Адаптивное выравнивание гистограммы
Адаптивное выравнивание гистограммы (AHE) — это метод компьютерной обработки изображений, используемый для улучшения контрастности изображений. Он отличается от обычного выравнивания гистограмм тем, что адаптивный метод вычисляет несколько гистограмм , каждая из которых соответствует отдельному участку изображения, и использует их для перераспределения значений яркости изображения. Поэтому он подходит для улучшения локального контраста и четкости границ в каждой области изображения.
Однако AHE имеет тенденцию чрезмерно усиливать шум в относительно однородных областях изображения. Вариант адаптивного выравнивания гистограммы, называемый адаптивным выравниванием гистограммы с ограничением контраста (CLAHE), предотвращает это, ограничивая усиление.
Мотивация и объяснение метода
[ редактировать ]Обычное выравнивание гистограммы использует то же преобразование, полученное из гистограммы изображения, для преобразования всех пикселей. Это хорошо работает, когда распределение значений пикселей одинаково по всему изображению. Однако если изображение содержит области, которые значительно светлее или темнее большей части изображения, контраст в этих областях не будет достаточно повышен.
Адаптивное выравнивание гистограммы (AHE) улучшает эту задачу, преобразуя каждый пиксель с помощью функции преобразования, полученной из соседней области. Впервые он был разработан для использования в дисплеях кабины самолета. [1] цитируется в [2] В простейшей форме каждый пиксель преобразуется на основе гистограммы квадрата, окружающего пиксель, как показано на рисунке ниже. Вывод функций преобразования из гистограмм точно такой же, как и для обычного выравнивания гистограмм : функция преобразования пропорциональна кумулятивной функции распределения (CDF) значений пикселей в окрестностях.
Пиксели вблизи границы изображения должны обрабатываться особым образом, поскольку их окрестности не будут полностью лежать внутри изображения. Это, например, относится к пикселям слева или над синим пикселем на рисунке. Эту проблему можно решить, расширив изображение путем зеркального отражения линий и столбцов пикселей относительно границы изображения. Простое копирование линий пикселей на границе нецелесообразно, так как это приведет к образованию гистограммы окрестности с большим количеством пиков.
Свойства АХЭ
[ редактировать ]- Размер соседней области является параметром метода. Он представляет собой характерный масштаб длины: контраст в меньших масштабах усиливается, а контраст в больших масштабах снижается.
- Из-за характера выравнивания гистограммы результирующее значение пикселя при AHE пропорционально его рангу среди пикселей в его окрестностях. Это обеспечивает эффективную реализацию на специализированном оборудовании, которое может сравнивать центральный пиксель со всеми остальными пикселями по соседству. [3] Ненормализованное значение результата можно вычислить, добавив 2 для каждого пикселя с меньшим значением, чем центральный пиксель, и добавив 1 для каждого пикселя с равным значением.
- Когда область изображения, содержащая окрестности пикселя, достаточно однородна по интенсивности, ее гистограмма будет иметь сильный пик, и функция преобразования сопоставит узкий диапазон значений пикселей со всем диапазоном результирующего изображения. Это приводит к чрезмерному усилению небольшого количества шума в практически однородных областях изображения. [4]
Контраст Ограниченный AHE
[ редактировать ]Обычный AHE имеет тенденцию чрезмерно усиливать контраст в почти постоянных областях изображения, поскольку гистограмма в таких областях имеет высокую концентрацию. В результате AHE может привести к усилению шума в почти постоянных областях. AHE с ограниченным контрастом (CLAHE) — это вариант адаптивного выравнивания гистограммы, в котором усиление контраста ограничено, чтобы уменьшить проблему усиления шума. [3]
В CLAHE усиление контраста вблизи заданного значения пикселя определяется наклоном функции преобразования. Это пропорционально наклону кумулятивной функции распределения окрестностей (CDF) и, следовательно, значению гистограммы для этого значения пикселя. CLAHE ограничивает усиление, обрезая гистограмму до заранее определенного значения перед вычислением CDF. Это ограничивает наклон CDF и, следовательно, функции преобразования. Значение, при котором обрезается гистограмма, так называемый предел обрезки, зависит от нормализации гистограммы и, следовательно, от размера области окрестности. Общие значения ограничивают результирующее усиление от 3 до 4.
