[Python从零到壹] 五十四.图像增强及运算篇之局部直方图均衡化和自动色彩均衡化处理

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了[Python从零到壹] 五十四.图像增强及运算篇之局部直方图均衡化和自动色彩均衡化处理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

首先，祝大家教师节和中秋节快乐！

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该系列文章主要讲解Python OpenCV图像处理和图像识别知识，前期主要讲解图像处理基础知识、OpenCV基础用法、常用图像绘制方法、图像几何变换等，中期讲解图像处理的各种运算，包括图像点运算、形态学处理、图像锐化、图像增强、图像平滑等，后期研究图像识别、图像分割、图像分类、图像特效处理以及图像处理相关应用。

第二部分将讲解图像运算和图像增强，上一篇文章介绍图像增强概念和直方图均衡化。这篇文章将继续讲解图像增强，包括图像局部直方图均衡化和自动色彩均衡化处理。希望文章对您有所帮助，如果有不足之处，还请海涵。

文章目录

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前文赏析：

第一部分 基础语法

第二部分 网络爬虫

第三部分 数据分析和机器学习

第四部分 Python图像处理基础

第五部分 Python图像运算和图像增强

第六部分 Python图像识别和图像高阶案例

第七部分 NLP与文本挖掘

第八部分 人工智能入门知识

第九部分 网络攻防与AI安全

第十部分 知识图谱构建实战

扩展部分 人工智能高级案例

作者新开的“娜璋AI安全之家”将专注于Python和安全技术，主要分享Web渗透、系统安全、人工智能、大数据分析、图像识别、恶意代码检测、CVE复现、威胁情报分析等文章。虽然作者是一名技术小白，但会保证每一篇文章都会很用心地撰写，希望这些基础性文章对你有所帮助，在Python和安全路上与大家一起进步。

一.局部直方图均衡化

前文通过调用OpenCV中equalizeHist()函数实现直方图均衡化处理，该方法简单高效，但其实它是一种全局意义上的均衡化处理，很多时候这种操作不是很好，会把某些不该调整的部分给均衡处理了。同时，图像中不同的区域灰度分布相差甚远，对它们使用同一种变换常常产生不理想的效果，实际应用中，常常需要增强图像的某些局部区域的细节。

为了解决这类问题，Pizer等提出了局部直方图均衡化的方法（AHE），但AHE方法仅仅考虑了局部区域的像素，忽略了图像其他区域的像素，且对于图像中相似区域具有过度放大噪声的缺点。为此K. Zuiderveld等人提出了对比度受限CLAHE的图像增强方法，通过限制局部直方图的高度来限制局部对比度的增强幅度，从而限制噪声的放大及局部对比度的过增强，该方法常用于图像增强，也可以被用来进行图像去雾操作[1-2]。

在OpenCV中，调用函数createCLAHE()实现对比度受限的局部直方图均衡化。它将整个图像分成许多小块（比如按10×10作为一个小块），那么对每个小块进行均衡化。这种方法主要对于图像直方图不是那么单一的（比如存在多峰情况）图像比较实用。其函数原型如下所示：

retval = createCLAHE([, clipLimit[, tileGridSize]])

  • clipLimit参数表示对比度的大小
  • tileGridSize参数表示每次处理块的大小

调用createCLAHE()实现对比度受限的局部直方图均衡化的代码如下：

# -*- coding: utf-8 -*-
# By:Eastmount
import cv2  
import numpy as np  
import matplotlib.pyplot as plt
 
#读取图片
img = cv2.imread('lena.bmp')

#灰度转换
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
 
#局部直方图均衡化处理
clahe = cv2.createCLAHE(clipLimit=2, tileGridSize=(10,10))

#将灰度图像和局部直方图相关联, 把直方图均衡化应用到灰度图 
result = clahe.apply(gray)

#显示图像
plt.subplot(221)
plt.imshow(gray, cmap=plt.cm.gray), plt.axis("off"), plt.title('(a)') 
plt.subplot(222)
plt.imshow(result, cmap=plt.cm.gray), plt.axis("off"), plt.title('(b)') 
plt.subplot(223)
plt.hist(img.ravel(), 256), plt.title('(c)') 
plt.subplot(224)
plt.hist(result.ravel(), 256), plt.title('(d)') 
plt.show()

