（学习笔记）图像处理—

文章目录

- 前言
- 原理
- 发展
- - 单尺度算法（SSR）
  - 多尺度算法（MSR）
  - 带有色彩恢复的多尺度
- 实现

前言

Retinex算法由Land于1986年在《An alternative technique for the computation of the designator in the retinex theory of color vision》一文中提出，其实质上是一种基于光照补偿的图像增强算法。图像处理领域主要应用在：

光照不均匀图像的抑制
图像亮度增强，细节的保护，色彩的保护，自然度的恢复等等
图像去噪（噪声属于高频信息，可将噪声留在反射分量中再去噪）
细节提取（类似于Canny边缘提取）
图像结构和纹理的单部分获取

原理

输入图像由照度分量和反射分量两部分组成，即：
$I (x, y) = L (x, y) R (x, y)$
其中， $L$ 为亮度分量，描述照明，变化缓慢，处于低频部分； $R$ 为反射分量，描述景物细节，变化较快，处于高频部分。
Retinex算法对图像的处理目的就是从图像 $I$ 中获取反射分量 $R$ 。算法流程如下：
在这里插入图片描述

发展

Retinex算法理论有两个经典算法：基于路径的Retinex以及基于中心环绕Retinex。基于中心环绕Retinex又从单尺度（Single Scale Retinex）到多尺度（Multi Scale Retinex），再发展至带有色彩恢复的多尺度（Multi Scale Retinex with Color Restoration）以及其他更多的改进。在此只学习基于中心环绕的三个典型算法。

单尺度算法（SSR）

步骤：
第一步：输入原图像 $I (x, y)$ ，分离三个颜色分量；
第二步：构建高斯环绕函数 $e^{-\frac{x^{2}+y^{2}}{\sigma^{2}}}$ ，确定尺度参数 $\sigma$ ，一般取80至100，K为归一化常数，满足 $\int\int G(x,y,\sigma)dxdy=1$ ；
第三步：利用高斯环绕分别对B、G、R三个通道进行滤波 $L(x,y)=I(x,y)\ast G(x,y)$ ，滤波后的图像便是所估计的光照分量 $L (x, y)$ ；
第四步：取对数并对原始图像和光照分量进行相减 $\log R(x,y)=\log \frac{I(x,y)}{L(x,y)}=\log I(x,y)-\log L(x,y)$ ；
第五步：做指数变换 $e^{\log R(x,y)}=R(x,y)$ ，但实际操作中一般先计算出 $\log R(x,y)$ 的最大值Max和最小值Min，然后对每个值Value进行线性量化： $R(x,y)=\frac{(Value-Min)(255-0)}{(Max-Min)}$ ；
第六步：输出反射分量作为结果图像。
在这里插入图片描述

注：高斯函数 $\sigma$ 是唯一可调的参数，和高斯滤波一样，对结果有直接影响。

多尺度算法（MSR）

SSR算法在动态范围压缩和色调恢复的两种效果中不能兼得，只能牺牲一种来得到另一种，因此基于该缺点提出了不同尺度下的增强结果线性地组合在一起，将局部信息和整体信息考虑进去的多尺度算法，最终能得到具有良好动态范围压缩、色彩稳定性和色彩恢复的图片。
其基本思想是：将图像依照灰度值分为若干级，分别使用单尺度风阀，最后使用系数加权得到处理结果。
步骤：
第一步：输入原图像 $I (x, y)$ ，按灰度值分为若干尺度级，并分离三个颜色分量；
第二步：构建尺度参数不同的高斯环绕函数： $G_{k}(x,y)$ ，一般建立三个尺度比例为 $15 : 80 : 250$ 较为合适；
第三步：利用高斯环绕函数分别对B、G、R三个通道进行卷积滤波，并加权平均得到照度分量 $L(x,y)=\sum_{k=1}^{N}\omega_{k}(I_{i}(x,y)\ast G_{k}(x,y))$ ，其中， $\sum_{k=1}^{N}{\omega_{k}}=1$ ；
第四步：取对数并对原始图像和光照分量进行相减 $\log R_{i}(x,y)=\sum_{k=1}^{N}\omega_{k}(\log(I_{i}(x,y))-\log(I_{i}(x,y)\ast G_{k}(x,y)))$ ；
第五步：将对数域转变到实数域 $R (x, y)$ ；
第六步：输出反射分量作为结果图像。
在这里插入图片描述

可以发现相对于单尺度，多尺度算法对第二和第三两个步骤进行了改进。

带有色彩恢复的多尺度

MSRCR
在前两种方法中图像可能会有局部细节色彩失真，不能显出物体的真正颜色，所以针对这点Daniel J. Jobson等人于1997年在《A Multiscale Retinex for Bridging the Gap Between Color Images and the Human Observation of Scenes》一文提出了MSRCR该算法在MSR的基础上增加了一个色彩恢复的步骤。
在这里插入图片描述

