中图分类号：邢11．73 文献标识码：A 文章编号：1009—2552[2009)05—0054—04 基于直方图拉伸的图像增强算法及其实现 2009年第5期 祝中秋，李 斌 (华南理工大学电子与信息学院，广州510640) 摘要：介绍了一种基于分段非线性直方图拉伸的图像增强算法，根据各区域亮度分布的不同 采用不同的变换曲线。文中对该算法的实现进行分析，重点讨论拉伸曲线拟合的实现方法。应 用该算法对视频图像进行增强处理，取得了较好的处理效果。 关键词：图像增强；直方图拉伸；曲线合成 Image enhancement algorithm based on histogram extension and its implementation ZHU Zhong-qiu，LI Bin (School of圈钟灯帅ic a耐Information，South Claim University of Technology，C,uangzhoe 510640，China) Abstract：This paper develops锄image enhancement出,onthm based on nonlinear histogram extension．For the better visual effect，different transformation turves will be taken for different sections according to brightness distribution．This paper discusses the implement of this atsorithm，especially focuses on the realization method of tensile cuⅣe fitting．This algorithm has been applied to process the video image．and achieves good process． K锣words：in皿ge enhancement；histogram extension；CUIVe synthesis 0 引言 图像增强是图像处理最基本的手段n】。图像增 强的目的，是通过对图像灰度作修正，提高图像的对 比度，改善图像的视觉效果。当前一些对比度增强 方法，如全局直方图均衡化、自适应局部直方图均衡 化等，常用于医学、军事或高端数字电视等领域。这 些算法比较复杂，不易ASIC实现。在视频处理中。 为了能够实时调节图像的对比度，通常使用一个与 对比度调节系数以及阈值有关的函数来修改直方 图。普通消费类产品中，图像增强多采用自适应线 性变换。但线性拉伸中存在图像亮度过渡的不自 然，整体变暗的拉伸视觉效果不佳等问题。 基于视频处理的实时性和处理效果的综合考 虑，本文采用基于亮度直方图分段非线性拉伸的方 法，对图像进行增强处理。主要利用直方图统计生 成亮度调整曲线来改变图像亮度，并引入色度信息 辅助修正直方图的拉伸曲线，调整图像对比度。同 性，以及亮度和色度相互独立的特点，本文处理均基 于YCbCr颜色空间。 1分段线性变换 图像增强处理时，为了突出感兴趣的目标或灰 度区间，可采用分段线性变换。它把整个灰度区间 划分成几个灰度区间，拉伸要增强目标对应的灰度 区间，相对抑制不感兴趣的灰度级，从而达到增强的 目的。常用的是三段线性变换13 J，如图1所示。数 学表达式为： g(茗，y)= l÷×fC石，)，)0≤以菇，，，)≤口 f L：{麓[fC菇，)，)一口]+c口<以引)≤6 I矧叭”)一6]+d 6<八”)≤M 式中肘为图像最大亮度。通过调节折线拐点 的位置及分段直线的斜率，即控制参数口、b、C、d 时根据亮度的调整比例适当调整图像色度，进一步 的取值，可实现对任一灰度区间的扩展或压缩。 改善图像效果。通过与线性拉伸对比，本文算法不 但在处理效果上有较明显提升，而且简化了硬件实 收稿日期：2009—04—15 作者简介：祝巾秋(1983一)．硕士研究生，研究方向为数字集成电路 现。YCbCr颜色空间【21具有与人视觉感知的一致 设fr。 一54一 万方数据 