输出结果如图1所示，图1(a)为原始图像，对应的直方图为图1©，图1(b)和图1(d)为对比度受限的局部直方图均衡化处理后的图像及对应直方图，它让图像的灰度值分布更加均衡。可以看到，相对于全局的直方图均衡化，这个局部的均衡化似乎得到的效果更自然一点。

二.自动色彩均衡化

Retinex算法是代表性的图像增强算法，它根据人的视网膜和大脑皮层模拟对物体颜色的波长光线反射能力而形成，对复杂环境下的一维条码具有一定范围内的动态压缩，对图像边缘有着一定自适应的增强。自动色彩均衡（Automatic Color Enhancement，ACE）算法是在Retinex算法的理论上提出的，它通过计算图像目标像素点和周围像素点的明暗程度及其关系来对最终的像素值进行校正，实现图像的对比度调整，产生类似人体视网膜的色彩恒常性和亮度恒常性的均衡，具有很好的图像增强效果[3-4]。

ACE算法包括两个步骤，一是对图像进行色彩和空域调整，完成图像的色差校正，得到空域重构图像；二是对校正后的图像进行动态扩展。ACE算法计算公式如下：

其中，W是权重参数，离中心点像素越远的W值越小；g是相对对比度调节参数，其计算方法如公式(22-2)所示，a表示控制参数，值越大细节增强越明显。

图2是条形码图像进行ACE图像增强后的效果图，通过图像增强后的图(b)对比度更强，改善了原图像的明暗程度，增强的同时保持了图像的真实性。

由于OpenCV中暂时没有ACE算法包，下面的代码是借鉴“zmshy2128”老师的文章，修改实现的彩色直方图均衡化处理[5]。

# -*- coding: utf-8 -*-
# By:Eastmount
# 参考zmshy2128老师文章
import cv2
import numpy as np
import math
import matplotlib.pyplot as plt

#线性拉伸处理
#去掉最大最小0.5%的像素值 线性拉伸至[0,1]
def stretchImage(data, s=0.005, bins = 2000):   
    ht = np.histogram(data, bins);
    d = np.cumsum(ht[0])/float(data.size)
    lmin = 0; lmax=bins-1
    while lmin<bins:
        if d[lmin]>=s:
            break
        lmin+=1
    while lmax>=0:
        if d[lmax]<=1-s:
            break
        lmax-=1
    return np.clip((data-ht[1][lmin])/(ht[1][lmax]-ht[1][lmin]), 0,1)

#根据半径计算权重参数矩阵
g_para = 
def getPara(radius = 5):                        
    global g_para
    m = g_para.get(radius, None)
    if m is not None:
        return m
    size = radius*2+1
    m = np.zeros((size, size))
    for h in range(-radius, radius+1):
        for w in range(-radius, radius+1):
            if h==0 and w==0:
                continue
            m[radius+h, radius+w] = 1.0/math.sqrt(h**2+w**2)
    m /= m.sum()
    g_para[radius] = m
    return m

#常规的ACE实现
def zmIce(I, ratio=4, radius=300):                     
    para = getPara(radius)
    height,width = I.shape
    
    #Python3报错如下 使用列表append修改
    zh = []
    zw = []
    n = 0
    while n < radius:
        zh.append(0)
        zw.append(0)
        n += 1
    for n in range(height):
        zh.append(n)
    for n in range(width):
        zw.append(n)
    n = 0
    while n < radius:
        zh.append(height-1)
        zw.append(width-1)
        n += 1
    #print(zh)
    #print(zw)
    
    Z = I[np.ix_(zh, zw)]
    res = np.zeros(I.shape)
    for h in range(radius*2+1):
        for w in range(radius*2+1):
            if para[h][w] == 0:
                continue
            res += (para[h][w] * np.clip((I-Z[h:h+height, w:w+width])*ratio, -1, 1))
    return res

