Улучшение визуального качества изображений путем поэлементного преобразования

Авторы: Грузман И.С., Киричук В.С., Косых В.П., Перетягин Г.И., Спектор А.А.
Учебное пособие.- Новосибисрк: Изд-во НГТУ, 2000. - 168.
источник: http://algolist.manual.ru/graphics/

Улучшение визуального качества изображений путем поэлементного преобразования

В большом числе информационных систем применяется представление результатов обработки данных в виде изображения, выводимого на экран для использования наблюдателем. Процедуру, обеспечивающую такое представление, называют визуализацией. Желательно при помощи обработки придать выводимому изображению такие качества, благодаря которым его восприятие человеком было бы по возможности комфортным. Часто бывает полезным подчеркнуть, усилить какие-то черты, особенности, нюансы наблюдаемой картины с целью улучшения ее субъективного восприятия.

Последнее - субъективность восприятия - сильно усложняет применение формализованного подхода в достижении данных целей. Поэтому при обработке изображений для визуализации получили распространение методы, в которых часто отсутствуют строгие математические критерии оптимальности. Их заменяют качественные представления о целесообразности той или иной обработки, опирающиеся на субъективные оценки результатов.

Подавляющее большинство процедур обработки для получения результата в каждой точке кадра привлекает входные данные из некоторого множества точек исходного изображения, окружающих обрабатываемую точку. Однако имеется группа процедур, где осуществляется так называемая поэлементная обработка. Здесь результат обработки в любой точке кадра зависит только от значения входного изображения в этой же точке. Очевидным достоинством таких процедур является их предельная простота. Вместе с тем, многие из них приводят к очевидному субъективному улучшению визуального качества. Этим определяется внимание, которое уделяется поэлементным процедурам. Не преувеличивая их роли, отметим, что очень часто поэлементная обработка применяется как заключительный этап при решении более сложной задачи обработки изображения.

Сущность поэлементной обработки изображений сводится к следующему. Пусть x(i,j)=x_i,j, y(i,j)=y_i,j - значения яркости исходного и получаемого после обработки изображений соответственно в точке кадра, имеющей декартовы координаты i (номер строки) и j (номер столбца). Поэлементная обработка означает, что существует функциональная однозначная зависимость между этими яркостями

, (2.1)

позволяющая по значению исходного сигнала определить значение выходного продукта. В общем случае, как это учтено в данном выражении, вид или параметры функции f_i,j , описывающей обработку, зависят от текущих координат. При этом обработка является неоднородной. Однако в большинстве практически применяемых процедур используется однородная поэлементная обработка. В этом случае индексы i и j в выражении (2.1) могут отсутствовать. При этом зависимость между яркостями исходного и обработанного изображений описывается функцией:

, (2.2)

одинаковой для всех точек кадра.

Цель данной главы состоит в изучении наиболее распространенных процедур поэлементной обработки.

2.1 Линейное контрастирование изображения

Задача контрастирования связана с улучшением согласования динамического диапазона изображения и экрана, на котором выполняется визуализация. Если для цифрового представления каждого отсчета изображения отводится 1 байт (8 бит) запоминающего устройства, то входной или выходной сигналы могут принимать одно из 256 значений. Обычно в качестве рабочего используется диапазон 0...255; при этом значение 0 соответствует при визуализации уровню черного, а значение 255 - уровню белого. Предположим, что минимальная и максимальная яркости исходного изображения равны x_min и x_max соответственно. Если эти параметры или один из них существенно отличаются от граничных значений яркостного диапазона, то визуализированная картина выглядит как ненасыщенная, неудобная, утомляющая при наблюдении. Пример такого неудачного представления приведен на рис. 2.1.а, где диапазон яркостей имеет границы x_min=180 , x_max=240 .

При линейном контрастировании используется линейное поэлементное преобразование вида:

, (2.3)

параметры которого a и b определяются желаемыми значениями минимальной y_min и максимальной y_max выходной яркости. Решив систему уравнений:

,

относительно параметров преобразования a и b, нетрудно привести (2.3) к виду:

Результат линейного контрастирования исходного изображения, представленного на рис. 2.1.а, приведен на рис.2.1.б при y_min = 0 и y_max = 255. Сравнение двух изображений свидетельствует о значительно лучшем визуальном качестве обработанного изображения. Улучшение связано с использованием после контрастирования полного динамического диапазона экрана, что отсутствует у исходного изображения.

Рис 2.1 Пример линейного контрастирования

2.2 Соляризация изображения

При данном виде обработки преобразование (2.2) имеет вид [2.1]:

,

где x_min - максимальное значение исходного сигнала, а k - константа, позволяющая управлять динамическим диапазоном преобразованного изображения. Функция, описывающая данное преобразование, является квадратичной параболой, ее график при k=1 приведен на рис.2.2. При y_max = x_max динамические диапазоны изображений совпадают, что может быть достигнуто при k = 4/x_max. Другой путь нормализации динамического диапазона может состоять в применении одного из методов контрастирования, например, описанного выше линейного контрастирования.

Рис. 2.2. Функция, описывающая соляризацию

Как следует из рис.2.2, смысл соляризации заключается в том, что участки исходного изображения, имеющие уровень белого или близкий к нему уровень яркости, после обработки имеют уровень черного. При этом сохраняют уровень черного и участки, имеющие его на исходном изображении. Уровень же белого на выходе приобретают участки, имеющие на входе средний уровень яркости (уровень серого). Пример применения соляризации приведен на рис.2.3.

Рис. 2.3. Пример соляризации

На рис.2.3.а показано исходное изображение, а на рис.2.3.б - результат его соляризации. На втором этапе обработки здесь применено линейное контрастирование при y_min=0 и y_max=255 . Обработка приводит к повышению четкости деталей изображения: улучшены изображения глаз, повышен контраст на переходе "лицо - волосы" и т. д..

- подняться на начало страницы -