[Python从零到壹] 四十四.图像增强及运算篇之图像灰度线性变换详解

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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] 四十四.图像增强及运算篇之图像灰度线性变换详解相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

欢迎大家来到“Python从零到壹”，在这里我将分享约200篇Python系列文章，带大家一起去学习和玩耍，看看Python这个有趣的世界。所有文章都将结合案例、代码和作者的经验讲解，真心想把自己近十年的编程经验分享给大家，希望对您有所帮助，文章中不足之处也请海涵。Python系列整体框架包括基础语法10篇、网络爬虫30篇、可视化分析10篇、机器学习20篇、大数据分析20篇、图像识别30篇、人工智能40篇、Python安全20篇、其他技巧10篇。您的关注、点赞和转发就是对秀璋最大的支持，知识无价人有情，希望我们都能在人生路上开心快乐、共同成长。

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，上一篇文章是图像点运算的灰度化处理知识，包括各种灰度算法的实现，以及灰度线性变换和灰度非线性变换。这篇文章将详细讲解图像灰度线性变换，包括灰度上移、对比度增强、对比度减弱和灰度反色变换。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.灰度线性变换

图像的灰度线性变换是通过建立灰度映射来调整原始图像的灰度，从而改善图像的质量，凸显图像的细节，提高图像的对比度。灰度线性变换的计算公式如（12-1）所示：

该公式中DB表示灰度线性变换后的灰度值，DA表示变换前输入图像的灰度值，α和b为线性变换方程f(D)的参数，分别表示斜率和截距[1-4]。

  • 当α=1，b=0时，保持原始图像
  • 当α=1，b!=0时，图像所有的灰度值上移或下移
  • 当α=-1，b=255时，原始图像的灰度值反转
  • 当α>1时，输出图像的对比度增强
  • 当0<α<1时，输出图像的对比度减小
  • 当α<0时，原始图像暗区域变亮，亮区域变暗，图像求补

如图12-1所示，显示了图像的灰度线性变换对应的效果图。

二.图像灰度上移变换

该算法将实现图像灰度值的上移，从而提升图像的亮度。

  • DB=DA+50

具体实现代码如下所示。由于图像的灰度值位于0至255区间之内，所以需要对灰度值进行溢出判断。

# -*- coding: utf-8 -*-
# By：Eastmount
import cv2  
import numpy as np  
import matplotlib.pyplot as plt

#读取原始图像
img = cv2.imread('luo.png')

#图像灰度转换
grayImage = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

#获取图像高度和宽度
height = grayImage.shape[0]
width = grayImage.shape[1]

#创建一幅图像
result = np.zeros((height, width), np.uint8)

#图像灰度上移变换 DB=DA+50
for i in range(height):
    for j in range(width):
        
        if (int(grayImage[i,j]+50) > 255):
            gray = 255
        else:
            gray = int(grayImage[i,j]+50)
            
        result[i,j] = np.uint8(gray)

#显示图像
cv2.imshow("Gray Image", grayImage)
cv2.imshow("Result", result)

#等待显示
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

其输出结果如图12-2所示，图像的所有灰度值上移50，图像变得更白了。注意，纯黑色对应的灰度值为0，纯白色对应的灰度值为255。

三.图像对比度增强变换

该算法将增强图像的对比度，Python实现代码如下所示。

  • DB=DA×1.5
# -*- coding: utf-8 -*-
# By：Eastmount
import cv2  
import numpy as np  
import matplotlib.pyplot as plt

#读取原始图像
img = cv2.imread('luo.png')

#图像灰度转换
grayImage = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

#获取图像高度和宽度
height = grayImage.shape[0]
width = grayImage.shape[1]

#创建一幅图像
result = np.zeros((height, width), np.uint8)

#图像对比度增强变换 DB=DA×1.5
for i in range(height):
    for j in range(width):
        
        if (int(grayImage[i,j]*1.5) > 255):
            gray = 255
        else:
            gray = int(grayImage[i,j]*1.5)
            
        result[i,j] = np.uint8(gray)

#显示图像
cv2.imshow("Gray Image", grayImage)
cv2.imshow("Result", result)

