[Python从零到壹] 五十一.图像增强及运算篇之图像灰度直方图对比分析万字详解

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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] 五十一.图像增强及运算篇之图像灰度直方图对比分析万字详解相关的知识,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,前面的文章详细介绍了图像灰度变换和阈值变换。本篇文章将结合直方图分别对比图像灰度变换前后的变化,方便读者更清晰地理解灰度变换和阈值变换。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.灰度增强直方图对比

图像灰度上移变换使用的表达式为:

  • DB=DA+50

该算法将实现图像灰度值的上移,从而提升图像的亮度,结合直方图对比的实现代码如下所示。

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

#读取图像
img = cv2.imread('lena-hd.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]
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)

#计算原图的直方图
hist = cv2.calcHist([img], [0], None, [256], [0,255])

#计算灰度变换的直方图
hist_res = cv2.calcHist([result], [0], None, [256], [0,255])

#原始图像
plt.figure(figsize=(8, 6))
plt.subplot(221), plt.imshow(img, 'gray'), plt.title("(a)"), plt.axis('off')

#绘制掩膜
plt.subplot(222), plt.plot(hist), plt.title("(b)"), plt.xlabel("x"), plt.ylabel("y")

#绘制掩膜设置后的图像
plt.subplot(223), plt.imshow(result, 'gray'), plt.title("(c)"), plt.axis('off')

#绘制直方图
plt.subplot(224), plt.plot(hist_res), plt.title("(d)"), plt.xlabel("x"), plt.ylabel("y")
plt.show()

其运行结果如图1所示,其中(a)表示原始图像,(b)表示对应的灰度直方图,(c)表示灰度上移后的图像,(d)是对应的直方图。对比发现,图1(d)比图1(b)的灰度级整体高了50,曲线整体向右平移了50个单位。


二.灰度减弱直方图对比

该算法将减弱图像的对比度,使用的表达式为:

  • DB=DA×0.8

Python结合直方图实现灰度对比度减弱的代码如下所示。

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

#读取图像
img = cv2.imread('lena-hd.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]
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)

#计算原图的直方图
hist = cv2.calcHist([img], [0], None, [256], [0,255])

#计算灰度变换的直方图
hist_res = cv2.calcHist([result], [0], None, [256], [0,255])

#原始图像
plt.figure(figsize=(8, 6))
plt.subplot(221), plt.imshow(img, 'gray'), plt.title("(a)"), plt.axis('off')

#绘制掩膜
plt.subplot(222), plt.plot(hist), plt.title("(b)"), plt.xlabel("x"), plt.ylabel("y")

#绘制掩膜设置后的图像
plt.subplot(223), plt.imshow(result, 'gray'), plt.title("(c)"), plt.axis('off')

#绘制直方图
plt.subplot(224), plt.plot(hist_res), plt.title("(d)"), plt.xlabel("x"), plt.ylabel("y")
plt.show()

其运行结果如图2所示,其中(a)和(b)表示原始图像和对应的灰度直方图,(c)和(d)表示灰度减弱或对比度缩小的图像及对应的直方图。图2(d)比图2(b)的灰度级整体缩小了0.8倍,绘制的曲线更加密集。


三.图像反色直方图对比

该算法将图像的颜色反色,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,使用的表达式为:

  • DB=255-DA

实现代码如下所示。

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

#读取图像
img = cv2.imread('lena-hd.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]
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)

#计算原图的直方图
hist = cv2.calcHist([img], [0], None, [256], [0,255])

#计算灰度变换的直方图
hist_res = cv2.calcHist([result], [0], None, [256], [0,255])

#原始图像
plt.figure(figsize=(8, 6))
plt.subplot(221), plt.imshow(img, 'gray'), plt.title("(a)"), plt.axis('off')

#绘制掩膜
plt.subplot(222), plt.plot(hist), plt.title("(b)"), plt.xlabel("x"), plt.ylabel("y")

#绘制掩膜设置后的图像
plt.subplot(223), plt.imshow(result, 'gray'), plt.title("(c)"), plt.axis('off')

#绘制直方图
plt.subplot(224), plt.plot(hist_res), plt.title("(d)"), plt.xlabel("x"), plt.ylabel("y")
plt.show()

其运行结果如图3所示,其中(a)和(b)表示原始图像和对应的灰度直方图,(c)和(d)表示灰度反色变换图像及对应的直方图。图3(d)与图3(b)是反相对称的,整个灰度值满足DB=255-DA表达式。


四.图像对数变换直方图对比

该算法将增加低灰度区域的对比度,从而增强暗部的细节,使用的表达式为:

