计算机视觉——Opencv(直方图均衡化)

直方图均衡化:

是一种图像增强技术,它可以通过增加图像的对比度和亮度来改善图像的质量。

实现方法:通过将图像的像素值分布均匀化来实现这一目标。

在Python OpenCV中,可以使用cv2.equalizeHist()函数来实现直方图均衡化。

一、导入相关库

python 复制代码
import cv2
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

二、读取图片并转化成灰度图

python 复制代码
black = cv2.imread(r"C:\Users\LEGION\Desktop\1267f39b0d164ab18ef783d5de65ebb4.jpg",cv2.IMREAD_GRAYSCALE)

三、绘制原始图像直方图

直观了解像素分布

python 复制代码
plt.hist(black.ravel(),bins=256)#numpy中的ravel将数组多维度拉成一维数组
plt.show()

直方图是图像像素值的统计分布图,以灰度值(0~255)为横轴,以对应灰度值的像素点数量为纵轴,能够清晰地展示图像中暗像素、亮像素的分布比例,是我们判断图像对比度高低的重要依据。

运行结果:

四、全局直方图均衡化

简单高效的整体优化

python 复制代码
black_equalize = cv2.equalizeHist(black)
plt.hist(black_equalize.ravel(),bins=256)#numpy中的ravel将数组多维度拉成一维数组
plt.show()

cv2.equalizeHist():OpenCV 封装的全局直方图均衡化接口,该接口仅接收灰度图像(二维数组)作为输入参数,返回值为处理后的灰度图像

运行结果:

对比展示原始图像与全局均衡化图像

python 复制代码
#横向拼接两张图像(要求两张图像尺寸一致)
res =np.hstack((black,black_equalize))

# 显示拼接后的图像
cv2.imshow('black_equalize',res)
cv2.waitKey(0)

np.hstack():NumPy 提供的横向拼接数组方法,能够将多个尺寸一致的数组沿水平方向拼接成一个新数组。

注意:拼接的多张图像必须具有相同的高度和通道数(本次均为灰度图像,通道数为 1),否则会拼接失败。

运行结果:

通过对比可以发现,全局直方图均衡化后的图像整体亮度明显提升,暗部细节得到了一定程度的展现,对比度相较于原始图像有了质的飞跃。

缺陷:如果图像中存在大面积的亮区或暗区(例如逆光拍摄的人脸、夜晚的天空),全局均衡化会过度放大这些区域的噪点,同时丢失大量细节 ------ 因为它将整个图像作为一个整体进行处理,无法兼顾局部区域的像素分布差异。

五、自适应直方图均衡化(CLAHE)

兼顾局部细节的优化方案

自适应直方图处理又叫局部直方图处理,通过局部调整图像的直方图分布来提升图像的对比度和细节表现力,当需要保存细节特征,需要做局部处理

python 复制代码
clahe = cv2.createCLAHE(clipLimit=10,tileGridSize=(8,8))#通过类创建了一个局部均衡化对象
black_clahe = clahe.apply(black)

# 横向拼接三张图像,对比展示效果
res = np.hstack((black,black_equalize,black_clahe))
cv2.imshow('black_equalize',res)
cv2.waitKey(0)

cv2.createCLAHE():用于创建 CLAHE 对象,该方法有两个核心可选参数,也是影响自适应均衡化效果的关键:

  1. clipLimit:对比度裁剪阈值,默认值为 8。该参数用于限制每个小区域的对比度,值越大,对比度提升越明显,但同时也越容易引入噪点;值越小,对比度提升越温和,细节保留越完整,适合噪点较多的图像。本次实战设置为 10,以获得更明显的局部对比度提升效果。

  2. tileGridSize:小区域(瓦片)的网格大小,默认值为 (8, 8),表示将整个图像分割成 8×8 的网格,即 64 个互不重叠的小区域。该参数的取值需要适中:网格过小,会增加计算量,同时容易产生块状伪影;网格过大,处理效果会接近全局直方图均衡化,无法体现局部优化的优势。

clahe.apply(black):将创建好的 CLAHE 对象应用到原始灰度图像上,返回值为处理后的灰度图像。该方法会自动完成图像分割、局部均衡化、对比度裁剪和图像拼接等一系列操作,无需我们手动干预。

运行结果:

效果对比分析

通过对比可以清晰地发现:

  1. 原始图像:对比度偏低,细节模糊,暗部区域几乎无法分辨细节。

  2. 全局均衡化图像:整体对比度提升明显,但局部区域(如大面积暗部或亮部)细节丢失严重,噪点被过度放大。

  3. 自适应均衡化图像:不仅整体对比度得到了提升,局部细节也保留得非常完整,暗部的细微纹理和亮部的层次都能够清晰展现,同时没有明显的噪点放大问题,视觉效果远优于全局直方图均衡化。

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