圖像增強(qiáng)的創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
——以圖像去霧為例

趙杰 楊陽(yáng) 李英

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院 商洛 726000）

1 引言

數(shù)字圖像處理已經(jīng)成為高校電子信息類專業(yè)非常重要的專業(yè)課程。數(shù)字圖像處理課程主要講授圖像處理的基本原理和基本方法。該課程理論性較強(qiáng)，而且與工業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)生活聯(lián)系比較緊密［1～5］。目前，大多數(shù)高校在教學(xué)過(guò)程中改用 Mat?lab等軟件作為輔助教學(xué)手段，通過(guò)編程、仿真分析等方式，避免枯燥的理論講解和簡(jiǎn)單的圖示，使學(xué)生更直觀地感受圖像處理的效果，加深對(duì)理論知識(shí)的理解［6～8］。但一般的實(shí)驗(yàn)教學(xué)還是以圖像基本運(yùn)算、圖像傅里葉變換、邊緣檢測(cè)、圖像去噪、彩色圖像處理等基礎(chǔ)型實(shí)驗(yàn)為主，缺乏綜合應(yīng)用與創(chuàng)新能力的訓(xùn)練［9～10］。

從霧霾情況下采集的退化圖像中恢復(fù)和增強(qiáng)細(xì)節(jié)信息具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，圖像去霧是一個(gè)前沿性問(wèn)題，隨著社會(huì)對(duì)霧霾的重視，圖像去霧也成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)［11～12］。為增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，我院對(duì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了探索和研究，本文以“圖像增強(qiáng)”相關(guān)實(shí)驗(yàn)為例，將圖像去霧這個(gè)當(dāng)前的研究熱點(diǎn)引入課程實(shí)驗(yàn)中，構(gòu)建一個(gè)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2 直方圖均衡化

數(shù)字圖像是離散化的數(shù)值矩陣，可以把直方圖看作是一個(gè)離散函數(shù)，它代表了數(shù)字圖像中每一個(gè)灰度級(jí)與其發(fā)生概的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。假設(shè)一幅數(shù)字圖像 f(x，y)的像素總數(shù)為N，第k個(gè)灰度級(jí)對(duì)應(yīng)的灰度用rk表示，nk表示灰度為rk的像素個(gè)數(shù)即頻數(shù)，用橫坐標(biāo)表示灰度級(jí)，用縱坐標(biāo)表示頻數(shù)，則直方圖可以定義為P(r)=nk，其中P(r)表示灰度r

kNkk出現(xiàn)的相對(duì)頻數(shù)即概率。整個(gè)坐標(biāo)系描述的是圖像灰度級(jí)的分布情況，由此可以看出圖像的灰度分布特性，即若大部分像素集中在低灰度區(qū)域，圖像呈暗的特性，若集中在高灰度區(qū)域，圖像呈現(xiàn)亮的特性。通過(guò)直方圖均衡化處理，使得圖像的灰度分布趨向均勻，圖像所占有的像素灰度間距拉開，加大了圖像反差，改善視覺(jué)效果，達(dá)到增強(qiáng)目的。

直方圖均衡化主要過(guò)程有三步：

3）用累積分布函數(shù)作變換函數(shù)進(jìn)行圖像灰度變換：根據(jù)計(jì)算得到的累積分布函數(shù)，建立輸入圖像與輸出圖像灰度級(jí)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

局部直方圖均衡化比經(jīng)典的全局直方圖均衡化在操作之前多了一個(gè)選定局部區(qū)域的步驟，每個(gè)區(qū)域內(nèi)仍然采用經(jīng)典直方圖均衡化方法。

3 創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

將目前比較熱門的圖像去霧引入到實(shí)驗(yàn)中，加以適當(dāng)簡(jiǎn)化，改造為創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)。主要實(shí)驗(yàn)步驟及內(nèi)容如下。

在初步仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，構(gòu)建GUI界面，圖像的顯示可以通過(guò)“axes”實(shí)現(xiàn)。還可以加上必要的文本顯示，如圖1所示。

圖1 基本GUI界面設(shè)計(jì)

主要操作的控件可以選擇“pushbutton”，也可以通過(guò)“Menu Editor”來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 菜單編輯

控件要實(shí)現(xiàn)一定的功能，還需學(xué)生編寫相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。構(gòu)建好的實(shí)驗(yàn)界面如圖3所示。

圖3 GUI界面

打開圖像去霧系統(tǒng)，點(diǎn)擊文件，如圖4所示。

圖4 打開GUI界面并準(zhǔn)備載入原始圖像

然后點(diǎn)擊打開，載入原始圖像，結(jié)果圖5所示。

圖5 載入原始圖像

可以通過(guò)菜單命令選擇使用經(jīng)典全局方法還是局部方法，如圖6所示。

圖6 圖像去霧方法選擇

選擇經(jīng)典全局直方圖處理結(jié)果如圖7所示。

圖7 全局直方圖去霧

經(jīng)過(guò)全局直方圖去霧后圖像的清晰度有明顯的改變。但在局部區(qū)域處理出現(xiàn)色彩失真的情況。

選擇局部直方圖處理結(jié)果如圖8所示。

圖8 局部直方圖去霧

觀察局部直方圖去霧后的圖像會(huì)發(fā)現(xiàn)，該算法有效保持了原始圖像的局部特征，未出現(xiàn)明顯的色失真現(xiàn)象，同時(shí)得到了去霧增強(qiáng)的效果。但從整體來(lái)看，局部直方圖處理結(jié)果亮度偏暗，依然存在一些模糊區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

直方圖均衡化是圖像處理實(shí)驗(yàn)的常見(jiàn)項(xiàng)目，一般實(shí)驗(yàn)過(guò)程為讀入圖像，然后對(duì)其進(jìn)行直方圖均衡化，并對(duì)比均衡化前后的圖像及其直方圖分布情況。這種實(shí)驗(yàn)過(guò)程只能單純地起到驗(yàn)證作用，學(xué)生實(shí)施起來(lái)也覺(jué)得按部就班，毫無(wú)新意。創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際能力的重要手段。本文以圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)為例，設(shè)計(jì)了創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，將基礎(chǔ)理論中的直方圖均衡化和目前的研究熱點(diǎn)——圖像去霧結(jié)合起來(lái)，使學(xué)生對(duì)理論聯(lián)系實(shí)際有了直觀體驗(yàn)，也增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)的趣味性。