条曲线存储7个点；这样由两种极性、6种幅度共12 条曲线，构成小曲线查询表，如表1—2所示。 图5 Y—oat=Y—in*" 表1 I型CUIveUrr curve 1 O 11．螂 22．3225 cum 2 O 14．30昕 24．9146 curve 3 O 17．1177 27．8079 32．1532 41．6552 50．9200 60 34．4610 43．3789 51．8569 60 36．嗍 45．1739 52．8110 60 cun他4 0 20．4767 31．咖 39．5852 47．0432 53．7827 60 clllwe 5 O 24．4949 34．6410 42．4264 48．98粥 54．7723 60 culwe 6 O 29．8313 39．0908 45．7978 51．2243 55．8818 60 袭2 1I型cUrve LUT CUlⅣe一1 O 5．0618 t3。1742 23．0531 34．2883 46．6532 60 ctⅡ、№2 0 3．120B 9．7927 19．1183 30．7327 44．4122 60 al_．-we 3 O 1．7275 6．8l镐 15．2∞4 26．8爱港 41．8189 60 cⅡm 4 0 O．6804 3．8490 10．6066 21．7732 38．蝴 60 c111we 5 O O．3323 2．鸽0B 8．0383 18．5134 35．361l 60 C1．1l-Ve一6 0 O．194l 1．7839 6．529l 16．3930 33．4789 60 本文详细介绍算法各部分的具体实现原理，重 点研究如何生成合适图像的调整曲线。 2．1直方图统计及分段 对一幅图像进行直方图统计，生成一个1l段的 直方图如图6所示，只统计16～35、36，55、56～75、 76～95、96～115、116—135、136—155、156—175、 176～195、196。215、216—235等11个亮度范围的亮 度点数H1、H2、H3、I-14、H5、H6、H7、H8、H9、H10、 H11，作为11段直方图。把以上11段直方图划分为 低、中偏低、中、中偏高、高等五个亮度段【4】，分别对 应亮度16—75、56～115、96—155、136—195、176— 235。为了方便硬件实现，把低亮度段扩展为16～ 76，把中低亮度段扩展为56～116，把中亮度段扩展 为96～156，把中高亮度段扩展为136—196，高亮度段 扩展为176～235。每个亮度段对应0～60的长度。 2．2曲线的选择与合成 曲线的选择与合成是本算法的核心。首先比较 每一亮段中Hi、Hl+。、Hm大小，并与模板对照，便可 以得到相应直方图模型为I、Ⅱ、Ⅲ或Ⅳ型。例如， 如果HiHi+：，则可以判定这段亮度的直方 图模板为Ⅳ型。再由一定原则生成该段直方图的小 一55— 图1三段线性变挟 这种方法简单，而且对于一般的图像确有一定 的效果，但它存在一些不足，该方法对于原图中的 整个灰度级映射的变化率不同，但在具体某段灰度 区域内是相同的。实际中，人们也希望在具体某段 灰度区域内也是不同的，这样在各图像区域内的对 比度也能有所增强。 2分段非线性拉伸的新算法 研究中发现，如图2所示，直方图的形状可以看 成由图3中I和Ⅱ两种基本形状组合构成。而对于 其中任何一种三角形，只要一个弧线就可以实现对 其拉伸。因此可以把直方图划分为多个亮度段，对 任一段Hi、Hi+。、Hi+：都可以根据3个值的高度排列 来判断该亮度段属于哪种类型的三角形或者三角形 的组合(图3中Ⅲ型和Ⅳ型)，如图4所示。根据三 角形的形状特征在曲线表(ewe LUrI’)中选者适当的 曲线作为该亮度段的亮度调整曲线。然后把各亮度 段的曲线组合起来，就得到了整个亮度的调整曲线。 根据该曲线修改图像亮度，就可以实现直方图拉伸。 图2 直方图可由三角形近似构成 △ (a)I 么 (b)lI 凹 (c)111 丛 (d)IV 图3三角形及其组合 图4曲线合成原理 本文选用Y=弗“来对直方图进行非线性拉伸，如 图5所示。为方便硬件的实现，存储(O，10，20，30，40， 50，6D)等7个点的值，其他氧则有这些点构成的折线插 值得到。对参数／／,1分别取6条曲线，每 万方数据 

