。 一陣腳步聲響...
    開(kāi)封第一講書(shū)人閱讀 32,846評(píng)論 1 269
  • 我被黑心中介騙來(lái)泰國(guó)打工庵楷, 沒(méi)想到剛下飛機(jī)就差點(diǎn)兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留罢艾,地道東北人。 一個(gè)月前我還...
    沈念sama閱讀 47,819評(píng)論 2 370
  • 正文 我出身青樓尽纽,卻偏偏與公主長(zhǎng)得像昆婿,于是被迫代替她去往敵國(guó)和親。 傳聞我的和親對(duì)象是個(gè)殘疾皇子蜓斧,可洞房花燭夜當(dāng)晚...
    茶點(diǎn)故事閱讀 44,665評(píng)論 2 354