直方图均衡化

转自http://blog.csdn.net/jaych/article/details/49133493#comments

直方图均衡化原理

直方图均衡化的主要思想是直方图统计，在统计之后，根据具体的灰度值及其对应的出现概率，对图片的灰度进行拉伸，使得图像的对比度得到扩展，如下图这张经典的图像所示。



可以看到左上角的图像灰度比较集中，经过直方图均衡化之后，右下角的图像的灰度就被拉伸。

其原理是将图像中的灰度值根据其概率分布在0-255的区间。

转换后的灰度值为：



其中，sk是转变后的灰度值；

rk是输入的灰度值，

nj是灰度值为 j 的像素个数；

k是当前的灰度值，取值范围0到L-1（L通常为256）。

L表示灰度值可取的个数，如8bit的图像可以表示的灰度值有256，L=256.

举个例子

下图为具体图像的像素值，已知该图像的灰度值为0~7，现要求对其进行直方图均衡化。



这里我们可以得到下图所示的表，其中，L-1=7；Pr=像素个数/25；



根据转换后的灰度值，替换原先的像素值，图像变成：

PC端代码实现

根据以上原理，将其在PC端用程序实现如下：

[cpp]
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print?

<span style="font-size:14px;">bool getHist(unsigned char *pImgData, unsigned char *pHistData，int height,int width)  
{     // 此处需要对输入的指针进行非空判断，此处略。  
    int grayLvl[256]={0};  
    float fP[256];  
    int i;  
    int sum = height*width; //计算总像素个数  
    for(i=0 ; i < sum ;i++)  //统计各个灰度值的像素点个数  
    {  
        grayLvl[pImgData[i]]++;  
    }  
    for(i=0; i < 256;i++) //计算每个灰度值的比重  
    {  
        fP[i]=(float)grayLvl[i]/(float)sum;  
    }  
    for(i=1; i < 256;i++)   
    {  
        fP[i]=fP[i-1]+fP[i];  
    }  
    for(i=0; i <m_ByteOfData;i++) //均衡化  
    {  
<span style="white-space: pre;">      </span>pHistData[i]=(unsigned char)(fP[pImgData[i]]*255.0+0.5);// 加上0.5是为了能够四舍五入取值。  
    }  
    return true;  
}</span><span style="font-size: 18px;">  
</span>  

<span style="font-size:14px;">bool getHist(unsigned char *pImgData, unsigned char *pHistData，int height,int width)
{     // 此处需要对输入的指针进行非空判断，此处略。
int grayLvl[256]={0};
float fP[256];
int i;
int sum = height*width; //计算总像素个数
for(i=0 ; i < sum ;i++)  //统计各个灰度值的像素点个数
{
grayLvl[pImgData[i]]++;
}
for(i=0; i < 256;i++) //计算每个灰度值的比重
{
fP[i]=(float)grayLvl[i]/(float)sum;
}
for(i=1; i < 256;i++)
{
fP[i]=fP[i-1]+fP[i];
}
for(i=0; i <m_ByteOfData;i++) //均衡化
{
<span style="white-space: pre;">		</span>pHistData[i]=(unsigned char)(fP[pImgData[i]]*255.0+0.5);// 加上0.5是为了能够四舍五入取值。
}
return true;
}</span><span style="font-size: 18px;">
</span>

安卓平台移植

在安卓平台，图像处理的操作由JNI实现，基本与上面的程序一致。具体可参考《【安卓开发】JNI程序开发》

[cpp]
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print?

<span style="font-size:14px;">void Java_com_example_imageprocess_MainActivity_getHist(JNIEnv* env,jobject thiz,jbyteArray imgData, jbyteArray histData, jlong size)  
{  
    jint* graylvl=(jint*)malloc(256*sizeof(jint));  
    jfloat* pb=(jfloat*)malloc(256*sizeof(jfloat));  
    unsigned char* grayHist=(unsigned char*)malloc(256*sizeof(unsigned char));  
    unsigned char *imgData_buf=(*env)->GetByteArrayElements(env,imgData,0); //获取jni数组  
    unsigned char *histData_buf = (*env)->GetByteArrayElements(env,histData, NULL);  
    int i;  
    unsigned char index=0;  
    memset(graylvl,0,256*sizeof(jint));  
    for(i=0;i<size;i++)  
    {  
        graylvl[imgData_buf[i]]++;  
    }  
  
    for(i=0;i<256;i++)  
    {  
        pb[i]=(jfloat)graylvl[i]/(jfloat)size;  
    }  
    grayHist[0]=(unsigned char)(pb[0]*255.0+0.5);  
    for(i=1;i<256;i++)  
    {  
        pb[i]=pb[i-1]+pb[i];  
        grayHist[i]=(unsigned char)(pb[i]*255.0+0.5);  
    }  
    for(i=0;i<size;i++)  
    {  
        histData_buf[i]=grayHist[imgData_buf[i]];  
    }  
    //save the data from histData_buf to histData  
    (*env)->SetByteArrayRegion(env,histData, 0, size,histData_buf);  
    free(graylvl);  
    free(pb);  
    free(grayHist);  
}</span>  

