【數字影象處理】五.MFC影象點運算之灰度線性變化、灰度非線性變化、閾值化和均衡化處理詳解

        本文主要講述基於VC++6.0 MFC影象處理的應用知識，主要結合自己大三所學課程《數字影象處理》及課件進行講解，主要通過MFC單文件檢視實現顯示BMP圖片點運算處理，包括影象灰度線性變換、灰度非線性變換、影象閾值化處理、影象均衡化處理等知識，並結合前一篇論文灰度直方圖進行展示 。同時文章比較詳細基礎，希望該篇文章對你有所幫助，尤其是初學者和學習影象處理的學生。
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一. 點運算與初始操作

        影象的點運算是影象處理中非常基礎的技術，它主要用於改變一篇影象的灰度分佈範圍，通過一定的變換函式將影象的畫素進行轉換，最終生成一幅新的影象。點運算的最大特點就是輸出畫素值只與當前輸入畫素值相關。定義如下。
        點運算(Point Operation)指對於一幅輸入影象，將產生一幅輸出影象，輸出影象的每個畫素點的灰度值由輸入畫素點決定。
        點運算由灰度變換函式(Grap Scale Transformation，GST)確定：B(x,y)=F[A(x,y)]
        需要注意一下幾點：
        (1).與區域性或鄰域運算的差別，輸入畫素和輸出畫素是一一對應的；(2).與幾何運算的差別，不改變影象的空間關係；(3).又稱為對比增強，對比拉伸或灰度變換。

        在前面第四篇部落格的基礎上增加點運算處理。
        第一步：在資源檢視中Menu中新增“影象點運算”選單欄如下所示：

二. 線性變換

        影象線性變換是通過建立灰度對映來調整資源影象的灰度，從而達到影象增強的目的。其中GST函式f(D)為線性的，即：

        1.D(B)=D(A)+50
        首先是影象移動，程式碼如下：

/**********************************************************************/
/* 影象點運算 4種線性變化直方圖：                                                
/* ID_DYS_XXYD:表示線性灰度變化移動 D(B)=D(A)+50  灰度值上移下移        
/* ID_DYS_XXZQ:表示線性灰度變化增強 D(B)=1.5*D(A) 影象對比度增強       
/* ID_DYS_XXJX:表示線性灰度變化減小 D(B)=0.8*D(A) 影象對比度減小       
/* ID_DYS_XXQB:表示線性灰度求補 D(B)=-1*D(A)+255  影象暗區變亮,亮區變暗 
/**********************************************************************/

// 1.點運算 線性灰度變化移動 D(B)=D(A)+50
void CImageProcessingView::OnDysXxyd() 
{
	// TODO: Add your command handler code here
	if(numPicture==0) {
		AfxMessageBox("載入圖片後才能線性灰度運算!",MB_OK,0);
		return;
	}
	AfxMessageBox("線性灰度直方圖-灰度變化移動 D(B)=D(A)+50!",MB_OK,0);
	int i;
	//開啟臨時的圖片
	FILE *fpo = fopen(BmpName,"rb");
	FILE *fpw = fopen(BmpNameLin,"wb+");
	//讀取檔案
	fread(&bfh,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fpo);
	fread(&bih,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fpo);
	fwrite(&bfh,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fpw);
	fwrite(&bih,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fpw);
	//灰度影象
	unsigned char color;
	unsigned char red,green,blue;
	for( i=0; i<m_nImage/3; i++ )
	{
		fread(&red,sizeof(char),1,fpo);
		fread(&green,sizeof(char),1,fpo);
		fread(&blue,sizeof(char),1,fpo);

		if( (int)red+50 >255 )
			red=255;
		else
			red=(int)red+50;

		if( (int)green+50>255 )
			green=255;
		else
			green=(int)green+50;  

		if( (int)blue+50>255 )
			blue=255;
		else
			blue=(int)blue+50;

		fwrite(&red,sizeof(char),1,fpw);
		fwrite(&green,sizeof(char),1,fpw);
		fwrite(&blue,sizeof(char),1,fpw);
	}
	fclose(fpo);
	fclose(fpw);
	numPicture = 2;
	level=101;       //賦值101在ShowBitmap中呼叫顯示處理後的圖片
	Invalidate();
}

        同時修改void CImageProcessingView::ShowBitmap(CDC *pDC, 
CString BmpName)函式中的程式碼：

else        //影象點運算 線性變化
if(level=101)
{
	m_hBitmapChange = (HBITMAP) LoadImage(NULL,BmpNameLin,IMAGE_BITMAP,0,0,
		LR_LOADFROMFILE|LR_DEFAULTSIZE|LR_CREATEDIBSECTION);
}