其输出结果如图12-3所示，图像的所有灰度值增强1.5倍。

四.图像对比度减弱变换

该算法将减弱图像的对比度，Python实现代码如下所示。

  • DB=DA×0.8
# -*- coding: utf-8 -*-
# By：Eastmount
import cv2  
import numpy as np  
import matplotlib.pyplot as plt

#读取原始图像
img = cv2.imread('luo.png')

#图像灰度转换
grayImage = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

#获取图像高度和宽度
height = grayImage.shape[0]
width = grayImage.shape[1]

#创建一幅图像
result = np.zeros((height, width), np.uint8)

#图像对比度减弱变换 DB=DA×0.8
for i in range(height):
    for j in range(width):
        gray = int(grayImage[i,j]*0.8)
        result[i,j] = np.uint8(gray)

#显示图像
cv2.imshow("Gray Image", grayImage)
cv2.imshow("Result", result)

#等待显示
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

其输出结果如图12-4所示，图像的所有灰度值减弱，图像变得更暗。

五.图像灰度反色变换

反色变换又称为线性灰度求补变换，它是对原图像的像素值进行反转，即黑色变为白色，白色变为黑色的过程。

  • DB=255-DA

其Python实现代码如下所示：

# -*- coding: utf-8 -*-
# By：Eastmount
import cv2  
import numpy as np  
import matplotlib.pyplot as plt

#读取原始图像
img = cv2.imread('luo.png')

#图像灰度转换
grayImage = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

#获取图像高度和宽度
height = grayImage.shape[0]
width = grayImage.shape[1]

#创建一幅图像
result = np.zeros((height, width), np.uint8)

#图像灰度反色变换 DB=255-DA
for i in range(height):
    for j in range(width):
        gray = 255 - grayImage[i,j]
        result[i,j] = np.uint8(gray)

#显示图像
cv2.imshow("Gray Image", grayImage)
cv2.imshow("Result", result)

#等待显示
cv2.waitKey(0)
cv2.destroyAllWindows()

其输出结果如图12-5所示，图像处理前后的灰度值是互补的。

图像灰度反色变换在医学图像处理中有一定的应用，如图12-6所示：

六.总结

本文主要讲解图像灰度线性变换，包括图像灰度上移、图像对比度增强变换、图像对比度减弱变换和图像灰度反色变换。希望大家一定要自己实现文章中的代码，更好地提升编程能力。

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：

祝大家新年快乐，虎年大吉，阖家幸福，万事如意，小珞珞给大家拜年了。亲情是真的很美，很治愈。希望小珞珞和他妈妈能开心每一天，全家人身体健康。小珞珞这小样子可爱极了，爱你们喔！

(By:娜璋之家 Eastmount 2022-02-28 夜于武汉 https://blog.csdn.net/Eastmount )

参考文献：

  • [1] 阮秋琦. 数字图像处理学（第3版）[M]. 北京：电子工业出版社，2008.
  • [2] 毛星云，冷雪飞. OpenCV3编程入门[M]. 北京：电子工业出版社，2015.
  • [3] Eastmount. [数字图像处理] 三.MFC实现图像灰度、采样和量化功能详解[EB/OL]. (2015-05-28). https://blog.csdn.net/eastmount/article/details/46010637.
  • [4] Eastmount. [Python图像处理] 十五.图像的灰度线性变换[EB/OL]. ( 2019-03-28). https://blog.csdn.net/Eastmount/article/details/88858696.

以上是关于[Python从零到壹] 四十四.图像增强及运算篇之图像灰度线性变换详解的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

[Python从零到壹] 四十六.图像增强及运算篇之图像阈值化处理

[Python从零到壹] 四十三.图像增强及运算篇之图像点运算和图像灰度化处理

[Python从零到壹] 四十九.图像增强及运算篇之顶帽运算和底帽运算

[Python从零到壹] 四十九.图像增强及运算篇之顶帽运算和底帽运算

[Python从零到壹] 四十七.图像增强及运算篇之腐蚀和膨胀详解

[Python从零到壹] 四十五.图像增强及运算篇之图像灰度非线性变换详解