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1、电子科技大学 通信学院 学院标 准 实 验 报 告（实验）课程名称 图像对比度增强实验 电子科技大学教务处制表电 子 科 技 大 学实 验 报 告学生姓名： 学 号： 指导教师：实验地点： 实验时间：一、 实验室名称： 通信系统实验室二、 实验项目名称：图像对比度增强实验三、 实验学时：16四、 实验原理：图像增强的目的是针对应用或人们主观需求，对输入图像进行某种处理，使得处理后的图像在特定结构或对比度等方面有明显的改善，其源头可以追溯到1969年。随着应用需求的不断发展，世界各国对此问题展开了广泛的研究。特定结构或对比度不够清晰，可能来自质量不佳的成像设备、恶劣的大气条件、不恰当图像压缩算法
2、等，其特点是图像中像素灰度集中在一个相对较小的范围，导致后端处理设备的观察者不能有效对图像进行判读。造成图像对比度不够清晰的原因是多方面，包括电子系统的热噪声、光照过强、光照过弱、目标反射率过低、大雾天气、逆光拍摄、压缩等等。由于其产生原因的多样性，导致图像对比度不够清晰在图像中体现出来的现象也不同，可以分为以下3类：整体偏暗、整体偏亮、分布在亮和暗的两端，并且有可能在空间分布上存在多个区域。现有的对比度增强技术根据其处理方法理论依据不同可分为：直方图均衡化、基于Retinex理论的图像增强、基于梯度场重建的图像增强；根据其处理范围，又可以分为全局处理与局部处理两大类。本实验将主要论述直方图均
3、衡化和基于梯度场重建的图像增强两种方法，其中直方图均衡化进描述基本原理，其实现由学生独立完成，而基于梯度场重建的图像增强方法，本实验将重点阐述，并给出参考代码，要求学生在此基础上进行进一步的完善。直方图均衡化的基本原理就是对图像进行灰度变换。灰度变换有逆反处理、阈值变换、灰度拉伸、灰度切分、灰度级修正、动态范围调整等方法。虽然它们对图像的处理效果不同，但处理过程中都运用了点运算，通常可分为线性变换、分段线性变换、非线性变换。其缺点是需要用户根据不同的图像调整不同的变换函数。灰度变换是最简单的对比度增强技术，它可增大图像动态范围，扩展对比度，使图像清晰、特征明显，是图像增强的重要手段之一。它主要
4、利用点运算来修正像素灰度，由输入像素点的灰度值确定相应输出点的灰度值，是一种基于图像变换的操作。灰度变换不改变图像内的空间关系，灰度级的改变是根据某种特定的灰度变换函数进行。实验所需基本结构如图1所示。图1 实验所需基本结构图本实验把成像设备（即摄像头）采集的一幅图像，传入计算机，由图像增强技术算法实现的编程软件处理后，对图像进行增强，然后实时显示增强后的图像。图像对比度增强技术，不仅要保持图像整体的一致性，还需要对图像的局部区域进行增强处理，使其具有最佳的表现力。因此，本文采用梯度场方法。技术方案特点有：a) 梯度域增强避免了亮度不同对增强算子的影响b) 重建图像是基于最小二乘法,与原始的图
5、像在亮度方面不同c) 重建图像在梯度域与原始图像具有强烈的相似性d) 重建图像具有亮度平均值的相对保持性e) 重建图像的边界条件周期延拓(采用DST变换要求)f) 所有算子都是直接计算g) 较为复杂的DST变换有快速算法1. 算法原理计算机处理的图像是离散的网格数据，必须对前面的连续函数描述形式进行离散化处理。令原始图像为，增强后图像为，尺寸为（行X列），则增强后的梯度图像为：(1)是图像的梯度，定义图像的一阶前向差分：令是梯度图像提升因子，(2)其中是梯度场增益因子，取值为0.30.45，是梯度场归一化因子，是梯度场归一化偏移因子，保证为有界值，取值为，。增强后的图像应满足：，根据变分原理可
6、得，重建的图像与增强后的梯度图像满足如下泊松方程：(3)其中(4)增强梯度场G梯度的散度用后向一阶差分逼近：(5)求解泊松方程的边界条件为：将输入的原始图像扩展为（行X列），且满足：(6)重建图像的取值可能超出8bit范围，需要对其进行归一化处理，(7)归一化后的图像为：(8)下面将阐述如何从泊松方程中求取重建图像Div(G)2D IDST计算特征值2D DSTG(x,y)BijAij重建图像令，向量U是重构图像的一个逼近，矩阵T是一个1 1 -4 1 1的对角矩阵，F是包含边界条件的散度矩阵。分别是矩阵的行列索引值。离散正弦变换：给定向量，其正弦变换为：正变换：逆变换：2. OpenCV 1
7、.0 安装手册2.1安装OpenCV：图2 软件安装目录选择图3 软件安装路径设置从http:/下载OpenCV安装程序。假如要将OpenCV安装到C:Program FilesOpenCV。（图2，图3为OpenCV 1.0rc1的安装界面，OpenCV 1.0安装界面与此基本一致。）在安装时选择将OpenCVbin加入系统变量（AddOpenCVbin to the systerm PATH）。2.2 配置Windows环境变量：检查C:Program FilesOpenCVbin是否已经被加入到环境变量PATH，如果没有，请加入。加入后需要注销当前Windows用户（或重启）后重新登陆才
