胡海波，邱民仆

(北京空間機電研究所，北京 100094)

Research on Contrast Enhancement Technology for Low-light-level Image

HU Haibo，QIU Minpu

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微光圖像對比度增強技術研究

胡海波，邱民仆

(北京空間機電研究所，北京 100094)

ResearchonContrastEnhancementTechnologyforLow-light-levelImage

HUHaibo，QIUMinpu

摘要：低對比度是微光圖像的主要特征之一，因此對比度增強處理是微光圖像處理的重要方面。本文首先對常用數(shù)字圖像對比度增強方法——灰度變換和直方圖均衡的基本原理和實現(xiàn)方法進行了闡述，然后針對實際試驗中獲取的典型低對比度微光圖像進行了對比度增強處理，并且對比分析了幾種增強方法所得到的圖像處理效果，最后總結了典型低對比度微光圖像對比度增強方法各自的優(yōu)缺點及其適用性。

關鍵詞：低對比度；微光圖像；增強

一、引言

微光成像技術致力于探索夜間和其他低照度條件下目標圖像信息的獲取，其在軍事和民用方面均發(fā)揮著重要作用。隨著微光探測器件的發(fā)展，尤其是EMCCD的出現(xiàn)，微光成像技術在衛(wèi)星遙感領域的應用得到快速發(fā)展[1-3]。微光圖像的特征是對比度差、信噪比低，所有微光圖像的處理都是圍繞著增強對比度和提高信噪比而展開的[4]。微光圖像對比度差主要表現(xiàn)為以下兩種情況：一種情況為景物普遍亮度較低，圖像偏暗，圖像不易于觀察，如圖1(a)所示，由于圖像DN值過低， 導致圖像信息

圖1　低對比度微光圖像及其直方圖

無法分辨；另一種情況是景物內存在人工光源，景物亮度范圍大，表現(xiàn)在圖像上為光源處亮度高，暗景物處圖像細節(jié)無法觀察，如圖1(c)所示。因此，對微光圖像進行對比度增強，使圖像易于觀察是很必要的。對比度增強主要手段有灰度變換和直方圖均衡等技術，其中，灰度變換分為線性變換和非線性變換兩種。本文首先對上述幾種對比度增強方法的基本原理和實現(xiàn)過程進行了說明，然后分別應用上述方法對實際試驗中所獲取的微光圖像進行對比度增強處理。通過對得到的圖像增強視覺效果和直方圖特點進行對比分析，總結出不同對比度增強方法的優(yōu)缺點及其適用場合。

二、灰度變換技術

1. 線性變

(1)

圖2　灰度線性變換函數(shù)形式

多段線性變換實現(xiàn)形式為

(2)

2. 非線性變換

常用的非線性變換方法有對數(shù)變換和冪率變換，其中對數(shù)變換的通用形式見式(3)，s為輸出灰度，r為輸入灰度，c為常數(shù)。圖3所示對數(shù)變換函數(shù)曲線形狀表明，該變換將輸入圖像中范圍較窄的低灰度值映射為輸出圖像中較寬范圍的灰度值。因此，該變換能夠實現(xiàn)擴展圖像中較暗像素的值，同時壓縮更高灰度級的值，適用于圖1(c)對比度增強的實現(xiàn)[5-6]。

(3)

圖3　灰度對數(shù)變換函數(shù)形式

三、直方圖均衡技術

圖4　直方圖均衡變換原理

(4)

四、方法應用與分析

下文利用上述兩類對比度增強方法，針對實際試驗得到的原始微光圖像(如圖5(a)和圖6(a)所示)進行對比度增強處理和效果分析。圖5(a)和圖6(a)為典型的兩種低對比度微光圖像，圖像通過EMCCD相機獲取，獲取時間為夜間，獲取地點為空曠野外，圖像景物包括各種靶標和模型。圖像均為

16bit、TIF格式，其中圖5(a)分辨率為666像素×746像素，圖6(a)分辨率為1024像素×1024像素。

采用Matlab2008軟件對原始圖像圖5(a)和圖6(a)進行灰度變換和直方圖均衡，根據(jù)兩幅圖像的不同特點，分別對其進行圖像增強處理[10-11]。

對于圖5(a)所示原始圖像，圖像灰度集中在低值區(qū)間，灰度范圍狹窄，由于圖像灰度集中在一個區(qū)域，因此可以采用單段線性變換進行對比度增強，處理結果如圖5(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)圖像的對比度得到了極大的提升，整體視覺效果增強。圖5(c)為直方圖均衡結果，圖像細節(jié)無法分辨，效果較差。分析原因為原始圖像信息灰度級范圍過窄，達不到16位圖像最大灰度范圍的1%，灰度值相近，變換后造成圖像灰度丟失嚴重，因此，圖像內容灰度級過窄不適合直接采用直方圖均衡處理。

圖6顯示了灰度值集中在高低兩端的圖像進行對比度增強試驗結果。圖6(b)顯示單段線性變換提升了圖像對比度，但圖像燈光處出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這是由于變換過程中高亮處被置為最高灰度級造成的。多段線性變換可以避免這種現(xiàn)象，如圖6(c)所示，多段線性變換實現(xiàn)了圖像主要灰度值的拉伸，同時保留了高灰度值的區(qū)間。圖6(g)為對數(shù)變換結果，圖像對比度提升明顯，且在高灰度值區(qū)間有較好的表現(xiàn)。圖6(h)為直方圖均衡結果，現(xiàn)象和原因與圖5(c)圖像相同。

圖5　低對比度微光圖像增強結果

圖6　低對比度微光圖像增強結果

對比文中幾種灰度增強方法的試驗結果及其原理，可以發(fā)現(xiàn)不同特征的微光圖像適用不同的灰度增強方法。對于灰度集中在單個區(qū)域的圖像，直接進行灰度線性變化是簡單有效的方法，能夠得到視覺效果較好的圖像；對于有燈光存在的微光圖像，圖像灰度集中在高低兩端，直接線性變換會使高亮產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，因此應使用多段線性變換方法，消除飽和現(xiàn)象，多段線性變換的缺點是計算復雜，且若輸入圖像變化，變換系數(shù)需要重新調整，分段越多，圖像效果越好，但系數(shù)越多；對數(shù)變換能夠達到較好的效果，尤其在高亮度區(qū)域，優(yōu)于多段線性變換，并且需要調整的系數(shù)少，適用性較高；具體可根據(jù)實際情況選擇合適的變換方法。

五、結束語

本文首先說明了微光圖像進行對比度增強的必要性，總結了典型低對比度微光圖像的特征，然后闡述了常用的圖像對比度增強方法原理和實現(xiàn)形式，最后通過具體的對比度增強處理試驗對增強方法進行了驗證，根據(jù)試驗結果，得出了各種對比度增強方法的優(yōu)缺點和適用性。

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引文格式：胡海波，邱民仆. 微光圖像對比度增強技術研究[J].測繪通報，2015(1)：26-30.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0005

作者簡介：胡海波(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為光學遙感。E-mail：xohaibo@163.com

收稿日期：2014-07-14

中圖分類號：P237

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)01-0026-05