20的重合区域，因此相邻两段亮度曲线的组合比较 简单。由查询表得到五段亮度对应曲线分另0为： curve—low=[r'u、％、％、Pu、Pt5、Pt6、PU]， curve—lm=[P珊、‰、‰、P帅‰、‰、 16 235- P曲]， 图6 11段直方图 亮度转换曲线。 (1)I和Ⅱ型亮度段的曲线选择。 首先对每一亮度段中Hi、H，+。、Hi+：按由小到大 排序得到A、B、C，其中C≥B≥A。本文分别对C／(A +B)、C／A以及c／(A+16)的值设置3个门限，根据 这些值所处的区间，再来选择相应幅度的曲线。 在曲线的选择中，本文还引入色度的近似饱和 度S=ICb一128I+ICr一128I，因为颜色鲜艳的图像 S均值很大【5J，而且这类图像一般不需要较大的调 整。对s均值设置一个门限Ts，如果S>Ts，则选用 调整幅度较小的一组曲线：cun，e—l—cun他一4；如果 S<"Is，则选择调整幅度较大一组曲线：curve一3一 ClllⅣe一60 (2)Ⅲ型亮度段的曲线合成。 Ⅲ型亮度段的曲线可以由图4中分别对应I和 Ⅱ型三角形的弧线组成，只要前半段为I型，后半段 为Ⅱ型即可。 对于前半段，本文对Hi／H1+。值设置三个门限， Kl。，Kl：和K1，，根据Hi／H。+。的值在I型中选者一条 曲线，calve—a=[P11、Pt2、P13、P14、P15、I'16、P17]。同理 对于后半段，对Hi／Hl+。值设置三个门限，K2。，k和 磁，根据Hi+：，H1+。的值在Ⅱ型中选择一条曲线， ClII'Ve—b=[P21、如、如、如、％、氏、％]o 由于两段曲线都是对应[0、10、20、30、40、50、 60]，同时将calve—a映射到[0、5、10、15、20、25、30]， 把curve—b映射到[30、35、40、45、50、55、60]，即可结 合到一起。这样[0、P12／2、P13／2、P14／2、P15／2、Px6／2、 30、30+％／2、30+如，2、30+艮，2、30+P笱，2、30+ ‰／2、60]就是对应[O、5、10、15、20、25、30、35、40、45、 50、55、60]的点。为了与其他曲线统一，本文抽取它 的一般，即[0、10、20、30、40、50、60]的点，可以得到 [0、P13／2、P15，2、30、30+％，2、30+％／2、60]。 (3)Ⅳ型：本类型曲线和Ⅲ型形成方法完全一 样，差别只是Ⅳ型的前半段选Ⅱ，后半段选I。在此 不再详细叙述。 2．3亮度调整小曲线的拟合 由于低、中偏低、中、中偏高、高每段的曲线均由 7个点组成，而且都取0～60的范围，相互有长度为 一56— 万方数据 curvl。一mid=[P砸、％、PM3、P搬、PM5、‰、P町]， Cltll-Ve—mh=[PJJn、P岫、‰、P唧、PJet5、P脚、 P唧]， curve—high=[Pm、Pm、Pre、Pr．、P垮、Pw、PⅢ]o 首先，由于curve LUT是在0～60亮度范围内建 立，分别对应16～76、56—116、96—156、136～196、 176～236，所有需要修正的曲线为： (a)new—CUl'Ve—low=C1．Lrlri，一low+16， (b)new—curve—lm=cllrve—lm+56， (c)new—curve—mid=Clllve—mid+96， (d)new"一curve—mh=curve—mh+136， (e)new—eul've—high=L-',llrv'e—high+1760 在曲线重合的3个点按照一定的原则加权平 均，得到曲线的23个点：[Pu+16、Pt2 4-16、Pt3+16、 Pu+16、P岱+16、{(P工6+16)+(P眦4-56)}，2、Pm+ 56、P缸+56、P脚+56、{(P胁4-56)+(P吨+96)}／2、 ％+96、％+96、％+96、{(‰+96)+(P如+ 136)}／2、P舯+136、‰+136、PMn5 4-136、{(‰+ 136)+(％4-176)}／2、Pm+176、％+176、‰+176、 Pk+176、P．7+176]，分别对应亮度[16、26、36、46、 56、66、76、86、96、106、116、126、136、146、156、166、 176、186、196、206、216、226、236]转换后的值。