图像基于视觉特性的彩色图像增强算法研究

4458 2009

多媒体技术

基于视觉特性的彩色图像增强算法研究

赵晓丽， 孙宪坤

(上海工程技术大学电子电气工程学院，上海201620)

摘 要：为了对彩色图像进行分析和识别，在深入分析H SV彩色模型的基础上，提出了一种新的彩色图像增强算法。该方法利用像素点邻域的均值和方差对H SV模型的亮度分量增强，在获得图像细节的同时保持图像缓慢变化的部分；根据亮度分量的变化情况，利用亮度和饱和度之间的相关系数，对H SV模型的饱和度分量进行调整。通过对图像进行主观分析和客观分析，该种算法不仅拉伸了图像的对比度，增加了图像的清晰度，而且图像色彩丰富，更加符合人的视觉特性。

关键词：视觉特性;彩色图像; H SV模型;相关系数;像素邻域

中图法分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1000-7024 (2009)19-4458-03

C olor im age enhancem entalgorithm based on hum an visualsystem

ZHAO Xiao-li, SUN Xian-kun

(C ollege ofE lectronic and E lectricalE ngineering, ShanghaiU niversity ofE ngineering S cience, Shanghai201620, C hina)A bstract： In order to analyze and recognize further color im age, algorithm of color im age enhancem ent is presented after analyzingH SV form at. M ean and variance of pixelneighbor is adopted to enhance value com ponentto achieve high frequency and preserve lowfrequency of im age. S aturation com ponent is also adjusted using correlation coefficientof value and saturation com ponentaccording tovariance ofvalue com ponent. T his algorithm notonly stretches contrastbutalso has m ore rich color, m ore clearand bettervisualeffectby subjective analysis and objective analysis.

K ey w ords： visualcharacteristic; color im age; H SV form at; correlation coefficient; pixelneighbor

0 引 言

彩色图像比灰度图像包含更多的信息，无论是对人们的 有些方法考虑到了视觉特性，但也仅对饱和度( )做了简单的视觉感受，还是后续的图像理解与分析，彩色图像都具有灰度 拉伸处理[2]。本文在深入分析H SV模型的基础上，提出了一图像无可比拟的优越性，因此彩色图像增强有着重要的意义。 种新的彩色图像增强算法，该方法对亮度分量采用局部增强，

原有的图像增强技术多是针对灰度图像的，并不能直接 在获得图像细节的同时保持图像缓慢变化的部分，增强了图推广到彩色图像增强中去，这是因为彩色图像还包括彩色信 像的清晰度，且视觉效果更加柔和；对饱和度分量，根据亮度息。彩色图像增强不仅需要考虑采用何种方法增强图像，还 分量的变化情况，利用亮度和饱和度之间的相关系数，来对饱需要考虑如何保持色调不变。因而彩色图像的处理远比灰度 和度分量进行调整。实验证明：该种方法不仅拉伸了图像的图像复杂。常见的彩色图像增强算法有两类：一类是将彩色 对比度，增加了图像的清晰度，而且图像色彩更加丰富，更加图像经过色调空间转换，将图像从颜色分量密切相关的RGB 符合人的视觉特性。

]

后再转回RGB空间[1-2]。另一种方法是不进行空间的转换，让 在许多实用系统中，大量应用HSV模型，这个模型由色RGB这3个分量进行相同的放缩和平移，从而达到色调不变 调(H)、饱和度(S)和亮度(V)这3个分量组成。它比HSI模型更的目的[3-4]。后一种方法同前一种方法相比，由于没有从RGB 与人类对颜色的感知接近。该模型的重要性在于：一方面消空间到H SV空间的转换，计算复杂度较低，但图像的增强效 除了亮度成分在图像中与颜色信息的联系，另一方面色调果没有前一种方法好。 和饱和度分量与人的视觉感受密切相关。

在H SV模型中，亮度分量()与图像的彩色信息无关，亮 H SV颜色模型一般用倒立六棱锥表示(如图1(a)所示)，不度增强并不改变原图的彩色内容。 因而现有的基于H SV模 含黑色的纯净颜色处于六棱锥底面的一个色平面上，值是一

收稿日期： 2008-10-16；修订日期： 2008-12-19。

基金项目：上海市教育科学委员会基金项目 (06NZ005)。

作者简介：赵晓丽(1975－)，女，河南人，硕士，讲师，研究方向为图像分析与理解、信号与信息处理； 孙宪坤(1972－)，男， 山东人，博士，讲师，研究方向为图像处理。 E-m ail： evaw hy@ 163.com

