低照度图片增强——传统算法_低照度图像增强算法

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前言

光照因素一直是影响成像质量的一个关键因素，夜间等光照环境较差的条件下的图片往往细节丢失、分辨不清，信噪比低下。低照度图像增强是指通过一系列算法和技术，增强在低照度或弱光条件下拍摄的图像的可视化质量。本文主要介绍一些传统的低照度图像增强算法，给出具体的实现代码，便于测试各类图片的增强效果和比较各个算法的性能。

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一、基于直方图的算法

1.1直方图均衡化的增强算法

该算法通过对图像的直方图进行均衡化，使图像的灰度分布更加均匀，从而增强图像的亮度和对比度。但是该算法容易出现过度增强和噪声增加的问题。

• 代码：直接使用cv2.equalizeHist()函数实现

import cv2 
import numpy as np
from matplotlib import pyplot as plt
 
img =  cv2.imread("250114358f54e0bd46e0d0590d031e1.png")
B,G,R = cv2.split(img) #get single 8-bits channel
b=cv2.equalizeHist(B)
g=cv2.equalizeHist(G)
r=cv2.equalizeHist(R)
equal_img=cv2.merge((b,g,r))  #merge it back

hist_b=cv2.calcHist([equal_img],[0],None,[256],[0,256]) 
hist_B=cv2.calcHist([img],[0],None,[256],[0,256])

plt.subplot(1,2,1)
plt.plot(hist_B,'b')
plt.title('原图B通道的直方图',fontdict={'family':'KaiTi', 'size':10})
plt.subplot(1,2,2)
plt.title('均衡化后B通道的直方图',fontdict={'family':'KaiTi', 'size':10})
plt.plot(hist_b,'b')
plt.show()

cv2.imshow("orj",img)
cv2.imshow("equal_img",equal_img)
cv2.waitKey(0)
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• 增强效果
  

• 直方图变化
  

1.2直方图规定化的增强算法

该算法通过将低照度图像的直方图映射到高照度图像的直方图上，从而增强图像的亮度和对比度。但是该算法需要有高照度图像作为参考，且对图像的颜色信息敏感。

• 代码：（代码源自这篇文章：数字图像处理：直方图规定化的原理及Python实现）

from PIL import Image
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

img1 = np.array(Image.open('11.png')) # 读入原图像
img2 = np.array(Image.open('13.png')) # # 读入参考图像

plt.subplot(2,2,1)
plt.imshow(img1, cmap='gray')
plt.axis('off')
plt.title('原图像',fontdict={'family':'KaiTi', 'size':10})

plt.subplot(2,2,2)
plt.imshow(img2, cmap='gray')
plt.axis('off')
plt.title('参考图像',fontdict={'family':'KaiTi', 'size':10})

# 计算原图像和参考图像的直方图
hist1, bins1 = np.histogram(img1.flatten(), 256, [0,256])
hist2, bins2 = np.histogram(img2.flatten(), 256, [0,256])

# 将直方图归一化
hist1 = hist1 / float(np.sum(hist1))
hist2 = hist2 / float(np.sum(hist2))

# 计算原图像和参考图像的累积分布函数（CDF）
cdf1 = hist1.cumsum()
cdf2 = hist2.cumsum()

# 将CDF归一化
cdf1 = cdf1 / float(cdf1[-1])
cdf2 = cdf2 / float(cdf2[-1])

# 创建新的图像数组
img3 = np.zeros_like(img1)

# 计算灰度值映射
lut = np.interp(cdf1, cdf2, np.arange(0, 256))

# 针对每个像素应用灰度映射
for i in range(256):
    img3[img1 == i] = lut[i]

# 显示规定化后的图像
plt.subplot(2,2,3)
plt.imshow(img3, cmap='gray')
plt.axis('off')
plt.title('规定化后的图像',fontdict={'family':'KaiTi', 'size':10})
plt.show()

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• 效果：
  在这里插入图片描述

二、基于图像变换的算法

• 图像变换方法有很多，比如利用小波变换、傅里叶变换等等。这里主要介绍使用伽马变换实现亮度增强。原理很简单，就是通过非线性变换对过暗的图像进行校正。
  $$y_{out}=y_{input}^{\gamma }$$输入图像首先需要进行归一化将像素取值范围映射到0~1，因此$\gamma >1$，图像整体变暗；$\gamma <1$，图像整体变亮。我们可以取一个合适的$\gamma$ 值，来实现一个较好的增强效果。