利用 这23个相邻间距为10的点插值求出每个亮度转换 后的值来修改图像亮度。 上述方法生成的高亮度段小曲线亮度范围为 176～236，而实际处理的为16～235。因此要对高亮 度段曲线作特殊处理，让其通过(235，235)这个点。 只要改变折线7个点最后一个点的位置，就可以使 折线经过此点，所以，对Clllve LUT中每条曲线都多 存储一个点。如果当前是生成高亮度段的小曲线， 则使用这个额外的点作为输出线的最后一个点。 2．4亮度及色度调整模块 在对比度增强中，调整亮度的同时，通常按照亮 度调整的比例修改色度，这样图像才不会出现失真。 3 硬件实现 为了检验此算法运用到实际硬件系统中的实时 处理性能，在一个以FPCA为核心的实时视频处理 平台上实现了该算法，硬件的设计采用了Verilog硬 件描述语言。图7为该算法的硬件结构框图，输入 数据的格式为4：2：2的YCbCr数据，功能模块的划 

用于视频图像的增强处理，取得了较好的处理效 果。图9为对图像增强处理的实例，变换后图像的对 比度得到了增强，与分段线性拉伸相比，图像均匀过 渡，避免出现折线分段拉伸中图像亮度过渡的不自 然；使整体变亮或变暗的拉伸视觉效果均得到改善。 分基本上与算法的步骤相对应。 该硬件结构的核心是各个亮度段的小曲线生成 模块。本文给出本模块硬件结构图，如图8所示。 本算法中，色度近似饱和度门限值，Is、以及在模板 选择中的门限(Tl。、k、％、Te。、％、如、T3。、T笠、k)， 曲线选择中的门限(Kl。、№、Kl，、这些参数通过12C 总线来实现参数的实时修改：在硬件系统中由6个 寄存器来存储这16个参数的值。这些寄存器都连 接到系统的fc接口模块上，可通过12c总线实时修 改寄存器中的值。在FPGA硬件仿真平台上得到的 测试图片结果与算法仿真结果几乎一致，且能达到 较好的增强效果。此外，由于算法的硬件实现容易， 硬件实现代价较小。 直 方 图 统 计 亮 度 直 方 图 分 段 陌夏至， 卜[堕翌引 吒再ijF，岖立虱№母 网嘟I统训‘lL-u』 小 曲 线 A 口 并 亮 度 调 整 色 度 调 整 Y Otit 图7硬件结构框图 图8曲线合成硬件结构图 4仿真验证与总结 通过软硬件仿真证明，把这一增强方法具体应 (上接第53页) 4结束语 本文研究了一类非线性多变量系统的I／O自适 应解耦线性化控制，并给出了一个闭环控制系统复 合控制器的设计方法。在控制律中引入非线性PID 作用有助于增强系统的鲁棒性。系统的稳定性可以 由Lyapunov定理来证明。仿真结果表明，所涉及的 闭环控制系统的输出能够跟踪参考模型的输出，整 个系统具有良好的动态品质。 参考文献： [1]lsidori A．Nonlinear酬Sy|it栅[M]．2nd ed．Spring-Verhg， Yao B，№yo．hi T．Adaptive Rdmst co呻d 0f MIMO Nonliner s弦 1989． [2J 万方数据 图9对图像增强处理实例 参考文献： [1]冈萨雷斯．数字图像处理[M]．2版．阮秋琦，译．北京：电子工业 出版社。2003：59—86． 【2J PHUNG S L，Bou扛RDoIM A，CHA lD．A novel出n color model in YOoCr color space and its a弹licafim to hm蟾n face如既矗∞【C]． Proc d International Conference m Image Processing。2002：289—292． [3]杨词银，黄廉卿．基于正弦灰度变换的x光图像增强[J]．光学 技术．2002。28(5)：407—409． [4]张长江，汪晓东，张浩然．图像对比度增强的非线性变换法[J]． 光电工程。2006，33(6)：65—68． [5]Yang C，Rodriguez J．Etlldent luminance and口删∞pIo∞ssil唱 techniques for by呻鲳iIlg color o∞ldinate[C]，，h∞∞曲睁0f IEEE In· tomational Cm正棚啪∞Tranffmmations s】删[eI∞，1995：667—672． 