一種Android移動(dòng)終端圖像增強(qiáng)算法

呂千千，魏　延

(重慶師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院， 重慶　沙坪壩　401331)

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一種Android移動(dòng)終端圖像增強(qiáng)算法

呂千千，魏延

(重慶師范大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院， 重慶沙坪壩401331)

針對(duì)Android移動(dòng)終端和低照度圖像的特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的直方圖均衡化的圖像增強(qiáng)算法.首先將采集到的RGB圖像轉(zhuǎn)換到HSV彩色空間，對(duì)V通道的像素進(jìn)行區(qū)分，對(duì)需要處理的像素進(jìn)行直方圖均衡化，之后重新轉(zhuǎn)回RGB空間，對(duì)整幅圖像進(jìn)行Gamma校正.最后在Android平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn).結(jié)果表明，該方法能夠增強(qiáng)低照度圖像，也能夠滿足實(shí)時(shí)性要求.

Android移動(dòng)終端；直方圖均衡化；Gamma校正；圖像增強(qiáng)

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，智能移動(dòng)終端的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯，其便捷性和強(qiáng)大的功能已逐步滲透到生活中的方方面面.2007年，基于Linux的Android操作系統(tǒng)面世，憑借其開源、免費(fèi)、易開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為市場(chǎng)占有率第一的操作系統(tǒng).人類所獲的外界信息有70﹪以上是通過視覺系統(tǒng)即圖像獲取的，因此圖像不僅能夠記錄生活，而且還可以直觀傳達(dá)信息.拍攝圖像的質(zhì)量受很多條件的影響，光照是其中舉足輕重的一個(gè).低照度的圖像灰度范圍變化較小，圖像會(huì)丟失信息.因此，要改善Android移動(dòng)終端低照度的圖像質(zhì)量，就要從亮度、清晰度和對(duì)比度等方面入手.

針對(duì)低照度圖像增強(qiáng)問題，當(dāng)前已有很多可行的算法.文獻(xiàn)[1]針對(duì)監(jiān)控圖像提出了一種基于相似場(chǎng)景增強(qiáng)的方法.首先建立圖像庫(kù)，該庫(kù)中存放與低照度圖像場(chǎng)景相似的良好光照?qǐng)D，再?gòu)闹羞x出參照樣本，利用直方圖匹配法不斷迭代增強(qiáng)圖像.文獻(xiàn)[2]基于暗原色先驗(yàn)提出一種改進(jìn)的低照度圖像增強(qiáng)算法，為得到類似霧化的效果先對(duì)圖像進(jìn)行取反，之后利用暗原色先驗(yàn)法對(duì)霧化效果圖去霧，再取反增強(qiáng)圖像并引入導(dǎo)向?yàn)V波保邊去噪.文獻(xiàn)[3]基于曝光閾值提出劃分直方圖的算法，在BHEPL方法基礎(chǔ)上結(jié)合低照度圖像的灰度直方圖特點(diǎn)對(duì)直方圖裁剪方法加以改進(jìn)，進(jìn)而達(dá)到增強(qiáng)效果.文獻(xiàn)[4]提出一種色彩恢復(fù)的彩色圖像增強(qiáng)方法，在HSV彩色空間利用對(duì)數(shù)圖像增強(qiáng)模型對(duì)其亮度分量進(jìn)行非線性增強(qiáng)，再把圖像亮度分量通過正弦隸屬函數(shù)從空間域映射到模糊域,并采用Pal增強(qiáng)算子修正隸屬函數(shù)值實(shí)現(xiàn)亮度分量再次增強(qiáng).文獻(xiàn)[5]提出了一種快速的自適應(yīng)低照度圖像增強(qiáng)算法，在HSV彩色空間對(duì)亮度分量V采用均值同態(tài)濾波方法進(jìn)行增強(qiáng),同時(shí)增加自適應(yīng)系數(shù)拉伸亮度值，以此完成增強(qiáng)圖像.本文結(jié)合Android移動(dòng)終端的特點(diǎn)，提出一種基于直方圖均衡化的圖像增強(qiáng)算法.首先將采集到的RGB彩色圖像轉(zhuǎn)化到HSV彩色空間，對(duì)其亮度分量V通道進(jìn)行直方圖均衡化處理，并利用Gamma曲線進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)對(duì)低照度圖像的增強(qiáng).