        執行效果如下圖所示，同時我擷取了直方圖(RGB相同只顯示一種)。

// 2.點運算 線性灰度變化增強 D(B)=1.5*D(A)
void CImageProcessingView::OnDysXxzq() 
{
	if(numPicture==0) {
		AfxMessageBox("載入圖片後才能線性灰度運算!",MB_OK,0);
		return;
	}
	AfxMessageBox("線性灰度直方圖-灰度變化增強 D(B)=1.5*D(A)!",MB_OK,0);
	int i;
	//開啟臨時的圖片
	FILE *fpo = fopen(BmpName,"rb");
	FILE *fpw = fopen(BmpNameLin,"wb+");
	fread(&bfh,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fpo);
	fread(&bih,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fpo);
	fwrite(&bfh,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fpw);
	fwrite(&bih,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fpw);
	//灰度影象
	unsigned char color;
	unsigned char red,green,blue;
	for( i=0; i<m_nImage/3; i++ )
	{
		fread(&red,sizeof(char),1,fpo);
		fread(&green,sizeof(char),1,fpo);
		fread(&blue,sizeof(char),1,fpo);

		if( (int)red*1.5 >255 )
			red=255;
		else
			red=(int)red*1.5;

		if( (int)green*1.5>255 )
			green=255;
		else
			green=(int)green*1.5;  
		
		if( (int)blue*1.5>255 )
			blue=255;
		else
			blue=(int)blue*1.5;

		fwrite(&red,sizeof(char),1,fpw);
		fwrite(&green,sizeof(char),1,fpw);
		fwrite(&blue,sizeof(char),1,fpw);
	}
	fclose(fpo);
	fclose(fpw);
	numPicture = 2;
	level=101;      //線性變化 ShowBitmap中呼叫
	Invalidate();
}

        執行效果如下圖所示，影象對比度增強，平均灰度122*1.5=181

        3.D(B)=0.8*D(A)

// 3.點運算 線性灰度變化減小D(B)=0.8*D(A)
void CImageProcessingView::OnDysXxjx() 
{
	if(numPicture==0) {
		AfxMessageBox("載入圖片後才能線性灰度處理!",MB_OK,0);
		return;
	}
	AfxMessageBox("線性灰度直方圖-灰度減小 D(B)=0.8*D(A)!",MB_OK,0);
	int i;
	//開啟臨時的圖片
	FILE *fpo = fopen(BmpName,"rb");
	FILE *fpw = fopen(BmpNameLin,"wb+");
	fread(&bfh,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fpo);
	fread(&bih,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fpo);
	fwrite(&bfh,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fpw);
	fwrite(&bih,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fpw);
	//灰度影象
	unsigned char color;
	unsigned char red,green,blue;
	for( i=0; i<m_nImage/3; i++ )
	{
		fread(&red,sizeof(char),1,fpo);
		fread(&green,sizeof(char),1,fpo);
		fread(&blue,sizeof(char),1,fpo);

		red=(int)red*0.8;
		green=(int)green*0.8;  
		blue=(int)blue*0.8;

		fwrite(&red,sizeof(char),1,fpw);
		fwrite(&green,sizeof(char),1,fpw);
		fwrite(&blue,sizeof(char),1,fpw);
	}
	fclose(fpo);
	fclose(fpw);
	numPicture = 2;
	level=101;
	Invalidate();
}

        執行如下圖所示，影象減弱。


        4.D(B)=-1*D(A)+255

// 4.點運算 線性灰度求補 D(B)=-1*D(A)+255
void CImageProcessingView::OnDysXxqb() 
{
	if(numPicture==0) {
		AfxMessageBox("載入圖片後才能線性灰度處理!",MB_OK,0);
		return;
	}
	AfxMessageBox("線性灰度直方圖-灰度求補 D(B)=-1*D(A)+255!",MB_OK,0);
	int i;
	//開啟臨時的圖片
	FILE *fpo = fopen(BmpName,"rb");
	FILE *fpw = fopen(BmpNameLin,"wb+");
	fread(&bfh,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fpo);
	fread(&bih,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fpo);
	fwrite(&bfh,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fpw);
	fwrite(&bih,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fpw);
	//灰度影象
	unsigned char color;
	unsigned char red,green,blue;
	for( i=0; i<m_nImage/3; i++ )
	{
		fread(&red,sizeof(char),1,fpo);
		fread(&green,sizeof(char),1,fpo);
		fread(&blue,sizeof(char),1,fpo);

		red=(int)red*(-1)+255;
		green=(int)green*(-1)+255;  
		blue=(int)blue*(-1)+255;

		fwrite(&red,sizeof(char),1,fpw);
		fwrite(&green,sizeof(char),1,fpw);
		fwrite(&blue,sizeof(char),1,fpw);
	}
	fclose(fpo);
	fclose(fpw);
	numPicture = 2;
	level=101;
	Invalidate();
}

