基于OpenCV如何生成圖像直方圖

這篇文章將為大家詳細講解有關基于OpenCV如何生成圖像直方圖，小編覺得挺實用的，因此分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后可以有所收獲。

01. 什么是圖像直方圖？

在開始定義直方圖之前，為簡單起見我們先使用灰度圖像，稍后再解釋彩色圖像的處理過程。

圖像直方圖表示圖像的像素分布情況。換言之，圖像直方圖顯示具有特定像素值的圖像點數量。例如，假設正常圖像的像素強度在0到255之間變化。為了生成其直方圖，我們只需要計算像素值為0的像素數量，然后計算1并繼續到255即可。在圖1中，我們有一個5 * 5的樣本圖像，我們通過計算每個像素強度的數量來創建直方圖表。

圖1：生成圖像直方圖的過程

02. 如何生成圖像直方圖？

在python中，我們可以使用以下兩個函數來創建然后顯示圖像的直方圖。

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
 
 
def generate_histogram(img, do_print):
  """
  @params: img: can be a grayscale or color image. We calculate the Normalized histogram of this image.
  @params: do_print: if or not print the result histogram
  @return: will return both histogram and the grayscale image 
  """
  if len(img.shape) == 3: # img is colorful, so we convert it to grayscale
    gr_img = np.mean(img, axis=-1)
  else:
    gr_img = img
  '''now we calc grayscale histogram'''
  gr_hist = np.zeros([256])
 
 
  for x_pixel in range(gr_img.shape[0]):
    for y_pixel in range(gr_img.shape[1]):
      pixel_value = int(gr_img[x_pixel, y_pixel])
      gr_hist[pixel_value] += 1
 
 
  '''normalizing the Histogram'''
  gr_hist /= (gr_img.shape[0] * gr_img.shape[1])
  if do_print:
    print_histogram(gr_hist, name="n_h_img", title="Normalized Histogram")
  return gr_hist, gr_img
 
 
 def print_histogram(_histrogram, name, title):
  plt.figure()
  plt.title(title)
  plt.plot(_histrogram, color='#ef476f')
  plt.bar(np.arange(len(_histrogram)), _histrogram, color='#b7b7a4')
  plt.ylabel('Number of Pixels')
  plt.xlabel('Pixel Value')
  plt.savefig("hist_" + name)

在大多數情況下，當我們創建直方圖時，我們通過將每個強度值的像素數除以歸一化因子（即圖像寬度和圖像高度的乘積）來對直方圖進行歸一化。為了便于使用，如果generate_histogram函數的輸入圖像是彩色圖像，我們首先將其轉換為灰度圖像（請參見第6行）。

03. 如何均衡圖像直方圖？

直方圖均衡化通常用于增強圖像的對比度。因此，該技術不能保證始終提高圖像質量。計算CDF（累積分布函數）是均衡圖像直方圖的常用方法。在圖2中，我們計算了在圖1中創建的樣本圖像的CDF。此外，在圖3中，我們顯示了先前樣本的均衡直方圖。

圖2：計算CDF。

圖3：均方圖。

為了計算python中的均衡直方圖，我們創建了以下代碼：

def equalize_histogram(img, histo, L):
  eq_histo = np.zeros_like(histo)
  en_img = np.zeros_like(img)
  for i in range(len(histo)):
    eq_histo[i] = int((L - 1) * np.sum(histo[0:i]))
  print_histogram(eq_histo, name="eq_"+str(index), title="Equalized Histogram")
  '''enhance image as well:'''
  for x_pixel in range(img.shape[0]):
    for y_pixel in range(img.shape[1]):
      pixel_val = int(img[x_pixel, y_pixel])
      en_img[x_pixel, y_pixel] = eq_histo[pixel_val]
  '''creating new histogram'''
  hist_img, _ = generate_histogram(en_img, print=False, index=index)
  print_img(img=en_img, histo_new=hist_img, histo_old=histo, index=str(index), L=L)
  return eq_histo