1　直方圖均衡化方法與改進(jìn)的直方圖均衡化方法

1.1直方圖均衡化方法

直方圖均衡化在圖像增強(qiáng)領(lǐng)域是應(yīng)用較廣泛的方法之一.該方法采用累積分布函數(shù)對(duì)圖像像素的灰度級(jí)進(jìn)行處理，使其達(dá)到均衡分布狀態(tài)，使圖像更加清晰.

對(duì)于采集到的圖像X，其灰度概率分布函數(shù)p(Xk)定義為：

上式中的n是一幅圖像的像素總數(shù)，nk是灰度級(jí)為Xk的像素?cái)?shù)目，p(Xk)是整幅圖像像素中第k個(gè)灰度級(jí)的概率.傳統(tǒng)的直方圖均衡化方法的累計(jì)分布函數(shù)T(X)為：

其中，0≤ri≤1，且i=0,1,……,H-1.H為原始圖像最大灰度級(jí).

1.2改進(jìn)的直方圖均衡化算法

傳統(tǒng)的直方圖均衡化是對(duì)所有像素進(jìn)行累計(jì)分布函數(shù)處理，但低照度圖像有亮度低、細(xì)節(jié)被掩蓋的特點(diǎn).本文提出對(duì)圖像像素進(jìn)行區(qū)分的直方圖均值化，以使其達(dá)到更好的處理效果.由于我們是對(duì)HSV彩色空間的亮度V通道進(jìn)行處理，可將V通道像素分為兩種：需要處理像素和不作處理像素.在亮度通道中，0表示亮度值達(dá)到最小，1表示亮度值達(dá)到最大，增強(qiáng)低照度圖像也就是增強(qiáng)亮度值偏小的像素.因此，本文對(duì)V通道亮度值大于0.95或小于1/255的像素不作處理.

1.3Gamma校正

Gamma校正是一種非線性轉(zhuǎn)換方法，不同的γ取值處理效果有很大不同.如圖1所示．當(dāng)γ=1時(shí)，圖像亮度保持不變；當(dāng)γ<1時(shí)，圖像亮度整體增強(qiáng)；當(dāng)γ>1時(shí)，圖像亮度整體降低[6-8].由于經(jīng)過直方圖均衡化之后圖像的亮度已經(jīng)變大，為了使圖像更符合視覺效果，本文中取γ值為0.8.

(a)原圖　　　　　　(b)γ<1

(a)γ>1　　　　　(b)γ=1圖1　γ取不同值的效果圖

2　本文算法

低照度圖像由于照明不足，導(dǎo)致圖像對(duì)比度和亮度偏低且細(xì)節(jié)不清晰，若利用傳統(tǒng)的直方圖均值化方法,概率較小的像素可能會(huì)被過度合并，導(dǎo)致灰度級(jí)減少，圖像細(xì)節(jié)信息丟失[9-11].因此，為了使處理后的圖像有更好的質(zhì)量，本文將原圖轉(zhuǎn)化到HSV彩色空間，只對(duì)亮度V通道進(jìn)行直方圖均衡化，不改變其色相和飽和度，再把圖像轉(zhuǎn)回RGB彩色空間,利用Gamma校正進(jìn)一步增強(qiáng)圖像.

算法步驟：

①將通過Android移動(dòng)終端采集到的低照度圖像轉(zhuǎn)換到HSV空間.

②用改進(jìn)的直方圖均值化方法處理V通道.

③將處理后的HSV空間圖轉(zhuǎn)成RGB顏色空間.

④對(duì)整幅圖像進(jìn)行Gamma校正.