赵晓丽，孙宪坤：基于视觉特性的彩色图像增强算法研究 2009,30 (19) 4459

根通过底面中心且垂直于底面的直线，棱锥顶部的值是0(黑 图像的细节对应图像中亮度变化比较剧烈的地方，因而

沿着六棱锥底面通过中心点的对角线切向棱锥顶点获得 进行增强。

三角形的纵切面，取三角形的右半部分(如图1(b)所示)获得一 通过上面对图1的分析可以得到这样的结论：为满足人个等腰三角形。该等腰三角形的两条直角边分别表示亮度分 类的视觉特性，值增大，饱和度应适量增大；值减小，饱和量和饱和度分量，斜边上的饱和度为1。三角形内色调完全相 度应适量减小。那么饱和度具体该变化多少，并没有确切的同，只是饱和度和亮度在发生变化。从该三角形可以看出：当 度量方法。因而本文提出采用亮度分量与饱和度分量相关系值减小时，相当于在这个颜色量里加入适量的黑色成分并适 数的方法来使饱和度分量随亮度分量的变化而变化。所用公当降低它的饱和度。在值不变降低颜色的饱和度相当于加 式如下

入白色分量。,=,+2,,,(4)2 提出的彩色图像增强方法

彩色图像在计算机中，一般采用RGB模型来表示，若分别对、、这3个颜色分量进行对比度增强，由于运算是独立 式中：,——坐标为,的像素点的邻域的亮度均

一种较好的选择。 因此本文首先将图像丛RGB空间转换到,——坐标为,的像素点的邻域的饱和度方差，2——H SV空间；保持分量不变，分别用提出的方法对和分量 比例常数。均值和方差的求法同式(2)和(3)。

进行增强；最后再转换回RGB空间。 从式(4)可以看出：当亮度增大时，即,,>0，饱和

2.1 亮度分量(分量)增强 度分量根据亮度和饱和度的相关系数适量增大；当亮度减小

若直接对分量进行直方图均衡化，整图灰度对比度增加 时，即,,<0，饱和度分量根据亮度和饱和度的相关较多，原图像中一些灰度值仅有小起伏的区域变得反差较大， 系数适量减小；从而使整个图像的色彩适合人类视觉特性，使比较生硬，结果如图2(b)所示。为了更好地对亮度分量进行增 图像中的彩色更加鲜明。

强，既能突出图像的细节，又不使小起伏的区域变得反差较大，

本文采用局部增强的方法，利用图像中每个像素的邻域像素的 3 实验结果与分析

其中 给出了一种图的增强效果(如图2 (d)所示)。 图2是本文所提

式中：,——原始图像像素点的亮度值，,——像素 进行直方图均衡化，最后再转回RGB空间；②文献[3]基于色点增强后的亮度值，表示邻域的大小；,——像素 调不变的彩色图像增强(简记为M2)：直接在RGB空间进行图点邻域内像素的均值，,——像素点邻域内像素的方差， 像增强。首先通过直方图均衡化获取一个比例因子分别对R、——整幅图像的平均亮度值，1——一个比例常数，用来控 G、B这3个分量分别进行增强，并对增强后超过颜色最大值制增强后图像的明暗。 的像素点进行了越界处理，最后又进行了直方图拉伸。本文

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所给出的所有实验结果，像素的邻域均选3 3大小，亮度分量 价。从图3可以看出：图3(a)的增强效果比图3(b)效果好，整的比例系数k 1为4，饱和度分量的比例系数k2为0.4。 3种方 幅图色彩更加丰富，尤其在亮度高的地方颜色更加鲜艳，与原法的增强结果如图2所示。 图的色彩更接近，如图中从左数的第3个塔顶的绿色，塔前的

蓝色和红色。这些部分在图4 (b)中则比较苍白。 因此，采用

(c)方法M2 (d)本文所提出方法 4 结束语

模型中人眼感知亮度分量与饱和度

从图2可以看出：方法M 1在H SV空间仅对亮度分量进 分量的之间的关系，提出了一种新的彩色图像增强方法。该行直方图均衡化，直方图均衡化虽然对亮度进行了拉伸，但也 方法首先将图像丛RGB空间转换到HSV空间，为了既能保使原图中灰度变化较小的区域反差增大，整幅图不够柔和；方 持亮度分量平缓变化的区域，又能突出图像的细节，采用每法M2过亮，虽然省去了颜色空间之间的转换，计算复杂度底， 个像素的邻域内像素的均值和方差特性对亮度增强。虽然但其增强效果没有在H SV空间好；本文所使用的方法整幅图 亮度分量的增强不会影响到饱和度分量，但由于人眼视觉的看起来色彩柔和，边缘清晰，原图中灰度变化较小的区域过渡 特殊性，需对亮度分量进行适当的调整才能使人眼感到整幅自然(如灯塔前面的地面)，不像图(b)那样生硬。 图像的色调不变，因而根据亮度的变化情况，利用亮度和饱

图像增强效果的评价包括主观评价和客观评价两种方 和度的相关系数对饱和度分量进行调整。通过对图像进行法。上面对本文所提出算法的增强效果进行了主观评价，下 主观评价和客观评价，均说明此方法可以增加彩色图像的对面进行客观评价。本文采用均值、方差和清晰度3种度量方 比度，提高图像的清晰度，使图像的色彩更加鲜艳，符合人眼法[8-9]对图像增强效果进行客观评价。均值反映图像平均亮度， 的视觉特性。

参考文献:

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