色彩恢复 $c_{i}(x,y)=\frac{I_{i}(x,y)}{\sum_{j=1}^{N}I_{j}(x,y)}$ ，其中， $I_{i}(x,y)$ 是原图像像素值，在RGB色彩空间中N=3， $i, j$ 表示三个色彩通道。
对其做对数变换可得：
$C_{i}(x,y)=\beta \cdot \log[\alpha \cdot c_{i}(x,y)]=\beta \cdot\{\log[\alpha \cdot I_{i}(x,y)]-\log[\sum_{j=1}^{N}I_{j}(x,y)]\}$
其中， $\alpha$ 用来调节非线性变换， $\beta$ 是增益常数。
MSRCR计算公式为：
$\log R_{MSRCR_{i}}(x,y)=C_{i}(x,y)\cdot \log R_{MSR_{i}}(x,y)=\beta \cdot \log R_{MSR_{i}}(x,y)\{\log[\alpha \cdot I_{i}(x,y)]-\log[\sum_{j=1}^{N}I_{j}(x,y)]\}$
实际中需要对对数域中的像素值进行拉伸处理，可得到MSRCR计算公式为：
$\log R_{MSRCR_{i}}(x,y)=G[C_{i}(x,y)\cdot \log R_{MSR_{i}}(x,y)+b]=G[C_{i}(x,y)\{\log I_{i}(x,y)-\log[I_{i}(x,y)\ast G_{n}(x,y)]\}+b]$
其中，G和b为经验参数。

具有颜色恢复的多尺度 Retinex (MSRCR) 将小尺度 Retinex 的动态范围压缩和大规模 Retinex 的色调再现与普遍应用的颜色恢复相结合。

实现

SSR：

# SSR
import cv2
from numpy import nonzero
from numpy import float32
from skimage.metrics import peak_signal_noise_ratio
from skimage.metrics import structural_similarity
import csvdef replaceZeroes(data):min_nonzero = min(data[nonzero(data)])##data中不为0数字的位置中的最小值data[data == 0] = min_nonzero##data中为0的位置换为最小值return datadef SSR(img, sigma):B, G, R = cv2.split(img)def channel(C):L_C = cv2.GaussianBlur(C, (5, 5), sigma)##L(x,y)=I(x,y)∗G(x,y)h, w = C.shape[:2]C = replaceZeroes(C)C = C.astype(float32) / 255L_C = replaceZeroes(L_C)L_C = L_C.astype(float32) / 255dst_C = cv2.log(C)  ##logI(x,y)dst_L_C = cv2.log(L_C)  ##logL(x,y)log_R_C = cv2.subtract(dst_C, dst_L_C)  ##logR(x,y)=logI(x,y)−logL(x,y)minvalue, maxvalue, minloc, maxloc = cv2.minMaxLoc(log_R_C)  ##量化处理for i in range(h):for j in range(w):log_R_C[i, j] = (log_R_C[i, j] - minvalue) * 255.0 / (maxvalue - minvalue)  ##R(x,y)=(value-min)(255-0)/(max-min)C_uint8 = cv2.convertScaleAbs(log_R_C)return C_uint8B_uint8 = channel(B)G_uint8 = channel(G)R_uint8 = channel(R)image = cv2.merge((B_uint8, G_uint8, R_uint8))return image##存储数据
def writeCsv(image, psnr, ssin):row = [image, psnr, ssim]out = open("D:/Retinex/SSR/result.csv", "a", newline="")csv_writer = csv.writer(out, dialect="excel")csv_writer.writerow(row)##输入图片执行
for j in range(10, 100):test = cv2.imread("D:/Infrared_image/00{}.jpg".format(str(j)))print(f"00{j}.jpg:")result = SSR(test, 80)#cv2.imshow("test", test)#cv2.imshow("result", result)cv2.imwrite("D:/Retinex/SSR/result/00{}.jpg".format(str(j)), result)key = cv2.waitKey(0)cv2.destroyAllWindows()#writeCsv("image", "psnr", "ssim")  ##表头# 计算psnr及ssimtest = cv2.cvtColor(test, cv2.COLOR_BGR2GRAY)  # 转换为灰度图片result = cv2.cvtColor(result, cv2.COLOR_BGR2GRAY)psnr = peak_signal_noise_ratio(test, result)ssim = structural_similarity(test, result)# print(f"psnr={psnr}")# print(f"ssim={ssim}")writeCsv(j, psnr, ssim)

输入图像：
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$\sigma$ 为80时输出为：
在这里插入图片描述