8、生效。(可以在任务管理器里重启explorer.exe) 图4 软件安装环境变量设置2.3 配置Visual C+ 6.02.3.1 全局设置：菜单Tools-Options-Directories：先设置lib路径，选择Library files，在下方填入路径：C:Program FilesOpenCVlib然后选择include files，在下方填入路径：C:Program FilesOpenCVcxcoreincludeC:Program FilesOpenCVcvincludeC:Program FilesOpenCVcvauxincludeC:Program FilesOpenC
9、VmlincludeC:Program FilesOpenCVotherlibshighguiC:Program FilesOpenCVotherlibscvcaminclude图5 VC6.0开发软件环境路径设置然后选择source files，在下方填入路径：C:Program FilesOpenCVcvsrcC:Program FilesOpenCVcxcoresrcC:Program FilesOpenCVcvauxsrcC:Program FilesOpenCVotherlibshighguiC:Program FilesOpenCVotherlibscvcamsrcwindows最
10、后点击“ok”，完成设置。2.3.2 项目设置：每创建一个将要使用OpenCV的VC Project，都需要给它指定需要的lib。菜单：Project-Settings，然后将Setting for选为All Configurations，然后选择右边的link标签，在Object/library modules附加上cxcore.lib cv.lib ml.lib cvaux.lib highgui.lib cvcam.lib图6 VC6.0开发软件库文件包含设置3. gsl-1.8安装手册安装步骤如下：1）下载gsl（http:/ 一些说明文件bin 二进制文件libgsl.dll gsl
11、的动态链接库(基于gcc的正式版本)libgsl_d.dll gsl的动态链接库(基于gcc的调试版本)libgslcblas.dll cblas的动态链接库(基于gcc的正式版本)libgslcblas_d.dll cblas的动态链接库(基于gcc的调试版本)gsl-histogram.exe 用于计算数据直方图的程序gsl-randist.exe 用于生成服从指定分布数据的程序lib 库文件libgsl.a gsl的静态链接库(基于gcc的正式版本)libgsl_d.a gsl的静态链接库(基于gcc的调试版本)libgslcblas.a cblas的静态链接库(基于gcc的正式版本)l
12、ibgslcblas_d.a cblas的静态链接库(基于gcc的调试版本)libgsl_dll.a libgsl.dll的gcc输入库libgsl_d_dll.a libgsl_d.dll的gcc输入库libgslcblas_dll.a libgslcblas.dll的gcc输入库libgslcblas_d_dll.a libgslcblas_d.dll的gcc输入库libgsl.def 输出libgsl.dll的定义libgslcblas.def 输出libgslcblas.dll的定义doc 有关文档infoman1man3各种格式的gsl帮助文件includegsl 头文件gsl in
13、clude files，其中使用到的主要有bin，lib，includegsl3)设置Visual C+ 6.0编译环境，有两种方式： 一、将临时目录下bin中的WinGsl.dll和WinGslD.dll复制到Microsoft Visual StudioVC98Bin下；整个Gsl目录复制到Microsoft Visual StudioVC98Include下；lib目录下的所有.lib文件全部复制到Microsoft Visual StudioVC98Lib下。在使用gsl函数时，在新建的工程中，projectsettingslink，在object/library modules中加入
14、你用到的库文件，如WinGsl.lib等，加入多个可以用空格隔开。 二、打开VC，toolsoptionsdirectories，将解压目录下的lib，gsl分别加入到库文件和头文件的搜索路径中，将 WinGsl.dll和WinGslD.dll复制到Microsoft Visual StudioVC98Bin下。在新建的工程中将你所使用到的库文件加入到object/library modules。五、 实验目的：本实验是针对拟开设的图像处理课程而开发的综合性实验。该实验与概率统计、高等数学、信号处理等课程都有一定程度的联系。通过本实验，促使学生利用上述课程相关知识，更好地掌握图像增强的基本方法和原理。要求学生达到：掌握经典的数字图像对比度增强算法的实现方法；了解实验所用的图像处理算法的运行效果；学会分析与比较各种方法的差异。六、 实验内容及学时安排：1. 2学时：掌握图像变换原理；2. 2学时：掌握图像对比度增强原理；3. 2学时：根据实验指导书，搭建图像处理软硬件环境；阅读并理解本实验给定的参考源程序；初步运行本实验给定的参考程序，并对采集图像进行增强实验测试。4. 8学时：在现有采
