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前言

这个算法是IPOL上一篇名为《Automatic Color Equalization(ACE) and its Fast Implementation》提出的,这实际上也是《快速ACE算法及其在图像拼接中的应用》这篇论文中使用的ACE算法,这个算法主要是基于Retinex成像理论做的自动彩色均衡,我用C++ OpenCV实现了,来分享一下。

算法原理

在论文介绍中提到,高动态图像是指在一幅图像中,既有明亮的区域又有阴影区域,为了使细节清晰,需要满足以下几点:

  • (1)对动态范围具有一定的压缩能力
  • (2)对亮暗区域的细节有一定的显示能力
  • (3)在满足(1),(2)的条件下不破坏图像的清晰度

Rizzi等人根据Retinex理论提出自动色彩均衡算法,该算法考虑了图像中颜色和亮度的空间位置关系,进行局部的自适应滤波,实现具有局部和非线性特征的图像亮度,色彩与对比度调整,同时满足灰度世界理论和白斑点假设。

朴素的ACE算法实现

获得空域重构图像

对图像进行色彩/空域调整,完成图像的色差矫正,得到空域重构图像:

R_c(p)=\sum_{j\in Subset,j\neq p \frac{r(I_c(p)-I_c(j))}{d(p, j)}}

其中R_c是中间结果,I_c(p)-I_c(j)为2个点的亮度差,d(p, j)表示距离度量函数,r(*)为亮度表现函数,需要是奇函数,这一步可以适应局部图像对比度,r(*)可以放大较小的差异,并丰富大的差异,根据局部内容扩展或者压缩动态范围。一般的,r(*)为:

r(x)=\begin{Bmatrix} 1, x<-T\\ x/T, -T<=x<=T\\-1, x>T \end{Bmatrix}

对矫正后的图像进行动态扩展

对矫正后的图像进行动态扩展,一种简单的线性扩展为:

O_c(p)=round[127.5+s_cR_c(p)]

其中s_c[(m_c,0),(M_c,255)]的斜率,其中:

M_c=max_p[R_c(p)]m_c=min_p[R_c(p)]

我们还可以将其映射到[0, 255]的空间中:

L(x)=\frac{R(x)-minR}{maxR-minR}

我实现代码时选择了后者,效果会好一点。

快速ACE算法实现

在查阅资料[参考2]的时候看到一个非常有趣的改进方法,可以让ACE算法速度更快,更利于实际应用。

快速ACE算法基于两个基本假设:(1)对一副图像ACE增强后得到输出Y,如果对Y再进行一次ACE增强,输出仍然是Y本身;(2)对一副图像的ACE增强结果进行尺寸缩放得到Y,对Y进行ACE增强,输出仍然是Y本身。

如果上面假设成立,我们就可以对图像进行缩放得到I1,对I1的ACE增强结果进行尺度放大(与I尺寸一样)得到Y1,那么YY1是非常接近的,我们只需要在Y1基础上进一步处理即可。这里就又引申了两个细节问题:

  • 如何快速的求I1的ACE增强结果? 其实很简单,对它再次缩放得到I2,求I2的增强结果,依次类推就是金字塔结构思想。
  • 如何在Y1基础上进一步处理得到Y 因为是在整个图像域进行差分比较运算,与近处邻域像素的比较构成了Y的细节信息,与远处像素的比较构成了Y的全局背景信息,那么我们合理假设,YY1的全局背景信息相同,只更新细节信息即可。所以,我们需要在Y1的基础上加上I中邻近像素的差分结果,并减去Y1中邻近像素的差分结果就是最终的输出Y

注意,这种方法不是论文中使用的改进方法,之所以要介绍这种方法是因为它操作起来很简单,同时原理也比较好懂。关于论文中使用的快速ACE算法加速技巧比较复杂,有兴趣可以去看原论文。

代码

#include <stdio.h>
#include <iostream>
#include <immintrin.h>
#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include <opencv2/ml/ml.hpp>
#include "opencv2/highgui/highgui.hpp"
using namespace cv;
using namespace cv::ml;
using namespace std;

namespace ACE {
    //Gray
    Mat stretchImage(Mat src) {
        int row = src.rows;
        int col = src.cols;
        Mat dst(row, col, CV_64FC1);
        double MaxValue = 0;
        double MinValue = 256.0;
        for (int i = 0; i < row; i++) {
            for (int j = 0; j < col; j++) {
                MaxValue = max(MaxValue, src.at<double>(i, j));
                MinValue = min(MinValue, src.at<double>(i, j));
            }
        }
        for (int i = 0; i < row; i++) {
            for (int j = 0; j < col; j++) {
                dst.at<double>(i, j) = (1.0 * src.at<double>(i, j) - MinValue) / (MaxValue - MinValue);
                if (dst.at<double>(i, j) > 1.0) {
                    dst.at<double>(i, j) = 1.0;
                }
                else if (dst.at<double>(i, j) < 0) {
                    dst.at<double>(i, j) = 0;
                }
            }
        }
        return dst;
    }

    Mat getPara(int radius) {
        int size = radius * 2 + 1;
        Mat dst(size, size, CV_64FC1);
        for (int i = -radius; i <= radius; i++) {
            for (int j = -radius; j <= radius; j++) {
                if (i == 0 && j == 0) {
                    dst.at<double>(i + radius, j + radius) = 0;
                }
                else {
                    dst.at<double>(i + radius, j + radius) = 1.0 / sqrt(i * i + j * j);
                }
            }
        }
        double sum = 0;
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            for (int j = 0; j < size; j++) {
                sum += dst.at<double>(i, j);
            }
        }
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            for (int j = 0; j < size; j++) {
                dst.at<double>(i, j) = dst.at<double>(i, j) / sum;
            }
        }
        return dst;
    }

