12.1. ИЗМЕНЕНИЕ КОНТРАСТА

Слабый контраст - наиболее распространенный дефект фотографических и телевизионных изображений, обусловленный ограниченностью диапазона воспроизводимых яркостей, нередко сочетающейся с нелинейностью характеристики передачи уровней. Во многих случаях контраст можно повысить, изменяя яркость каждого элемента изображения [1, 2]. Рис. 12.1.1, а иллюстрирует характеристику передачи уровней, которая требуется для повышения контраста типичных непрерывных малоконтрастных изображений. Коррекцию таких изображений можно осуществить, пользуясь фотографическими методами, однако реализовать произвольную характеристику передачи уровней с высокой точностью обычно затруднительно. В случае цифровых изображений получить требуемую характеристику передачи уровней относительно просто. Однако при отыскании нелинейного оператора следует учитывать ошибки изображения квантования. Пусть исходное изображение, проквантованное на  уровней, имеет ограниченный диапазон яркостей (рис. 12.1.1,б). Предполагается, что выходное изображение также квантуется на  уровней, а преобразование линейно. Как видно из рис. 12.1.1, б, каждый выбранный выходной уровень является ближайшим к уровню, соответствующему входному уровню. Очевидно, что в, диапазоне яркостей выходного изображения некоторые уровни не будут использоваться, поэтому отдельные перепады яркости выходного изображения будут превышать соответствующие перепады исходного изображения. Вследствие этого могут возникнуть заметные ложные контуры. Если выходное изображение квантовать с большим числом уровней, чем входное, то можно получить равномерное размещение выходных уровней и благодаря этому уменьшить эффект появления ложных контуров.

Рис. 12.1.1. Повышение контраста.

а – непрерывное изображение; б – цифровое изображение.

Диапазон яркостей выходного изображения, подвергнутого цифровой обработке, может отличаться от диапазона яркостей исходного изображения. Более того, в диапазоне числовых значений яркости обработанного изображения могут оказаться отрицательные значения, которые не могут иметь прямого соответствия с физическими яркостями. Рис. 12.1.2 иллюстрирует два возможных способа приведения диапазона яркостей выходного изображения в соответствие с диапазоном яркостей исходного изображения. Согласно первому из них, обработанное изображение линейно отображается таким образом, чтобы полностью охватить отведенный ему диапазон яркостей. Второй способ предусматривает ограничение экстремальных значений яркости обработанного изображения максимальным и минимальным пороговыми уровнями. Этот способ часто обеспечивает более высокое субъективное качество изображения, особенно если обработанное изображение содержит относительно мало элементов с превышением уровней ограничения. В программах и системах повышения контраста нередко предусматривается возможность введения ограничения для фиксированного процента значений яркости на обоих краях шкалы яркостей.

Рис. 12.1.2. Примеры контрастного масштабирования.

а - линейное масштабирование; б - линейное масштабирование с ограничением.

Рис. 12.1.3 иллюстрирует результаты повышения контраста одного из изображений со спутника ERTS; здесь же приведены гистограммы распределения яркостей исходного и улучшенных изображений. Рис. 12.1.3,в соответствует случаю, когда в качестве уровней ограничения были выбраны экстремальные значения яркости исходного изображения. На рис. 12.1.3,д представлено обработанное изображение при выборе уровней ограничения, отсекающих «хвосты» гистограммы, соответствующие примерно 5% элементов исходного изображения.

Рис. 12.1.3. Примеры повышения контраста.

а - исходное изображение; б - гистограмма распределения яркостей для исходного изображения а; в - обработанное изображение при уровнях ограничения 43 (мин) и 163 (макс); г - гистограмма распределения яркостей для обработанного изображения в; д - обработанное изображение при уровнях ограничения 62 (мин) и 88 (макс); е - гистограмма распределения яркостей для изображения д.

В рассмотренных примерах повышения контраста использовалась монотонно возрастающая характеристика передачи уровней. В ряде случаев обработки изображений целесообразнее пользоваться монотонно спадающей или немонотонной характеристикой. На рис. 12.1.4,а показана характеристика передачи уровней, обеспечивающая обращение шкалы яркостей. Такую характеристику целесообразно применять, например, если дисплей обладает существенной нелинейностью в области черного. Тогда темные участки входного изображения будут переведены в светлые, которые соответствуют линейному участку шкалы яркостей дисплея. На рис. 12.1.4,б приведена характеристика передачи уровней, предназначенная для пилообразного контрастного масштабирования. Такое преобразование часто используют с целью получения изображения с широким динамическим диапазоном на экране дисплея, имеющего ограниченный динамический диапазон. Образец изображения после пилообразного контрастного масштабирования показан на рис. 12.1.5,в. Характеристика передачи уровней для яркостного среза изображения приведена на рис. 12.1.4,в. Это преобразование позволяет выделить определенный интервал диапазона яркостей входного изображения. Одноцветное изображение после выполнения яркостного среза показано на рис. 12.1.5,г. При наличии цветного дисплея появляется возможность отображения в каком-то ярком цвете (например, в красном) участков одноцветного изображения, яркость которых находится в произвольном узком интервале; остальные участки этого изображения отображаются обычным способом. Рис. 12.1.6 иллюстрирует операцию поразрядного среза. Каждое изображение имеет два значения яркости, которые соответствуют данному разряду кодового слова, представляющего яркость. Метод яркостных срезов оказывается исключительно эффективным при визуальном анализе изображений в том случае, когда оператор пользуется дисплеем в диалоговом режиме.

Рис. 12.1.4. Специальные преобразования контраста.

а - обращенное контрастное масштабирование; б - пилообразное контрастное масштабирование; в - яркостный срез.

Рис. 12.1.5. Образцы изображений после специальных преобразований контраста.

а - исходное изображение; б - обращенное контрастное масштабирование; в - четырехкратное пилообразное контрастное масштабирование; е - белые участки соответствуют яркостному срезу для .

Рис. 12.1.6. Образцы изображений после выполнения поразрядного яркостного среза.

а - разряд 1; б - разряд 2; в - разряд 3; е - разряд 4; д - разряд 5; е - разряд 6.