对应psnr为：13.1918870131122
对应ssim为：0.673577787550732
MSR：

# MSR
def MSR(img, sigma_list):B, G, R = cv2.split(img)weight = 1 / 3.0scales_size = 3def channel(C, sigma_list):for i in range(0, scales_size):C = replaceZeroes(C)C = C.astype(float32) / 255L_C = cv2.GaussianBlur(C, (5, 5), sigma_list[i])##L(x,y)=I(x,y)∗G(x,y)print(sigma_list[i])h, w = C.shape[:2]log_R_C = zeros((h, w), dtype=float32)L_C = replaceZeroes(L_C)L_C = L_C.astype(float32) / 255log_C = cv2.log(C)##logI(x,y)log_L_C = cv2.log(L_C)##logL(x,y)log_R_C += weight * cv2.subtract(log_C, log_L_C)##=logR(x,y)=w(logI(x,y)−logL(x,y))minvalue, maxvalue, minloc, maxloc = cv2.minMaxLoc(log_R_C)for i in range(h):for j in range(w):log_R_C[i, j] = (log_R_C[i, j] - minvalue) * 255.0 / (maxvalue - minvalue)  ##R(x,y)=(value-min)(255-0)/(max-min)C_uint8 = cv2.convertScaleAbs(log_R_C)return C_uint8B_uint8 = channel(B, sigma_list)G_uint8 = channel(G, sigma_list)R_uint8 = channel(R, sigma_list)image = cv2.merge((B_uint8, G_uint8, R_uint8))return image

输入图片与SSR一样，
sigma_list为15,80,250时输出为：
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对应psnr为：13.2062748786571
对应ssim为：0.67356703973411
MSRCR：


def replaceZeroes(data):min_nonzero = min(data[nonzero(data)])data[data == 0] = min_nonzeroreturn datadef colorRestoration(img, alpha, beta):img_sum = np.sum(img, axis=None, keepdims=True)color_restoration = beta * (np.log10(alpha * img) - np.log10(img_sum))#求取Creturn color_restorationdef simplestColorBalance(img, low_clip, high_clip):total = img.shape[0] * img.shape[1]for i in range(img.shape[2]):unique, counts = np.unique(img[:, :, i], return_counts=True)current = 0for u, c in zip(unique, counts):if float(current) / total < low_clip:low_val = uif float(current) / total < high_clip:high_val = ucurrent += cimg[:, :, i] = np.maximum(np.minimum(img[:, :, i], high_val), low_val)return imgdef MSR(img, sigma_list):B, G, R = cv2.split(img)weight = 1 / 3.0scales_size = 3def channel(C, sigma_list):for i in range(0, scales_size):C = replaceZeroes(C)C = C.astype(float32) / 255L_C = cv2.GaussianBlur(C, (5, 5), sigma_list[i])##L(x,y)=I(x,y)∗G(x,y)#print(sigma_list[i])h, w = C.shape[:2]log_R_C = zeros((h, w), dtype=float32)L_C = replaceZeroes(L_C)L_C = L_C.astype(float32) / 255log_C = cv2.log(C)##logI(x,y)log_L_C = cv2.log(L_C)##logL(x,y)log_R_C += weight * cv2.subtract(log_C, log_L_C)##=logR(x,y)=w(logI(x,y)−logL(x,y))minvalue, maxvalue, minloc, maxloc = cv2.minMaxLoc(log_R_C)for i in range(h):for j in range(w):log_R_C[i, j] = (log_R_C[i, j] - minvalue) * 255.0 / (maxvalue - minvalue)  ##R(x,y)=(value-min)(255-0)/(max-min)C_uint8 = cv2.convertScaleAbs(log_R_C)return C_uint8B_uint8 = channel(B, sigma_list)G_uint8 = channel(G, sigma_list)R_uint8 = channel(R, sigma_list)image = cv2.merge((B_uint8, G_uint8, R_uint8))return imagedef MSRCR(img, sigma_list, G, b, alpha, beta, low_clip, high_clip):img = np.float64(img) + 1.0img_retinex = MSR(img, sigma_list)#先做MSR处理img_color = colorRestoration(img, alpha, beta)#计算色彩恢复Cimg_msrcr = G * (img_retinex * img_color + b)#MSRCR处理for i in range(img_msrcr.shape[2]):img_msrcr[:, :, i] = (img_msrcr[:, :, i] - np.min(img_msrcr[:, :, i])) / \(np.max(img_msrcr[:, :, i]) - np.min(img_msrcr[:, :, i])) * \255 #转换为实数域img_msrcr = np.uint8(np.minimum(np.maximum(img_msrcr, 0), 255))#图片格式恢复img_msrcr = simplestColorBalance(img_msrcr, low_clip, high_clip)#色彩平衡处理return img_msrcr

输入图片同上
输出结果为：
在这里插入图片描述
对应psnr为：5.7753713026592
对应ssim为：0.0997847741077085