    Mat NormalACE(Mat src, int ratio, int radius) {
        Mat para = getPara(radius);
        int row = src.rows;
        int col = src.cols;
        int size = 2 * radius + 1;
        Mat Z(row + 2 * radius, col + 2 * radius, CV_64FC1);
        for (int i = 0; i < Z.rows; i++) {
            for (int j = 0; j < Z.cols; j++) {
                if((i - radius >= 0) && (i - radius < row) && (j - radius >= 0) && (j - radius < col)) {
                    Z.at<double>(i, j) = src.at<double>(i - radius, j - radius);
                }
                else {
                    Z.at<double>(i, j) = 0;
                }
            }
        }

        Mat dst(row, col, CV_64FC1);
        for (int i = 0; i < row; i++) {
            for (int j = 0; j < col; j++) {
                dst.at<double>(i, j) = 0.f;
            }
        }
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            for (int j = 0; j < size; j++) {
                if (para.at<double>(i, j) == 0) continue;
                for (int x = 0; x < row; x++) {
                    for (int y = 0; y < col; y++) {
                        double sub = src.at<double>(x, y) - Z.at<double>(x + i, y + j);
                        double tmp = sub * ratio;
                        if (tmp > 1.0) tmp = 1.0;
                        if (tmp < -1.0) tmp = -1.0;
                        dst.at<double>(x, y) += tmp * para.at<double>(i, j);
                    }
                }
            }
        }
        return dst;
    }

    Mat FastACE(Mat src, int ratio, int radius) {
        int row = src.rows;
        int col = src.cols;
        if (min(row, col) <= 2) {
            Mat dst(row, col, CV_64FC1);
            for (int i = 0; i < row; i++) {
                for (int j = 0; j < col; j++) {
                    dst.at<double>(i, j) = 0.5;
                }
            }
            return dst;
        }

        Mat Rs((row + 1) / 2, (col + 1) / 2, CV_64FC1);

        resize(src, Rs, Size((col + 1) / 2, (row + 1) / 2));
        Mat Rf= FastACE(Rs, ratio, radius);
        resize(Rf, Rf, Size(col, row));
        resize(Rs, Rs, Size(col, row));
        Mat dst(row, col, CV_64FC1);
        Mat dst1 = NormalACE(src, ratio, radius);
        Mat dst2 = NormalACE(Rs, ratio, radius);
        for (int i = 0; i < row; i++) {
            for (int j = 0; j < col; j++) {
                dst.at<double>(i, j) = Rf.at<double>(i, j) + dst1.at<double>(i, j) - dst2.at<double>(i, j);
            }
        }
        return dst;
    }

    Mat getACE(Mat src, int ratio, int radius) {
        int row = src.rows;
        int col = src.cols;
        vector <Mat> v;
        split(src, v);
        v[0].convertTo(v[0], CV_64FC1);
        v[1].convertTo(v[1], CV_64FC1);
        v[2].convertTo(v[2], CV_64FC1);
        Mat src1(row, col, CV_64FC1);
        Mat src2(row, col, CV_64FC1);
        Mat src3(row, col, CV_64FC1);

        for (int i = 0; i < row; i++) {
            for (int j = 0; j < col; j++) {
                src1.at<double>(i, j) = 1.0 * src.at<Vec3b>(i, j)[0] / 255.0;
                src2.at<double>(i, j) = 1.0 * src.at<Vec3b>(i, j)[1] / 255.0;
                src3.at<double>(i, j) = 1.0 * src.at<Vec3b>(i, j)[2] / 255.0;
            }
        }
        src1 = stretchImage(FastACE(src1, ratio, radius));
        src2 = stretchImage(FastACE(src2, ratio, radius));
        src3 = stretchImage(FastACE(src3, ratio, radius));

        Mat dst1(row, col, CV_8UC1);
        Mat dst2(row, col, CV_8UC1);
        Mat dst3(row, col, CV_8UC1);
        for (int i = 0; i < row; i++) {
            for (int j = 0; j < col; j++) {
                dst1.at<uchar>(i, j) = (int)(src1.at<double>(i, j) * 255);
                if (dst1.at<uchar>(i, j) > 255) dst1.at<uchar>(i, j) = 255;
                else if (dst1.at<uchar>(i, j) < 0) dst1.at<uchar>(i, j) = 0;
                dst2.at<uchar>(i, j) = (int)(src2.at<double>(i, j) * 255);
                if (dst2.at<uchar>(i, j) > 255) dst2.at<uchar>(i, j) = 255;
                else if (dst2.at<uchar>(i, j) < 0) dst2.at<uchar>(i, j) = 0;
                dst3.at<uchar>(i, j) = (int)(src3.at<double>(i, j) * 255);
                if (dst3.at<uchar>(i, j) > 255) dst3.at<uchar>(i, j) = 255;
                else if (dst3.at<uchar>(i, j) < 0) dst3.at<uchar>(i, j) = 0;
            }
        }
        vector <Mat> out;
        out.push_back(dst1);
        out.push_back(dst2);
        out.push_back(dst3);
        Mat dst;
        merge(out, dst);
        return dst;
    }
}

using namespace ACE;

int main() {
    Mat src = imread("F:\\sky.jpg");
    Mat dst = getACE(src, 4, 7);
    imshow("origin", src);
    imshow("result", dst);
    waitKey(0);
}

效果

原图1

结果图1

原图2

结果图2

原图3

结果图3

原图4

结果图4

参考

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