這是我們拍攝的3張不同圖片，并用作示例。如圖4所示，對于第一個圖像，直方圖顯示低強度像素的數量多于明亮像素。對于第二張圖像，情況完全相反，其中較亮像素的密度遠大于較暗像素的密度。第三張圖片似乎具有半正態直方圖。

圖4：三種不同類型的圖像及其直方圖和均等的直方圖。

使用均衡直方圖增強圖像

如前所述，我們可以使用圖像的均衡直方圖修改圖像的對比度。如代碼2第12行所示，對于輸入圖像中的每個像素，我們可以使用其均等值。結果可能比原始圖像更好，但不能保證。在圖5中，我們描述了3張圖像的修改版本。如圖所示，使用其均等的直方圖修改圖像會產生對比度更高的圖像。此功能在許多計算機視覺任務中很有用。

圖5：使用均衡直方圖的對比度修改。最左列是原始圖像。中間一欄是對比度修改的結果。

最右邊的列是修改后的圖像的直方圖。

04. 什么是直方圖匹配？

假設我們有兩個圖像，每個圖像都有其特定的直方圖。因此，我們想在進一步解決此問題之前，是否可以根據另一幅圖像的對比度來修改一幅圖像？答案是肯定的。實際上，這就是直方圖匹配的定義。換句話說，給定圖像A和B，可以根據B修改A的對比度。

當我們要統一一組圖像的對比度時，直方圖匹配非常有用。實際上，直方圖均衡也可以視為直方圖匹配，因為我們將輸入圖像的直方圖修改為與正態分布相似。

為了匹配圖像A和B的直方圖，我們需要首先均衡兩個圖像的直方圖。然后，我們需要使用均衡后的直方圖將A的每個像素映射到B。然后，我們基于B修改A的每個像素。

讓我們使用圖6中的以下示例來闡明以上段落。

圖6：直方圖匹配

在圖6中，我們將圖像A作為輸入圖像，將圖像B作為目標圖像。我們要基于B的分布來修改A的直方圖。第一步，我們計算A和B的直方圖和均等直方圖。然后，我們需要根據該值映射A的每個像素它的均衡直方圖求B的值。因此，例如，對于A中強度級別為0的像素，A均衡直方圖的對應值為4。現在，我們看一下B均衡直方圖并找到強度值對應于4，即0。因此我們將0強度從A映射到0 從B開始。對于A的所有強度值，我們繼續進行。如果從A到B的均衡直方圖中沒有映射，我們只需要選擇最接近的值即可。

def find_value_target(val, target_arr):
  key = np.where(target_arr == val)[0]
 
 
  if len(key) == 0:
    key = find_value_target(val+1, target_arr)
    if len(key) == 0:
      key = find_value_target(val-1, target_arr)
  vvv = key[0]
  return vvv
 
 
 
 
def match_histogram(inp_img, hist_input, e_hist_input, e_hist_target, _print=True):
  '''map from e_inp_hist to 'target_hist '''
  en_img = np.zeros_like(inp_img)
  tran_hist = np.zeros_like(e_hist_input)
  for i in range(len(e_hist_input)):
    tran_hist[i] = find_value_target(val=e_hist_input[i], target_arr=e_hist_target)
  print_histogram(tran_hist, name="trans_hist_", title="Transferred Histogram")
  '''enhance image as well:'''
  for x_pixel in range(inp_img.shape[0]):
    for y_pixel in range(inp_img.shape[1]):
      pixel_val = int(inp_img[x_pixel, y_pixel])
      en_img[x_pixel, y_pixel] = tran_hist[pixel_val]
  '''creating new histogram'''
  hist_img, _ = generate_histogram(en_img, print=False, index=3)
  print_img(img=en_img, histo_new=hist_img, histo_old=hist_input, index=str(3), L=L)

圖7：直方圖匹配示例。我們修改了左圖像的直方圖以匹配中心圖像的直方圖。

圖7示出了直方圖匹配的示例。如大家所見，盡管最左邊的圖像是明亮的圖像，但就對比度級別而言，可以將中心圖像視為更好的圖像。因此，我們決定使用中心圖像的收縮來修改最左邊的圖像。結果，即最右邊的圖像已得到改善。

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