【图像处理入门】4. 图像增强技术——对比度与亮度的魔法调节

news2025/6/6 5:53:38

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摘要

图像增强是改善图像视觉效果的核心技术。本文将详解两种基础增强方法：通过直方图均衡化拉伸对比度，以及利用伽马校正调整非线性亮度。结合OpenCV代码实战，学会处理灰度图与彩色图的不同增强策略，理解为何彩色图像需在YUV空间操作亮度通道，为后续滤波与边缘检测奠定预处理基础。

一、图像增强：让模糊图像「重获新生」

为什么需要图像增强？

改善视觉效果：让低对比度图像更清晰（如老照片修复）
提升后续处理效果：增强后的图像让边缘检测、特征提取更准确

核心目标：在不引入噪声的前提下，突出感兴趣的图像特征

二、直方图均衡化：拉伸对比度的「直方图魔法」

1. 直方图：图像的「亮度指纹」

横轴：灰度值（0-255）
纵轴：该灰度值的像素数量

# 计算并绘制灰度图直方图  
import cv2  
import numpy as np  
import matplotlib.pyplot as plt  

gray = cv2.imread('low_contrast.jpg', 0)  
hist = cv2.calcHist([gray], [0], None, [256], [0, 256])  

plt.figure(figsize=(12, 4))  
plt.subplot(121), plt.imshow(gray, cmap='gray'), plt.title('Original')  
plt.subplot(122), plt.plot(hist), plt.title('Histogram')

2. 均衡化原理：让像素分布更均匀

通过映射函数将窄范围的灰度值扩展到全范围（0-255），公式：
$s_k = T(r_k) = \sum_{j=0}^k \frac{n_j}{n} \times 255$
其中：

(r_k) 是原灰度值，(s_k) 是目标灰度值
(n_j) 是灰度值 (j) 的像素数，(n) 是总像素数

3. 代码实战：一键提升对比度

# 灰度图均衡化  
equ_gray = cv2.equalizeHist(gray)  

# 彩色图均衡化（需在YUV空间处理亮度通道）  
color = cv2.imread('low_contrast_color.jpg')  
yuv = cv2.cvtColor(color, cv2.COLOR_BGR2YUV)  
yuv[:,:,0] = cv2.equalizeHist(yuv[:,:,0])  # 仅对Y（亮度）通道处理  
equ_color = cv2.cvtColor(yuv, cv2.COLOR_YUV2BGR)

关键技巧：彩色图直接均衡化RGB通道会导致颜色失真，需转换到YUV/HSV空间，仅对亮度通道操作！

三、伽马校正：非线性亮度调节的「明暗调节器」

1. 什么是伽马（γ）？

校正公式：(V_{\text{out}} = (V_{\text{in}} / 255)^\gamma \times 255)
γ=1：无变化
γ<1：提亮暗部（暗部细节更清晰）
γ>1：压暗亮部（高光区域细节保留）

2. 代码实现：自定义伽马曲线

def gamma_correction(image, gamma=1.0):  
    # 归一化到[0,1]，计算伽马变换，再恢复到[0,255]  
    gamma_img = np.power(image / 255.0, gamma)  
    return np.uint8(gamma_img * 255.0)  

# 应用伽马校正（提亮暗部，gamma=0.5）  
gamma_bright = gamma_correction(gray, 0.5)  
# 压暗亮部（gamma=2.0）  
gamma_dark = gamma_correction(gray, 2.0)

3. 可视化对比：不同伽马值的效果

plt.figure(figsize=(15, 4))  
plt.subplot(131), plt.imshow(gray, cmap='gray'), plt.title('Original (γ=1)')  
plt.subplot(132), plt.imshow(gamma_bright, cmap='gray'), plt.title('γ=0.5 (提亮)')  
plt.subplot(133), plt.imshow(gamma_dark, cmap='gray'), plt.title('γ=2.0 (压暗)')

四、实战：老照片修复预处理

假设你有一张对比度低且偏暗的老照片：

灰度图处理流程：

old_photo_gray = cv2.imread('old_photo.jpg', 0)  
enhanced_gray = gamma_correction(old_photo_gray, 0.7)  # 先提亮暗部  
enhanced_gray = cv2.equalizeHist(enhanced_gray)  # 再拉伸对比度

彩色图处理流程：

old_photo_color = cv2.imread('old_photo_color.jpg')  
yuv = cv2.cvtColor(old_photo_color, cv2.COLOR_BGR2YUV)  
yuv[:,:,0] = gamma_correction(yuv[:,:,0], 0.7)  
yuv[:,:,0] = cv2.equalizeHist(yuv[:,:,0])  
enhanced_color = cv2.cvtColor(yuv, cv2.COLOR_YUV2BGR)