        執行效果如下圖所示，它是影象的求補，發現直方圖是互補的。

三. 非線性變換

        灰度非線性變換主要包括對數變換、冪次變換、指數變換、分段函式變換，通過非線性關係對影象進行灰度處理，下面主要講解課件中的兩個函式對其進行處理。其中對數變換實現了擴充套件低灰度值而壓縮高灰度值的效果，影象灰度分佈更符合而你的視覺特徵。

四. 灰度閾值化

        閾值又稱為臨界值，它的目的是確定出一個範圍，然後這個範圍內的部分使用同一種方法處理，而閾值之外的部分則使用另一種處理方法或保持原樣。常用的包括產生二值圖：當x<T時y=0，當x>=T時y=255（其中T是閾值）。閾值變換在生物學上的應用比較廣泛，常用語細胞影象分割等。
        開啟類嚮導(Ctrl+W)生成選擇ImageProcessingView類，IDs選擇ID_DYS_YZBH後新增相應的函式。程式碼如下：

/**************************************************************/
/* ID_DYS_YZBH:表示點運算閾值變換 也看做灰度拉伸                   
/* 此處的拉伸是：閾值化(thresholding)可以看作是削波的一個特例 
/* 只要令削波中的g1old=g2old就實現了閾值化。                  
/* 閾值就象個門檻，比它大就是白，比它小就是黑,二值            
/**************************************************************/

void CImageProcessingView::OnDysYzbh() 
{
	if(numPicture==0)
	{
		AfxMessageBox("載入圖片後才能點運算閾值化處理!",MB_OK,0);
		return;
	}
	AfxMessageBox("影象點運算閾值化處理!",MB_OK,0);
	//讀寫檔案
	FILE *fpo = fopen(BmpName,"rb");
	FILE *fpw = fopen(BmpNameLin,"wb+");
	fread(&bfh,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fpo);
	fread(&bih,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fpo);
	fwrite(&bfh,sizeof(BITMAPFILEHEADER),1,fpw);
	fwrite(&bih,sizeof(BITMAPINFOHEADER),1,fpw);
	//處理
	unsigned char color;
	unsigned char red,green,blue;
	for(int i=0; i<m_nImage/3; i++ )
	{
		fread(&red,sizeof(char),1,fpo);
		fread(&green,sizeof(char),1,fpo);
		fread(&blue,sizeof(char),1,fpo);

		if( (int)red > 128 )
			red=255;
		else
			red=0;

		if( (int)green > 128 )
			green=255;
		else
			green=0;  
		
		if( (int)blue > 128 )
			blue=255;
		else
			blue=0;

		fwrite(&red,sizeof(char),1,fpw);
		fwrite(&green,sizeof(char),1,fpw);
		fwrite(&blue,sizeof(char),1,fpw);
	}
	fclose(fpo);
	fclose(fpw);
	numPicture = 2;
	level=101;
	Invalidate();
}

        執行效果如下圖所示，感覺還挺好看的，顯然此時的直方圖就是0和255兩條直線。

五. 灰度均衡化

        灰度均衡化的目的是使一輸入影象轉換為在每一灰度級上都有相同的畫素點（即輸出的直方圖是平的），它可以產生一幅灰度級分佈概率均衡的影象。
        換句話說，經過均衡化後的影象在每一級灰度上畫素點的數量相差不大，對應的灰度直方圖的每一級高度也相差不大。它是增強影象的有效手段之一。
        研究思路是通過直方圖變換公式實現：

        最後還是希望文章對你有所幫助，如果文章有不足或錯誤之處，請海涵。最近挺忙的，寫這些古老的文章有人說在浪費青春，但我還是準備把這個系列講完，非常高興以前的程式碼註釋和風格都不錯，回憶起來挺好的，希望你也能養成好的程式碼和註釋風格~
      （By:Eastmount 2015-06-02 下午4點   http://blog.csdn.net/eastmount/）