3　仿真實(shí)驗(yàn)

3.1仿真環(huán)境

Eclipse是基于Java的開源平臺(tái)，通過相關(guān)插件構(gòu)建開發(fā)環(huán)境.本文基于Android移動(dòng)終端進(jìn)行試驗(yàn)，選擇安裝ADT插件配置實(shí)驗(yàn)環(huán)境.實(shí)驗(yàn)的圖像全部來(lái)自于華為H30-U10，四核1.3GHz CPU，2GB RAM，Andorid 4.2.2系統(tǒng)手機(jī).在Eclipse軟件中構(gòu)建ARM(armeabi-v7a) CPU,343M RAM,Android 4.4系統(tǒng)的虛擬機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn).如圖2所示的3幅低照度圖像為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并與傳統(tǒng)的直方圖均衡化方法作比較實(shí)驗(yàn).

(a)Img1　　　　　　　　　　　　(b)Img2　　　　　　　　　　　　(c)Img3圖2　實(shí)驗(yàn)圖像

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證本文算法的有效性，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)的直方圖均衡化作比較[12-13].圖3、4、5為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從主觀視角看，經(jīng)過直方圖均值化處理之后，圖片亮度明顯增強(qiáng)，整幅圖片也明顯變清晰.本文算法處理結(jié)果與之相比，在細(xì)節(jié)上更勝一籌，視覺上舒適感增強(qiáng).

(1)原圖 　　　　　　　　　 (2)直方圖均衡化 　　　　　　　　　　　　 (3)本文算法圖3　Img1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)原圖 　　　　　　　　　 (2)直方圖均衡化 　　　　　　　　　　　　 (3)本文算法圖4　Img2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)原圖 　　　　　　　　　 (2)直方圖均衡化 　　　　　　　　　　　　 (3)本文算法圖5　Img3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，除了主觀視覺效果，還有定量的數(shù)據(jù)指標(biāo)，本文引入信息熵和標(biāo)準(zhǔn)差兩個(gè)指標(biāo)作為定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).信息熵主要體現(xiàn)圖片的細(xì)節(jié)信息量，而標(biāo)準(zhǔn)差則可衡量圖片的灰度分布狀況.由表1可看出，本文算法處理后的圖像信息熵和標(biāo)準(zhǔn)差最大，說明保留的細(xì)節(jié)最多，灰度級(jí)也變多.由表2運(yùn)行時(shí)間可看出，雖然本文算法運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)于對(duì)比算法，但整體運(yùn)行時(shí)間很短，完全可以滿足Android移動(dòng)終端對(duì)實(shí)時(shí)性的要求.

表1　信息熵和標(biāo)準(zhǔn)差比較結(jié)果

表2　運(yùn)行時(shí)間比較結(jié)果

4　結(jié)論

本文基于Android移動(dòng)終端的低照度圖像，提出一種改進(jìn)的直方圖均衡化方法，使得圖像在處理后亮度明顯增強(qiáng)，細(xì)節(jié)信息更多，更符合人的視覺觀賞需求.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的直方圖均衡化，本文算法保留的細(xì)節(jié)信息更好，而且可以滿足Android移動(dòng)終端的實(shí)時(shí)性要求.

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(責(zé)任編輯穆剛)

An image enhancement algorithm based on Android mobile terminal

LV Qianqian, WEI Yan

(School of Computer and Information Science, Chongqing Normal University, Shapingba Chongqing 401331, China)

In view of the features of Android mobile devices and low-light images, an improved histogram equalization image enhancement algorithms was presented. Firstly, the images were converted in RGB color space that had been collected to HSV color space, and the pixel of V channel were distinguished and the needed pixel in histogram equalization was processed. Secondly, the images were backed to RGB space again and were processed in Gamma correction for the whole image. Finally, it was tested on the Android platform. The results showed that this method can enhance low-light images as well as meet real-time requirements.

Android mobile devices; histogram equalization; Gamma correction; image enhancement

2016-03-22

呂千千(1990—)，女，河南濟(jì)源人，碩士研究生，主要從事機(jī)器學(xué)習(xí)方面的研究；魏延(1970—)，男，四川瀘縣人，教授，博士，主要從事機(jī)器學(xué)習(xí)與智能計(jì)算方面的研究.

TP391.41

A

1673-8004(2016)05-0101-04