Выгодно не отбрасывать ту часть гистограммы, которая превышает предел отсечения, а перераспределить ее поровну между всеми интервалами гистограммы. [3]
В результате перераспределения некоторые ячейки снова превысят предел отсечения (область заштрихована зеленым на рисунке), в результате чего эффективный предел отсечения превысит установленный предел и точное значение которого зависит от изображения. Если это нежелательно, процедуру перераспределения можно повторять рекурсивно до тех пор, пока избыток не станет незначительным.
Эффективное вычисление путем интерполяции
[ редактировать ]Адаптивное выравнивание гистограммы в своей простой форме, представленной выше, как с ограничением контраста, так и без него, требует вычисления другой гистограммы окрестности и функции преобразования для каждого пикселя изображения. Это делает метод очень дорогим в вычислительном отношении.
Интерполяция позволяет существенно повысить эффективность без ущерба для качества результата. [3] Изображение разделено на прямоугольные плитки одинакового размера, как показано в правой части рисунка ниже. (Обычный выбор — 64 плитки в 8 столбцах и 8 строках. [4] ). Затем для каждой плитки вычисляются гистограмма, CDF и функция преобразования. Функции преобразования подходят для пикселей центра тайла (черные квадраты в левой части рисунка). Все остальные пиксели преобразуются с помощью четырех функций преобразования плиток с ближайшими к ним центральными пикселями, и им присваиваются интерполированные значения. Пиксели в основной части изображения (заштрихованы синим цветом) интерполируются билинейно , пиксели вблизи границы (заштрихованы зеленым) интерполируются линейно , а пиксели вблизи углов (заштрихованы красным) преобразуются с помощью функции преобразования углового фрагмента. Коэффициенты интерполяции отражают расположение пикселей между ближайшими пикселями центра тайла, так что результат непрерывен по мере приближения пикселя к центру тайла.
Эта процедура значительно сокращает количество вычисляемых функций преобразования и требует лишь небольших дополнительных затрат на линейную интерполяцию.
Эффективные вычисления за счет постепенного обновления гистограммы
[ редактировать ]Альтернативой мозаике изображения является «сдвигание» прямоугольника по одному пикселю за раз и постепенное обновление гистограммы для каждого пикселя. [5] добавив новую строку пикселей и вычитая оставшуюся строку. Алгоритм обозначен первоначальными авторами как SWAHE (адаптивное выравнивание гистограммы со скользящим окном). Затем вычислительная сложность расчета гистограммы снижается с O ( N² ) до O ( N ) (где N = ширина пикселя окружающего прямоугольника); а поскольку мозаики нет, последний шаг интерполяции не требуется.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ DJ Ketcham, RW Lowe & JW Weber: Методы улучшения изображения для дисплеев в кабине . Тех. представитель компании Hughes Aircraft. 1974.
- ^ Р. А. Хаммель: Улучшение изображения путем преобразования гистограммы . Компьютерная графика и обработка изображений 6 (1977) 184195.
- ^ Перейти обратно: а б с д С. М. Пайзер, Е. П. Амберн, Дж. Д. Остин и др.: Адаптивное выравнивание гистограммы и ее варианты . Компьютерное зрение, графика и обработка изображений 39 (1987) 355-368.
- ^ Перейти обратно: а б К. Зюйдервельд: Адаптивное выравнивание гистограммы с ограниченным контрастом . В: П. Хекберт: Graphics Gems IV , Academic Press, 1994, ISBN 0-12-336155-9
- ^ Т. Сунд и А. Мёйстад: Адаптивное выравнивание гистограммы скользящего окна внутриротовых рентгенограмм: влияние на качество диагностики . Дентомаксилофак Радиол. Май 2006 г.;35(3):133-8.
6. Г. Р. Видхья и Х. Рамеш, «Эффективность метода адаптивного выравнивания гистограмм с ограничением контраста на многоспектральных спутниковых изображениях», Proc. Межд. Конф. Процесс видеоизображения, стр. 234–239, декабрь 2017 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Учебник по использованию CLAHE с OpenCV
- Примеры изображений, демонстрирующих эффект CLAHE в Институте молекулярной клеточной биологии и генетики Макса Планка.
- Учебное пособие по CLAHE
- Пример реализации CLAHE в ANSI C Карела Зюйдервельда, одного из авторов оригинальной статьи CLAHE.