一种低照度或亮度不均图像的自适应图像增强方法
【专利摘要】本发明涉及一种低照度或亮度不均图像的自适应图像增强方法，其包括以下步骤：1)对低照度及亮度不均图像做预处理，预处理包括先对低照度及亮度不均图像做亮度预处理，并对亮度预处理后的图像进行边缘增强，得到预处理后的图像；2)根据预处理后的图像的亮度进行区域分割，并根据所分割的每个区域的不同特点，选择相应的映射函数，分别进行对应的自适应亮度增强；3)利用原始饱和度和亮度变化的特点对分段自适应亮度增强后的图像进行饱和度增强处理。本发明由于采用上述处理步骤进行处理图像，因此提高了图像色彩饱和度，使图像色彩鲜艳，具有更好的视觉效果。从而使得本发明可在生物医学、实时监控、卫星遥感等领域广泛推广。
【专利说明】一种低照度或亮度不均图像的自适应图像增强方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种图像增强方法，具体地说是一种低照度或亮度不均图像的自适应 图像增强方法。
【背景技术】
[0002] 在图像处理应用中，当环境光源照度较低或照度不均匀时，常造成图像细节不清、 信息丢失或图像质量严重下降，此时，就需要用图像增强技术来提高图像质量，以便于后续 的图像处理。图像增强技术是指针对给定图像的应用场合，有目的地强调图像的整体或局 部特性，将原来不清晰的图像变得清晰，或强调某些感兴趣的特征而抑制不感兴趣的特征， 扩大图像中不同物体特征之间的差别，改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效 果，满足某些特殊分析和处理的需要。
[0003] 现有图像增强技术主要分为变换域方法和空域增强方法，变换域方法是在频域、 小波域或者其它变换域进行图像增强，主要用于信噪比较低的图像，但其计算复杂度较 高；空域增强方法则是直接在空间域对图像进行增强处理，其计算复杂度较低。空间域增 强方法主要由直方图均衡方法、限制对比度自适应直方图均衡化方法（CLAHE，Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization)、γ-校正方法、视网膜大脑皮层理论方法 (Retinex)和亮度映射函数调整方法。在这些方法中，亮度映射函数调整方法适应性好，灵 活度高，因此得到广泛应用。
[0004] 亮度映射调整方法的关键在于映射函数的选取，目前常用的映射函数有正弦函 数、指数函数、对数函数和抛物线函数。为了使该方法能适应不同的图像，在映射函数中引 进了自适应参数，常见的自适应参数有图像亮度、标准差和图像熵等，现举例说明采用这些 自适应参数的缺陷：
[0005] 1) Tao L，Asari V K.发表于《Journal of Electronic Imaging》，2005, 14(4):043006-043006-14.的"Adaptive and integrated neighborhood-dependent approach for nonlinear enhancement of color images (AINDANE,基于全局像素及其邻 域的非线性自适应增强方法）"中使用了指数函数和标准差参数，以用于改善较低或亮度不 均条件下图像的视觉质量。该方法首先将图像转化为灰度图像，再对此灰度图像进行自适 应亮度增强和自适应对比度增强。自适应亮度增强是用专门设计的函数来自适应调节全局 亮度，在较大程度上增加了较暗像素的亮度，压缩了图像的动态范围。自适应对比度增强是 根据某个像素与其相邻像素的相对幅度来对该像素的亮度进行调节，这个过程也自适应地 通过图像的全局统计参数进行控制，进行完这两个步骤后，对得到的图像进行色彩还原，即 将得到的灰度图像在原图像性质基础上再转化为彩色图像，此图像即为增强后的图像。
[0006] 采用上述方法的缺陷如下：①该技术适用于低照度图像，但不适用于亮度不均匀 的图像；②该技术在计算整体亮度分布信息时涉及到卷积运算，多处运用到复杂指数运算， 计算量较大；③能够增强图像亮度，但不能有效保持色彩鲜艳度，使图像视觉效果受到影 响。
