基于Matlab空间域算法的图像增强技术的研究与应用

江丽

（湖南高速铁路职业技术学院 机电系，湖南 衡阳421002）

基于Matlab空间域算法的图像增强技术的研究与应用

江丽

（湖南高速铁路职业技术学院 机电系，湖南 衡阳421002）

图像因对比度明显不足或图像细节成像模糊，以及采用ADS方法来实现灰度显示的等离子体显示器（PDP）显示图像时会出现假轮廓等现象；本文针对不同的图像处理应用领域，基于不同的图像降质原理，采用了基于空域的点运算算法和邻域去噪算法对图像进行增强处理。并通过Matlab软件对数字图像进行仿真测试。通过有目的地强调图像的整体或局部特性，增强图像中的有用信息，使图像与视觉响应特性更为匹配。经仿真测试验证 ，基于空域算法的图像增强技术可以有效地解决这些问题。

空间域算法；图像增强技术；Matlab；设计

图像增强技术是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，增强图像中的有用信息，它可以是一个失真的过程，其目的是要改善图像的视觉效果，使图像与视觉响应特性相匹配。

1　基于空间域的点运算算法

基于空域的算法常用的有点运算算法和邻域去噪算法。点运算算法有灰度变换和直方图修正等，将数字图像看成是离散、量化的灰度-像素的集合。点运算算法的原理是对二维函数进行处理，以改变原来图像的灰度－像素的集合，以使得图像成像均匀、扩大图像动态范围或扩展对比度等效果。常常用于图像成像模糊或对比度不足等图像的增强处理，以下是基于MATLAB对灰度变换及直方图修正的应用与效果对比图[3]。

1.1MATLAB对于灰度变换的应用

一般成像系统只具有一定的亮度响应范围，如图1所示，原始图像成像模糊，整个图像对比度明显不足，视觉效果差。采用灰度变换方法，利用Matlab处理技术选择图像的灰度级整个范围或者需要增强处理的某一段，扩展或压缩到记录器件灰度级的动态范围之内[4-5]，利用记录器件灰度级的动态范围，记录显示出图像中需要的细节，处理后的成像图如图2所示。

图1　原始图像

图2　对比度调整后的图像

1.2MATLAB应用于直方图的修正

图像具有相应的随机特性，要精确得到图像的灰度密度函数是比较困难的，一般采用数字图像的直方图来代替，直方图是图像的重要特征[7]。直方图横坐标是灰度级，纵坐标是该灰度级出现的像素的个数，它直接反映了这幅图像中的灰度级与出现这种灰度的概率之间的关系。体现了图像的基本统计特征。传统的直方图理论如下：

用变量r和s分别表示图像增强前后的像素灰度级，Pr（r）、Ps（s）分别表示相应灰度级分布的概率密度函数，采用直方图增强技术改变图像的显示效果，实质是通过变换函数T（r）来控制图像灰度级的概率密度函数来实现的[8]。如下公式:

在以上函数中对变量w求积分，Pr（w）是灰度级分布的概率密度函数。表示r的累积分布函数。上式变换函数满足在0≤r≤1内T（r）单调递增。对于离散图像，则满足以下关系式：

其中0≤rk≤1（k=0，1，…，L-1）。L是假设灰度级的总数，P（rk）是第k级灰度等级出现的概率，n代表图像中像素总数，nk代表了图像中灰度值等于这种灰度等级出现的概率。可以通过下列变换[9]：

其中0≤r≤1，k=0，1，…，L-1，图像的直方图均衡化处理了。

如图3所示为一幅森林夜间拍摄图，以及对应的直方图分布，由于夜间拍摄时采用了曝光，产生了大面积的亮度区域，图像细节成像极其模糊，采用直方图均衡化处理技术，可以采用MATLAB软件对其直方图进行修正，图像的平均亮度进行均衡化处理。直方图修正后即得到如图4图像。

2　基于空间域的邻域增强算法

与点运算算法不同的是，采用邻域增强算法，是基于不同的降质原理，采用一定的算法结构对灰度值进行处理，或消除图像噪声，或突出物体的边缘轮廓，便于目标识别[10]。大致可分为图像平滑和图像锐化两种。比如目前广泛应用于彩色交流等离子体显示器中的图像增强技术，在图像增强过程中，就要充分考虑到图像的降质原因，处理后的图像才能逼近原始图像。