代码：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import cv2

img = cv2.imread('11.png')
img = img.astype(np.float32) / 255.0

def gamma_correction(img, gamma):
    return np.power(img, gamma)

gamma = 0.5
img_gamma = gamma_correction(img, gamma)


plt.subplot(1,2,1)
plt.imshow(cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB))
plt.title('原图像',fontdict={'family':'KaiTi', 'size':10})

plt.subplot(1,2,2)
plt.imshow(cv2.cvtColor(img_gamma, cv2.COLOR_BGR2RGB))
plt.title('伽马变换后图像',fontdict={'family':'KaiTi', 'size':10})
plt.show()
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• 增强效果：
  
• $\gamma$不同的选择直接影响着增强效果，所以很容易想到使用自适应伽马变换的方法。

代码：

import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def adaptive_gamma_correction(img, gamma=1.0, eps=1e-7):
    img_float = img.astype(np.float32) / 255.0
    img_max = np.max(img_float)
    img_norm = img_float / img_max
    img_log = np.log(img_norm + eps)
    img_mean = np.exp(np.mean(img_log))
    gamma_new = np.log(0.5) / np.log(img_mean)
    gamma_corr = np.power(img_norm, gamma_new)
    gamma_corr = np.uint8(gamma_corr * 255.0)
    return gamma_corr

# 读取输入图片
img = cv2.imread('11.png')

# 进行自适应伽马校正
gamma_corr = adaptive_gamma_correction(img)

# 显示输入和输出图片
plt.subplot(121)
plt.imshow(cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB))
plt.title('原图像',fontdict={'family':'KaiTi', 'size':10})
plt.axis('off')
plt.subplot(122)
plt.imshow(gamma_corr, cmap='gray')
plt.title('自适应伽马变换后图像',fontdict={'family':'KaiTi', 'size':10})
plt.axis('off')
plt.show()
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• 增强效果：
  

三、 基于Retinex理论的增强算法

该算法通过模拟人眼对光照变化的适应能力，将图像（$S$）分解成反射分量（$R$）和光照分量（$I$），原理就是将$I$去除，保留反映物体本质的量$R$。
$$S(x,y)=R(x,y)\ast I(x,y)$$$$两边做对数变换：log(R(x,y))=log(S(x,y))-log(I(x,y))$$
$S$ 是输入的低照度图像，$R$ 是待输出的增强后图像。因此，该算法的关键就是如何得到这里的光照量 $I$，而 $Retinex$ 理论的提出者认为$S$经过高斯滤波后就可以得到$I$，即对图像作模糊或平滑处理。

• 算法流程图：
  

3.1 单尺度Retinex算法 （SSR算法）

import  cv2
import torch
from torchvision import  datasets,transforms
import numpy as np
from PIL import Image, ImageFilter

# S = I * R
# S:输入图片
# I:光照量;需要对图像进行高斯模糊得到
# R:增强后图片

torch.set_default_tensor_type('torch.cuda.FloatTensor')
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available()  else 'cpu')

transform = transforms.ToTensor()
GaussianBlur = transforms.GaussianBlur(3,sigma=(0.1,0.1))  #高斯模糊
to_pil = transforms.ToPILImage()                           #将Tensor转换成PIL格式

img_path = 'F:\Picture\低照度图片'
out_path = 'F:\SCI-main\传统增强算法\测试结果\SSR测试结果/'

img = datasets.ImageFolder(img_path,transform = transform)
def SSR(image):
    img_S = image.cuda()
    ln_S = torch.log((img_S + 0.001) / 255.0)
    img_I = GaussianBlur(img_S)
    ln_I = torch.log((img_I + 0.001) / 255.0)
    ln_R = ln_S - ln_I * ln_S   # 这里ln_S起到调节作用，不加的话效果很差
    R = cv2.normalize(ln_R.cpu().numpy(), None, 0, 1, cv2.NORM_MINMAX)
    final_image  = to_pil(torch.tensor(R))
    return final_image


for i in range(len(img.imgs)):
    image = SSR(img[i][0])
    image.save(out_path + str(i) + '.png')
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几个注意点：

• ImageFolder使用方法：我们需要将所有图像按照文件夹保存，例如所有猫的图像放入到cat文件夹中，所有狗的图像放入到dog文件夹中，该函数就会自动识别类别，将图像所在的目录名称作为label。因此这里的输入图片路径结构如下：
  
• 在得到 $lnR$ 时，注意直接使用$lnS-lnI$得到的效果并不好，而是要在 $lnI$前面乘上一个系数，一般取 $lnS$ ，或者乘上一个小于1的常数。
• 得到 $lnR$ 后，并没有对其取指数，而是作归一化处理作为最终结果，否则效果也不好。
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