[0007] 2)Ghimire D, Lee J.发表于〈〈IEEE Transactions on Consumer Electronics)) 2011,57 (2):858-865.的"Nonlinear transfer function-based local approach for color image enhancement (-种基于非线性传递函数和图像局部特征的图像增强方法）" 中使用了指数函数和图像亮度参数，以用于对低照度图像和亮度不均匀图像进行对比度增 强。该方法首先在HSV色彩空间内，用非线性传递函数对图像进行分块增强，分块大小也可 以精确到每个像素；然后，用中心像素及其周围像素的特征对图像进行自适应对比度增强。
[0008] 采用上述方法的缺陷如下：①该技术采用固定的亮度分段参数，因此对于亮度分 布极度不均、亮度波动较大的图像适应性较差；②该技术在计算亮度分布信息时涉及到卷 积运算，计算量较大；③能够增强图像亮度，但不能有效保持色彩鲜艳度，使图像视觉效果 受到影响。
[0009] 综上所述，采用常见的自适应参数的调节图像增强方法仍存在自适应性不足够 强、运算量大、色彩不够鲜艳等问题。
【发明内容】
[0010] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种低照度或亮度不均图像的自适应图像增 强方法。
[0011] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种低照度或亮度不均图像的自适 应图像增强方法，其包括以下步骤：
[0012] 1)对低照度及亮度不均图像做预处理，预处理包括先对低照度及亮度不均图像做 亮度预处理，并对亮度预处理后的图像进行边缘增强，得到预处理后的图像；
[0013] 2)根据预处理后的图像的亮度进行区域分割，并根据所分割的每个区域的不同特 点，选择相应的映射函数，分别进行对应的自适应亮度增强，以实现图像整体亮度调整；
[0014] 3)利用原始饱和度和亮度变化的特点对分段自适应亮度增强后的图像进行饱和 度增强处理，得到最终图像。
[0015] 所述步骤1)包括以下步骤：
[0016] ①将低照度或亮度不均图像从RGB色彩空间转换到HSV色彩空间，以得到HSV色 彩空间中的原始图像；
[0017] 选取RGB色彩空间中低照度或亮度不均图像，该图像尺寸为MXN，其中，Μ为 该图像的高度，Ν为该图像的宽度；该图像中的任意一点坐标为（x，y)，且X e [0，Μ-1]， y e [0,Ν-1]；
[0018] 对于在任意一点（1，7)处的像素,定义1?(1，7)、6(1，7)和8(1，7)是1^^色彩空间 中该像素的红分量、绿分量和蓝分量；将低照度或亮度不均图像中任意一点的像素从RGB 色彩空间转换到HSV色彩空间，以实现将RGB色彩空间中低照度或亮度不均图像转换到HSV 色彩空间中，得到HSV色彩空间中的原始图像，其在HSV色彩空间中该像素的各分量为： V(x，y)为亮度分量、S(x，y)为饱和度分量和H(x，y)为色调分量；
[0019] ②计算HSV色彩空间中的原始图像的平均亮度值Va :
[0020]
【权利要求】
1. 一种低照度或亮度不均图像的自适应图像增强方法，其包括以下步骤： 1) 对低照度及亮度不均图像做预处理，预处理包括先对低照度及亮度不均图像做亮度 预处理，并对亮度预处理后的图像进行边缘增强，得到预处理后的图像； 2) 根据预处理后的图像的亮度进行区域分割，并根据所分割的每个区域的不同特点， 选择相应的映射函数，分别进行对应的自适应亮度增强，以实现图像整体亮度调整； 3) 利用原始饱和度和亮度变化的特点对分段自适应亮度增强后的图像进行饱和度增 强处理，得到最终图像。