下面代码实现了图像灰度的对数变换及直方图对比。

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

#读取图像
img = cv2.imread('lena-hd.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]
result = np.zeros((height, width), np.uint8)

#图像灰度对数变换
for i in range(height):
    for j in range(width):
        gray = 42 * np.log(1.0 + grayImage[i,j])
        result[i,j] = np.uint8(gray)

#计算原图的直方图
hist = cv2.calcHist([img], [0], None, [256], [0,255])

#计算灰度变换的直方图
hist_res = cv2.calcHist([result], [0], None, [256], [0,255])

#原始图像
plt.figure(figsize=(8, 6))
plt.subplot(221), plt.imshow(img, 'gray'), plt.title("(a)"), plt.axis('off')

#绘制原始图像直方图
plt.subplot(222), plt.plot(hist), plt.title("(b)"), plt.xlabel("x"), plt.ylabel("y")

#灰度变换后的图像
plt.subplot(223), plt.imshow(result, 'gray'), plt.title("(c)"), plt.axis('off')

#灰度变换图像的直方图
plt.subplot(224), plt.plot(hist_res), plt.title("(d)"), plt.xlabel("x"), plt.ylabel("y")
plt.show()

其运行结果如图4所示,其中(a)和(b)表示原始图像和对应的灰度直方图,(c)和(d)表示灰度对数变换图像及对应的直方图。


五.图像阈值化处理直方图对比

该算法原型为threshold(Gray,127,255,cv2.THRESH_BINARY),当前像素点的灰度值大于thresh阈值时(如127),其像素点的灰度值设定为最大值(如9位灰度值最大为255);否则,像素点的灰度值设置为0。二进制阈值化处理及直方图对比的Python代码如下所示。

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

#读取图像
img = cv2.imread('lena-hd.png')

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

#二进制阈值化处理
r, result = cv2.threshold(grayImage, 127, 255, cv2.THRESH_BINARY)

#计算原图的直方图
hist = cv2.calcHist([img], [0], None, [256], [0,256])

#计算阈值化处理的直方图
hist_res = cv2.calcHist([result], [0], None, [256], [0,256])

#原始图像
plt.figure(figsize=(8, 6))
plt.subplot(221), plt.imshow(img, 'gray'), plt.title("(a)"), plt.axis('off')

#绘制原始图像直方图
plt.subplot(222), plt.plot(hist), plt.title("(b)"), plt.xlabel("x"), plt.ylabel("y")

#阈值化处理后的图像
plt.subplot(223), plt.imshow(result, 'gray'), plt.title("(c)"), plt.axis('off')

#阈值化处理图像的直方图
plt.subplot(224), plt.plot(hist_res), plt.title("(d)"), plt.xlabel("x"), plt.ylabel("y")
plt.show()

其运行结果如图5所示,其中(a)和(b)表示原始图像和对应的灰度直方图,(c)和(d)表示图像阈值化处理及对应的直方图,图5(d)中可以看到,灰度值仅仅分布于0(黑色)和255(白色)两种灰度级。


六.总结

本文主要讲解图像直方图理论知识以及直方图绘制方法,包括灰度增强直方图对比、灰度减弱直方图对比、图像反色直方图对比、图像对数变换直方图对比、图像阈值化处理直方图对比。灰度直方图是灰度级的函数,描述的是图像中每种灰度级像素的个数,反映图像中每种灰度出现的频率。这篇文章的知识点将为后续图像处理和图像运算对比提供支撑。

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:

(By:Eastmount 2022-08-10 夜于武汉 http://blog.csdn.net/eastmount/ )


参考文献:

  • [1] 冈萨雷斯. 数字图像处理(第3版)[M]. 北京:电子工业出版社, 2013.
  • [2] 张恒博, 欧宗瑛. 一种基于色彩和灰度直方图的图像检索方法[J]. 计算机工程, 2004.
  • [3] Eastmount. [数字图像处理] 四.MFC对话框绘制灰度直方图[EB/OL]. (2015-05-31). https://blog.csdn.net/eastmount/article/details/46237463.
  • [4] 阮秋琦. 数字图像处理学(第3版)[M]. 北京:电子工业出版社, 2008.
  • [5] Eastmount. [Python图像处理] 十一.灰度直方图概念及OpenCV绘制直方图[EB/OL]. (2018-11-06). https://blog.csdn.net/Eastmount/article/details/83758402.

以上是关于[Python从零到壹] 五十一.图像增强及运算篇之图像灰度直方图对比分析万字详解的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

[Python从零到壹] 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