<span style="font-size:14px;">void Java_com_example_imageprocess_MainActivity_getHist(JNIEnv* env,jobject thiz,jbyteArray imgData, jbyteArray histData, jlong size)
{
jint* graylvl=(jint*)malloc(256*sizeof(jint));
jfloat* pb=(jfloat*)malloc(256*sizeof(jfloat));
unsigned char* grayHist=(unsigned char*)malloc(256*sizeof(unsigned char));
unsigned char *imgData_buf=(*env)->GetByteArrayElements(env,imgData,0); //获取jni数组
unsigned char *histData_buf = (*env)->GetByteArrayElements(env,histData, NULL);
int i;
unsigned char index=0;
memset(graylvl,0,256*sizeof(jint));
for(i=0;i<size;i++)
{
graylvl[imgData_buf[i]]++;
}

for(i=0;i<256;i++)
{
pb[i]=(jfloat)graylvl[i]/(jfloat)size;
}
grayHist[0]=(unsigned char)(pb[0]*255.0+0.5);
for(i=1;i<256;i++)
{
pb[i]=pb[i-1]+pb[i];
grayHist[i]=(unsigned char)(pb[i]*255.0+0.5);
}
for(i=0;i<size;i++)
{
histData_buf[i]=grayHist[imgData_buf[i]];
}
//save the data from histData_buf to histData
(*env)->SetByteArrayRegion(env,histData, 0, size,histData_buf);
free(graylvl);
free(pb);
free(grayHist);
}</span>

安卓代码优化

这里的优化是将浮点数优化成定点数，有一定的效果。

[cpp]
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<span style="font-size:14px;"><span style="font-size:18px;">void Java_com_example_imageprocess_MainActivity_getHist(JNIEnv* env,jobject thiz,jbyteArray imgData, jbyteArray histData, jlong size)  
{  
    jint* graylvl=(jint*)malloc(256*sizeof(jint));  
    jint* graylvlPtr=graylvl;  
    unsigned int* pb=(unsigned int*)malloc(256*sizeof(unsigned int));  
    unsigned int *pbPtr=pb;  
    unsigned char* grayHist=(unsigned char*)malloc(256*sizeof(unsigned char));  
    unsigned char *grayHistPtr=grayHist+1;  
    unsigned char *imgData_buf=(*env)->GetByteArrayElements(env,imgData,0);  
    unsigned char *imgPtr=imgData_buf;  
    unsigned char *histData_buf = (*env)->GetByteArrayElements(env,histData, NULL);  
    unsigned char *histPtr=histData_buf;  
    int i;  
    unsigned char index=0;  
    unsigned int temp = (255<<20)/size;  
    memset(graylvl,0,256*sizeof(jint));  
    for(i=size;i!=
aa86
0;i--)  
    {  
        (*(graylvl+*imgPtr))++;  
        imgPtr++;  
    }  
    for(i=256;i!=0;i--)  
    {  
        *pbPtr=*graylvlPtr*temp;  
        pbPtr++;  
        graylvlPtr++;  
    }  
    grayHist[0]=(pb[0]>>20);  
    pbPtr=pb+1;  
    for(i=255;i!=0;i--)  
    {  
        *pbPtr=*pbPtr+*(pbPtr-1);  
        *grayHistPtr=(*pbPtr)>>20;  
        pbPtr++;  
        grayHistPtr++;  
    }  
    imgPtr=imgData_buf;  
    for(i=size;i!=0;i--)  
    {  
        *histPtr=*(grayHist+*imgPtr);  
        imgPtr++;  
        histPtr++;  
    }  
    //save the data from histData_buf to histData  
    (*env)->SetByteArrayRegion(env,histData, 0, size,histData_buf);  
    free(graylvl);  
    free(pb);  
    free(grayHist);  
}  
</span></span>  

<span style="font-size:14px;"><span style="font-size:18px;">void Java_com_example_imageprocess_MainActivity_getHist(JNIEnv* env,jobject thiz,jbyteArray imgData, jbyteArray histData, jlong size)
{
jint* graylvl=(jint*)malloc(256*sizeof(jint));
jint* graylvlPtr=graylvl;
unsigned int* pb=(unsigned int*)malloc(256*sizeof(unsigned int));
unsigned int *pbPtr=pb;
unsigned char* grayHist=(unsigned char*)malloc(256*sizeof(unsigned char));
unsigned char *grayHistPtr=grayHist+1;
unsigned char *imgData_buf=(*env)->GetByteArrayElements(env,imgData,0);
unsigned char *imgPtr=imgData_buf;
unsigned char *histData_buf = (*env)->GetByteArrayElements(env,histData, NULL);
unsigned char *histPtr=histData_buf;
int i;
unsigned char index=0;
unsigned int temp = (255<<20)/size;
memset(graylvl,0,256*sizeof(jint));
for(i=size;i!=0;i--)
{
(*(graylvl+*imgPtr))++;
imgPtr++;
}
for(i=256;i!=0;i--)
{
*pbPtr=*graylvlPtr*temp;
pbPtr++;
graylvlPtr++;
}
grayHist[0]=(pb[0]>>20);
pbPtr=pb+1;
for(i=255;i!=0;i--)
{
*pbPtr=*pbPtr+*(pbPtr-1);
*grayHistPtr=(*pbPtr)>>20;
pbPtr++;
grayHistPtr++;
}
imgPtr=imgData_buf;
for(i=size;i!=0;i--)
{
*histPtr=*(grayHist+*imgPtr);
imgPtr++;
histPtr++;
}
//save the data from histData_buf to histData
(*env)->SetByteArrayRegion(env,histData, 0, size,histData_buf);
free(graylvl);
free(pb);
free(grayHist);
}
</span></span>

未优化的代码运行的时间为11ms，优化后代码运行时间为9ms。
处理的效果如下图所示，C1为未优化代码，C2为优化代码，发现C2运行后的结果存在一定误差，虽然误差较小（误差为1）。