2. 如权利要求1所述的一种低照度或亮度不均图像的自适应图像增强方法，其特征在 于：所述步骤1)包括以下步骤： ① 将低照度或亮度不均图像从RGB色彩空间转换到HSV色彩空间，以得到HSV色彩空 间中的原始图像； 选取RGB色彩空间中低照度或亮度不均图像，该图像尺寸为MXN，其中，Μ为该 图像的高度，Ν为该图像的宽度；该图像中的任意一点坐标为（x，y)，且X e [〇，Μ-1]， y e [〇,Ν-1]； 对于在任意一点（χ, y)处的像素，定义R(x, y)、G(x, y)和B(x, y)是RGB色彩空间中 该像素的红分量、绿分量和蓝分量；将低照度或亮度不均图像中任意一点的像素从RGB色 彩空间转换到HSV色彩空间，以实现将RGB色彩空间中低照度或亮度不均图像转换到HSV 色彩空间中，得到HSV色彩空间中的原始图像，其在HSV色彩空间中该像素的各分量为： V(x，y)为亮度分量、S(x，y)为饱和度分量和H(x，y)为色调分量； ② 计算HSV色彩空间中的原始图像的平均亮度值Va :
③ 将原始图像的平均亮度值与亮度预处理的阈值进行比较，当原始图像的平均亮度值 不大于亮度预处理的阈值，则进行亮度预处理，否则，则不处理； 根据亮度预处理的阈值Vth和原始图像的平均亮度值^之间的大小关系决定是否需要 对HSV色彩空间中的原始图像进行亮度预处理，其原则如下： 若原始图像的平均亮度值Va不大于亮度预处理的阈值Vth，则采用γ -校正技术对HSV 色彩空间中的原始图像进行亮度预处理； 采用Y -校正技术对HSV色彩空间中的原始图像进行亮度预处理所得的亮度预处理后 的图像亮度分量％(1，7):
其中，^是校正技术的参数，^在（〇，1)之间，Vth根据实验需要而定； 采用校正技术对原始图像进行亮度预处理后，所得的亮度预处理后的图像亮度分 量Vi (X，y)自动变成原始图像的平均亮度值Va，并将其与亮度预处理的阈值Vth相比较，若 不大于亮度预处理的阈值V th，则再次采用γ -校正技术进行亮度预处理，再与亮度预处理 的阈值Vth相比较，迭代循环，直到原始图像的平均亮度值V a大于亮度预处理的阈值Vth为 止，然后进入下一步进行处理；若原始图像的平均亮度值V a大于亮度预处理的阈值Vth，则 对HSV色彩空间中的原始图像不进行亮度预处理； ④对亮度预处理后的图像进行边缘增强，得到预处理后的图像Vp(x，y)。
3.如权利要求2所述的一种低照度或亮度不均图像的自适应图像增强方法，其特征在 于：所述步骤2)包括以下步骤： ① 根据预处理后的图像的亮度进行区域分割，以便根据所分割的每个区域的不同特点 进行相应的自适应亮度增强； 设预处理后的图像Vp(x，y)的平均亮度为Va_p，将预处理后的图像V p(x，y)的所有像素 分为两类VlOT和Vhigh :VlOT表示低亮度像素的平均亮度，Vhigh表示高亮度像素的平均亮度，各 自的表达式如下：
其中，
为sign符号函数； 将预处理后的图像Vp(x，y)的像素按照亮度不同分为三个类型：亮度在[0，VlOT)区间 的像素是预处理后的图像Vp(x，y)的低照度区域像素；亮度在[VlOT，Vhigh)区间的像素是预 处理后的图像V p(x，y)的正常区域像素；亮度在[Vhigh，255]区间的像素是预处理后的图像 Vp(x，y)的曝光区域像素； ② 根据所分割的每个区域的不同特点，选择相应的映射函数，分别进行对应的自适应 亮度增强，以实现图像整体亮度调整； 预处理后的图像Vp(x，y)的像素所分的三个区域像素所对应的亮度直方图，选择如下 映射函数分别进行图像亮度增强，其公式如下：
其中，V^Uy)表示亮度增强后在坐标点（x，y)处的像素亮度值，log1(l(·)是以10为 底的对数：
其中，￥2是γ-校正技术的参数，在（〇，1)之间。
4.如权利要求3所述的一种低照度或亮度不均图像的自适应图像增强方法，其特征在 于：所述步骤3)包括以下内容： 经过分段亮度增强后的图像相对预处理后的图像在（x，y)处像素的亮度变化 Δ V (X，y)为
HSV色彩空间中的原始图像的平均饱和度值Sa为
对分段亮度增强后的图像进行饱和度增强处理，其过程如下：
其中，S^Uy)表示饱和度增强处理后的图像在（x，y)处的像素饱和度值； 将饱和度增强处理后图像从HSV色彩空间转换回RGB色彩空间，得到最终的彩色图像。
【文档编号】G06T5/00GK104156921SQ201410389246
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】陈喆, 殷福亮, 张昕 申请人:大连理工大学