OpenCV-Python直方图均衡

学会均衡直方图以获得更好的图像对比度,在这个部分,

我们将学习直方图均衡化的概念,并将其用于改善图像的对比度。
理论
考虑一个图像,其像素值仅限于特定的值范围。例如,较亮的图像会将所有像素限制在较高的值。但是,好的图像将具有来自图像所有区域的像素。因此,您需要将此直方图拉伸到两端(如下图所示,来自维基百科),这就是直方图均衡化的作用(简单来说)。通常,这可以提高图像的对比度。

OpenCV直方图均衡

我建议您阅读 直方图均衡化 上的Wikipedia页面,以获取有关它的更多详细信息。它很好地解释了示例,使您在阅读完之后几乎可以理解所有内容。相反,在这里我们将看到其Numpy实现。之后,我们将看到OpenCV功能。

import numpy as np
import cv2 as cv
from matplotlib import pyplot as plt
img = cv.imread('wiki.jpg',0)
hist,bins = np.histogram(img.flatten(),256,[0,256])
cdf = hist.cumsum()
cdf_normalized = cdf * float(hist.max()) / cdf.max()
plt.plot(cdf_normalized, color = 'b')
plt.hist(img.flatten(),256,[0,256], color = 'r')
plt.xlim([0,256])
plt.legend(('cdf','histogram'), loc = 'upper left')
plt.show()

OpenCV直方图均衡

您可以看到直方图位于较亮的区域。我们需要全方位的服务。为此,我们需要一个转换函数,该函数将较亮区域中的输入像素映射到整个区域中的输出像素。这就是直方图均衡化的作用。

现在,我们找到最小的直方图值(不包括0)并应用Wiki页面中给出的直方图均衡方程。但是我在这里使用了Numpy的masked array概念数组。对于掩码数组,所有操作都在非掩码元素上执行。您可以从有关屏蔽数组的Numpy文档中了解有关此内容的更多信息。

cdf_m = np.ma.masked_equal(cdf,0)
cdf_m = (cdf_m - cdf_m.min())*255/(cdf_m.max()-cdf_m.min())
cdf = np.ma.filled(cdf_m,0).astype('uint8')

现在我们有了查找表,该表为我们提供了有关每个输入像素值的输出像素值是什么的信息。因此,我们仅应用变换。

img2 = cdf[img]

现在我们像以前一样计算它的直方图和cdf(您这样做),结果如下所示:

OpenCV直方图均衡

另一个重要特征是,即使图像是较暗的图像(而不是我们使用的较亮的图像),在均衡后,我们将获得与获得的图像几乎相同的图像。结果,它被用作“参考工具”,以使所有图像具有相同的照明条件。在许多情况下这很有用。例如,在人脸识别中,在训练人脸数据之前,将人脸图像进行直方图均衡,以使它们全部具有相同的光照条件。

OpenCV中的直方图均衡

OpenCV具有执行此操作的功能 cv.equalizeHist() 。它的输入只是灰度图像,输出是我们的直方图均衡图像。

下面是一个简单的代码片段,显示了它与我们使用的同一图像的用法:

img = cv.imread('wiki.jpg',0)
equ = cv.equalizeHist(img)
res = np.hstack((img,equ)) #stacking images side-by-side
cv.imwrite('res.png',res)

OpenCV直方图均衡

因此,现在您可以在不同的光照条件下拍摄不同的图像,对其进行均衡并检查结果。

当图像的直方图限制在特定区域时,直方图均衡化效果很好。在直方图覆盖较大区域(即同时存在亮像素和暗像素)的强度变化较大的地方,效果不好。请检查其他资源中的SOF链接。

CLAHE(对比度受限的自适应直方图均衡)

我们刚刚看到的第一个直方图均衡化考虑了图像的整体对比度。在许多情况下,这不是一个好主意。例如,下图显示了输入图像及其在全局直方图均衡后的结果。

CLAHE(对比度受限的自适应直方图均衡)

直方图均衡后,背景对比度确实得到了改善。但是在两个图像中比较雕像的脸。由于亮度过高,我们在那里丢失了大多数信息。这是因为它的直方图不像我们在前面的案例中所看到的那样局限于特定区域(尝试绘制输入图像的直方图,您将获得更多的直觉)。

因此,为了解决这个问题,使用了 自适应直方图均衡 。在这种情况下,图像被分成称为“ tiles”的小块(在OpenCV中,tileSize默认为8×8)。然后,像往常一样对这些块中的每一个进行直方图均衡。因此,在较小的区域中,直方图将局限于一个较小的区域(除非有噪声)。如果有噪音,它将被放大。为了避免这种情况,应用了 对比度限制 。如果任何直方图bin超过指定的对比度限制(在OpenCV中默认为40),则在应用直方图均衡之前,将这些像素裁剪并均匀地分布到其他bin。均衡后,要消除图块边界中的伪影,请应用双线性插值。

下面的代码片段显示了如何在OpenCV中应用CLAHE:

import numpy as np
import cv2 as cv
img = cv.imread('tsukuba_l.png',0)
# create a CLAHE object (Arguments are optional).
clahe = cv.createCLAHE(clipLimit=2.0, tileGridSize=(8,8))
cl1 = clahe.apply(img)
cv.imwrite('clahe_2.jpg',cl1)

查看下面的结果,并将其与上面的结果进行比较,尤其是雕像区域:

CLAHE(对比度受限的自适应直方图均衡)

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