责任编辑：肖滇 tern in semi—strict feedback fomtJ]．Autmmfica．2001，37：1305— 1321． 韩志涛，井元伟，段晓东，等．一般非线性系统的相关阶与线性 化[J]．控制与决策，2006(9)：1065—1067． 陈静，王轶卿．近似线性化与精确线性化的分析与比较[J】．机 械与电子。2001(5)：20—22． 宫清先，张化光，孟祥萍．一类MIMO非线性系统的稳定干扰解 耦控制[J]．控制理论与应用，2006(2)：199—203． 石峰，查晓明．应用微分几何理论的三相并联型有源电力滤波 器解耦控制[J]．中国电机工程学报，2008(15)：92—97． 赵洋，肖湘宁．基于微分几何方法的静止同步串联补偿器非线 性控制[J]．电工技术学报，2003(4)：132—136． 朱永胜，董燕．可控串联补偿装置非线性控制系统研究[J]．中 原工学院学报，2007(4)：5—10． 嘲 Ⅲ 阱 吲 Ⅲ Ⅲ 责任编辑：么丽苹 一57一 

基于直方图拉伸的图像增强算法及其实现 作者： 祝中秋， 李斌， ZHU Zhong-qiu， LI Bin 作者单位： 刊名： 华南理工大学电子与信息学院,广州,510640 信息技术 英文刊名： INFORMATION TECHNOLOGY 年，卷(期)： 2009(5) 1次 被引用次数： 参考文献(5条) 1.冈萨雷斯;阮秋琦 数字图像处理 2003 2.PHUNG S L;BOUZERDOUM A;CHA ID A novel skin color model in YCbCr color space and its application to human face detection 2002 3.杨词银;黄廉卿 基于正弦灰度变换的X光图像增强[期刊论文]-光学技术 2002(05) 4.张长江;汪晓东;张浩然 图像对比度增强的非线性变换法[期刊论文]-光电工程 2006(06) 5.Yang C;Rodriguez J Efficient luminance and saturation processing techniques for bypassing color coordinate 1995 本文读者也读过(9条) 1. 王建平.盛军.方敏 基于小波分析的二值化阈值选取[期刊论文]-合肥工业大学学报(自然科学版)2001,24(4) 2. 王斌.吕科.WANG Bin.LU Ke 数字图像二值化波形分析法探究[期刊论文]-青海师范大学学报（自然科学版） 2007(1) 3. 姜小磊.JIANG Xiao-lei 图像增强中直方图均衡化合理性的一种解释[期刊论文]-电气电子教学学报2008,30(1) 4. 万英.董海燕.李昊.陆建坤.芦汉生 CCD二值化测量的阈值自动调节方法[期刊论文]-光学技术2003,29(3) 5. 庞玉林.刘珊珊.陈喆.丁瑞军.PANG Yu-lin.LIU Shan-shan.CHEN Zhe.DING Rui-jun 基于硬件实现具有范围判 断功能的动态线性拉伸算法[期刊论文]-科学技术与工程2010,10(16) 6. 王钰.魏学业.肖硕.谢涛.WANG Yu.WEI Xueye.XIAO Shuo.XIE Tao 基于Ⅱ型模糊集的车辆图像二值化算法[期刊 论文]-北京交通大学学报（自然科学版）2008,32(5) 7. 韩先锋.李俊山.孙满囤.焦康.HAN Xian-feng.Li Jun-shan.SUN Man-dun.JIAO Kang 巡航导弹景象匹配算法适 应性研究[期刊论文]-微电子学与计算机2005,22(7) 8. 郭志刚.彭天强.李弼程.Guo Zhigang.Peng Tianqiang.Li Bicheng 基于直方图和交叉熵的文本图像识别方法 [期刊论文]-数据采集与处理2009,24(5) 9. 吴冰.山海涛.郭建星 基于边缘灰度的二值化阈值确定方法[会议论文]-2003 引证文献(1条) 1.王小鹏.刘志华.陈天宁 透明材料微小器件键合质量检测系统设计[期刊论文]-光学精密工程 2013(1) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xxjs200905019.aspx