#单通道ACE快速增强实现
def zmIceFast(I, ratio, radius):
    print(I)
    height, width = I.shape[:2]
    if min(height, width) <=2:
        return np.zeros(I.shape)+0.5
    Rs = cv2.resize(I, (int((width+1)/2), int((height+1)/2)))
    Rf = zmIceFast(Rs, ratio, radius)             #递归调用
    Rf = cv2.resize(Rf, (width, height))
    Rs = cv2.resize(Rs, (width, height))
 
    return Rf+zmIce(I,ratio, radius)-zmIce(Rs,ratio,radius)   

#rgb三通道分别增强 ratio是对比度增强因子 radius是卷积模板半径          
def zmIceColor(I, ratio=4, radius=3):               
    res = np.zeros(I.shape)
    for k in range(3):
        res[:,:,k] = stretchImage(zmIceFast(I[:,:,k], ratio, radius))
    return res

#主函数
if __name__ == '__main__':
    img = cv2.imread('test01.png')
    res = zmIceColor(img/255.0)*255
    cv2.imwrite('Ice.jpg', res)

运行结果如图3和图4所示，ACE算法能有效进行图像去雾处理，实现图像的细节增强。

三.总结

本文主要讲解图像局部直方图均衡化和自动色彩均衡化处理。这些算法可以广泛应用于图像增强、图像去噪、图像去雾等领域。

感谢在求学路上的同行者，不负遇见，勿忘初心。图像处理系列主要包括三部分，分别是：

2022年即将离去，又是忙碌的一年，感谢女神的鼓励和小珞治愈的笑容。十月份会更加忙碌，希望一切顺利。守得云开见明月，加油！读博四年，还是写了一些东西，从初入安全的无知到现在的懵懂，也记录一些笔记，也希望对大家有所帮助。今年确实没啥时间写博客了，也没太多时间详细解答博友的问题，还请见谅。图片中颜色越浅甚至白色的时候，自己往往越忙，更多的博客和代码是寒暑假分享，项目、学习、科研、技术，最重要的还是家庭和亲情，娜美人生，感恩前行。爱你们喔，晚安娜。​傲娇的表情，小珞的玩具，哈哈~


(By:Eastmount 2022-10-06 夜于武汉 http://blog.csdn.net/eastmount/ )

参考文献：

  • [1]王浩,张叶,沈宏海,张景忠.图像增强算法综述[J].中国光学,2017,10(04):438-448.
  • [2]李艳梅. 图像增强的相关技术及应用研究[D].电子科技大学,2013.
  • [3]S. Bidon, Olivier Besson, J. Y. Tourneret. The Adaptive Coherence Estimator is the Generalized Likelihood Ratio Test for a Class of Heterogeneous Environments[J]. IEEE Signal Processing Letters, 2008, 15: 281-284.
  • [4]eastmount. [Python图像处理] 三十八.OpenCV图像增强和图像去雾万字详解（直方图均衡化、局部直方图均衡化、自动色彩均衡化）[EB/OL]. (2021-03-12). https://blog.csdn.net/ Eastmount/article/details/114706950.
  • [5]zmshy2128. 自动色彩均衡（ACE）快速算法[EB/OL]. (2016-12-05). https://www.cnblogs.com/zmshy2128/p/6135551.html.

以上是关于[Python从零到壹] 五十四.图像增强及运算篇之局部直方图均衡化和自动色彩均衡化处理的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

[Python从零到壹] 五十六.图像增强及运算篇之图像平滑（中值滤波双边滤波）

[Python从零到壹] 五十九.图像增强及运算篇之图像锐化ScharrCannyLOG实现边缘检测

[Python从零到壹] 五十.图像增强及运算篇之图像直方图理论知识和绘制实现

[Python从零到壹] 五十.图像增强及运算篇之图像直方图理论知识和绘制实现

[Python从零到壹] 五十七.图像增强及运算篇之图像锐化RobertsPrewitt算子实现边缘检测

[Python从零到壹] 五十八.图像增强及运算篇之图像锐化SobelLaplacian算子实现边缘检测