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:
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。
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。
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
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:
將所求得的s值近似為相近的整數(shù)甜紫,即:
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。
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。
由于:
通過(guò)反變換可變形得到下式:
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:
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:
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。
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
- 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。