Линейные методы увеличения контрастности

ВОПРОС№1 УЛУЧШЕНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ СНИМКОВ

Назначение улучшающих преобразований состоит в том, чтобы упростить дешифрирование и анализ изображений. Такая возможность предоставляется, прежде всего, благодаря цифровому формату снимков, который позволяет работать со значениями каждого пиксела. Несмотря на радиометрическую коррекцию по освещенности, атмосферным помехам и параметрам датчика, визуальное дешифрирование снимков может быть все еще затруднено. Например, такая ситуация возникает при больших вариациях спектральной яркости, обусловленных разнородностью объектов съемки (лесной покров, пустыня, снежный покров, водная поверхность и т. д.).

В этом случае оптимальный диапазон яркости и контрастности для всех объектов невозможно выбрать, используя только методы радиометрической коррекции.

Исходные данные занимают, как правило, только часть общего диапазона числовых значений, который обычно представлен 256 оттенками серого цвета (8 бит на пиксел). Увеличение контрастности объектов по отношению к фону достигается за счет использования всего диапазона яркости. При этом, одним из ключевых понятий является гистограмма снимка — график, по оси х которого отложены значения яркости (числа от 0 до 255), а по оси у — частота, с которой разные значения встречаются на снимке. Гистограмму используют для наглядного представления тех изменений, к которым приводит, например, увеличение или уменьшение диапазона значений яркости на снимке. Все многочисленные методы повышения контрастности и детализации снимков можно разделить на две основные категории: на линейные и нелинейные методы.

Линейные методы увеличения контрастности

Основу любой процедуры увеличения контрастности составляет расширение диапазона яркости на снимке так, чтобы он соответствовал полной радиометрической шкале датчика. При использовании 8-битового формата записи данных весь диапазон значений яркости представлен 256 оттенками серого цвета в диапазоне от 0 до 255. При этом 0 соответствует черному цвету, а 255 — белому. Очевидно, что, если гистограмма исходного снимка занимает только часть указанного диапазона, качество изображения будет не очень высоким.

Одним из простейших методов повышения контрастности является минимаксное растяжение, которое заключается в том, что левый и правый край гистограммы сдвигают к соответствующим границам полного диапазона. Левому краю гистограммы присваивается значение 0, а правому — 255. При этом все промежуточные значения яркости пересчитывают в соответствии с линейной формулой.

Иногда, после минимаксного растяжения гистограмма приобретает длинные «хвосты», которые свидетельствуют о том, что существенного улучшения качества снимка не произошло. В этой ситуации рекомендуется исключить 1, 2 или 5% данных, которые соответствуют хвостам гистограммы. Эта операция, которую называют процентильным растяжением.

После исключения определенного процента данных оставшуюся часть гистограммы растягивают точно так же, как и при минимаксном растяжении. Это приводит к снижению наклона графика линейного преобразования и, следовательно, к подчеркиванию деталей изображения. Оба рассмотренных метода являются достаточно эффективными, если гистограмма похожа на распределение Гаусса, то есть имеет один максимум. При наличии нескольких максимумов к различным частям гистограммы следует применять отдельные процедуры линейного растяжения.