图3　原始图像及直方图

图4　直方图修正后的图像

等离子体的工作原理是基于（X，Y）向的寻址方式，传输一幅高灰度级的图像，需要大量的时间用于寻址，为了减少寻址的时间，我们要将高灰度级的图像转换成低灰度级图像用于显示，寻址时间的减少有利于增加维持显示的时间[4]。如图5为一副256灰度级的图像，不采用图像处理技术直接转换成16级灰度，由图6所示，出现了明显的假轮廓。

2.1基于空间域的图像平滑处理

针对不同图像降质的原理，应采用不同的算法对二维函数进行处理，从而得到一组新的不同的灰度－像素的集合，以得到不同的显示效果[11]。图像的平滑处理一般用于消除图像噪声，让处理后的图像更逼近原始图像，文中基于MATLAB处理技术，应用一种比例误差扩散模型来进行图像处理。

图5　256灰度级

图6　16灰度级

2.2误差扩散方法的比例扩散模型

上节所提出的基于等离子体显示器因较少子场数来显示图像，高灰度级图像在转换成低灰度级时出现了明显的假轮廓，采用灰度变换或直方图修正无益于图像质量的明显改善，因此针对特定的图像降质原理，应用了一种比例误差扩散的模型对数字图像进行运算处理，这一误差算法的核心思想是将当前像素的量化（或近似取值）误差按一定比例扩散到相邻像素上，局部的误差就在相邻像素上得到了补偿，经过Matlab软件可以对各像素点重新处理[12]，重新得到一组数字图像信息。

如图7所示是基于误差扩散的当前像素灰度值计算图，P （i，j）是当前待处理的像素点，对应的值即为灰度值。P（i-1，j-1）、P（i-1，j）、P（i，j+1）、P（i，j-1）为相邻像素点，K1、K2、K3、K4为比例误差扩散系数[13]；这一扩散模型如图所示。具体的计算公式如下：

图7　误差扩散算法的比例扩散模型

比例误差扩散系数用K1、K2、K3、K4表示，当选取的一组比例误差扩散系数对图像中像素点的灰度值逐个进行处理时，可以改变数字图像的成像效果[14]。当图像色彩深度降低时，利用误差扩散算法将像素颜色变化的误差扩散到相邻像素。使得人眼在观察图像时，相邻像素点的整体误差变小，反而成像质量更好，更逼近原始图像。在图像处理时可以灵活采用不同的比例误差扩散系数，如何选取合适的比例误差系数，可依据成像的质量进行调整，以更适合人眼观察[15]。引用下面3张图像来说明采用这一数字图像处理技术的应用效果。

图8　采用数字图像处理后的效果对比图

图8（a）为256灰度级原始图像，图8（b）所示是不采用任何处理方法，图像直接被转换成了16灰度级图像。由对比图可知，低灰度级图像在等离子体显示器中会占用较少的子场数，且用于X和Y向寻址的时间明显减少。但转换后的图像出现了明显的假轮廓。为了解决因较少子场数而引起的图像轮廓的失真问题。需采用数字图像增强技术，图8（c）是基于邻域增强算法原理，采用了误差扩散算法对图像8（b）进行处理。由图可知，处理后的图像成像效果明显好于图8（b）。

3　结束语

MATLAB是基于向量或数组的高级程序语言，数字图像可看成是一组有序的离散数据形成的矩阵，针对图像不同的失真或降质原理，采取相应的算法，使用MATLAB可对这些图像数据信息即各像素点的灰度值进行计算处理，让图像与视觉响应特性相匹配，仿真结果如图4所示，极大地增强了图像的显示质量。

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The research and application of the image enhancement techniques in the spatial domain based on Matlab

JIANG Li
（Hunan Technical College of Railway Hign-speed，Hengyang 421002，China）

Image contrast is obviously insufficient or image details are blurred，and ADS method is used to realize the false contour and other phenomena of display image.This paper is based on the different image processing applications，based on different image quality reduction principle，using the algorithm based on airspace and neighborhood denoising algorithm to enhance processing.Digital images are simulated by Matlab software.By using the objective to emphasize the overall or local characteristics of the image，and enhance the useful information in the image，so that the image and the visual response characteristics more matching.The simulation results show that the image enhancement technology based on the spatial domain algorithm can effectively solve these problems.

spatial domain algorithm；image enhancement technology；Matlab；design

TN99

A

1674－6236（2016）22-0131-03

2015-11-27稿件编号：201511262

湖南省教育厅科研项目（14C0278）

江 丽（1982—），女，瑶族，湖南邵阳人，硕士，讲师。研究方向：电路与系统。