OpenCV-Python实战（8）——直方图均衡化

0. 前言

图像处理技术是计算机视觉项目的核心，通常是计算机视觉项目中的关键工具，可以使用它们来完成各种计算机视觉任务。在本文中，将介绍如何使用 OpenCV 函数 cv2.equalizeHist() 执行直方图均衡，并将其应用于灰度和彩色图像，cv2.equalizeHist() 函数将亮度归一化并提高图像的对比度。

1. 灰度直方图均衡化

使用 cv2.equalizeHist() 函数来均衡给定灰度图像的对比度：

# 加载图像并转换为灰度图像
image = cv2.imread('example.png')
gray_image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
hist = cv2.calcHist([gray_image], [0], None, [256], [0, 256])
# 直方图均衡化
gray_image_eq = cv2.equalizeHist(gray_image)
# 直方图均衡化后的图像直方图
hist_eq = cv2.calcHist([gray_image_eq], [0], None, [256], [0, 256])

为了深入了解直方图均衡，我们对原始灰度图像进行修改，为图像的每个像素添加/减去 30，并计算直方图均衡前后的直方图：

M = np.ones(gray_image.shape, dtype='uint8') * 30
# 为图像的每个像素添加 30
added_image = cv2.add(gray_image, M)
hist_added_image = cv2.calcHist([added_image], [0], None, [256], [0, 256])
# 直方图均衡化
added_image_eq = cv2.equalizeHist(gray_image_eq)
hist_eq_added_image = cv2.calcHist([added_image_eq], [0], None, [256], [0, 256])
# 为图像的每个像素减去 30
subtracted_image = cv2.subtract(gray_image, M)
hist_subtracted_image = cv2.calcHist([subtracted_image], [0], None, [256], [0, 256])
# 直方图均衡化
subtracted_image_eq = cv2.equalizeHist(subtracted_image)
hist_eq_subtracted_image = cv2.calcHist([subtracted_image_eq], [0], None, [256], [0, 256])

最后，绘制所有这些图像：

def show_img_with_matplotlib(color_img, title, pos):
    img_RGB = color_img[:, :, ::-1]
    ax = plt.subplot(3, 4, pos)
    plt.imshow(img_RGB)
    plt.title(title, fontsize=8)
    plt.axis('off')

def show_hist_with_matplotlib_gray(hist, title, pos, color):
    ax = plt.subplot(3, 4, pos)
    plt.xlabel("bins")
    plt.ylabel("number of pixels")
    plt.xlim([0, 256])
    plt.plot(hist, color=color)
# 可视化
show_img_with_matplotlib(cv2.cvtColor(gray_image, cv2.COLOR_GRAY2BGR), "gray", 1)
show_hist_with_matplotlib_gray(hist, "grayscale histogram", 2, 'm')
show_img_with_matplotlib(cv2.cvtColor(added_image, cv2.COLOR_GRAY2BGR), "gray lighter", 5)
show_hist_with_matplotlib_gray(hist_added_image, "grayscale histogram", 6, 'm')
show_img_with_matplotlib(cv2.cvtColor(subtracted_image, cv2.COLOR_GRAY2BGR), "gray darker", 9)
show_hist_with_matplotlib_gray(hist_subtracted_image, "grayscale histogram", 10, 'm')
# 其他图像的可视化方法类似，不再赘述
# ...

程序运行的输出如下图所示：

在上图中，我们可以看到三个均衡化后的图像非常相似，这也反映在均衡化后的直方图中，这是因为直方图均衡化倾向于标准化图像的亮度，同时增加对比度。

2. 颜色直方图均衡化

使用相同的方法，我们可以在彩色图像中执行直方图均衡，将直方图均衡应用于 BGR 图像的每个通道(虽然这不是彩色图像直方图均衡的最佳方法)，创建 equalize_hist_color() 函数，使用 cv2.split() 分割 BGR 图像并将 cv2.equalizeHist() 函数应用于每个通道，最后，使用 cv2.merge() 合并结果通道：

def equalize_hist_color(img):
    # 使用 cv2.split() 分割 BGR 图像
    channels = cv2.split(img)
    eq_channels = []
    # 将 cv2.equalizeHist() 函数应用于每个通道
    for ch in channels:
        eq_channels.append(cv2.equalizeHist(ch))
    # 使用 cv2.merge() 合并所有结果通道
    eq_image = cv2.merge(eq_channels)
    return eq_image

接下来，将此函数应用于三个不同的图像：原始 BGR 图像、将原始图像的每个像素值添加 10、将原始图像的每个像素值减去 10，并计算直方图均衡前后的直方图：

# 加载图像
image = cv2.imread('example.png')
# 计算直方图均衡前后的直方图
hist_color = hist_color_img(image)
image_eq = equalize_hist_color(image)
hist_image_eq = hist_color_img(image_eq)

M = np.ones(image.shape, dtype="uint8") * 10
# 为图像的每个像素添加 10
added_image = cv2.add(image, M)
# 直方图均衡前后的直方图
hist_color_added_image = hist_color_img(added_image)
added_image_eq = equalize_hist_color(added_image)
hist_added_image_eq = hist_color_img(added_image_eq)
# 为图像的每个像素减去 10
subtracted_image = cv2.subtract(image, M)
# 直方图均衡前后的直方图
hist_color_subtracted_image = hist_color_img(subtracted_image)
subtracted_image_eq = equalize_hist_color(subtracted_image)
hist_subtracted_image_eq = hist_color_img(subtracted_image_eq)

最后，绘制所有这些图像：

def show_img_with_matplotlib(color_img, title, pos):
    img_RGB = color_img[:, :, ::-1]
    ax = plt.subplot(3, 4, pos)
    plt.imshow(img_RGB)
    plt.title(title, fontsize=8)
    plt.axis('off')

def show_hist_with_matplotlib_rgb(hist, title, pos, color):
    ax = plt.subplot(3, 4, pos)
    plt.xlabel("bins")
    plt.ylabel("number of pixels")
    plt.xlim([0, 256])
    for (h, c) in zip(hist, color):
        plt.plot(h, color=c)
# 可视化
show_img_with_matplotlib(image, "image", 1)
show_hist_with_matplotlib_rgb(hist_color, "color histogram", 2, ['b', 'g', 'r'])
show_img_with_matplotlib(added_image, "image lighter", 5)
show_hist_with_matplotlib_rgb(hist_color_added_image, "color histogram", 6, ['b', 'g', 'r'])
show_img_with_matplotlib(subtracted_image, "image darker", 9)
show_hist_with_matplotlib_rgb(hist_color_subtracted_image, "color histogram", 10, ['b', 'g', 'r'])
# 其他图像的可视化方法类似，不再赘述
# ...

将直方图均衡化应用于 BGR 图像的每个通道并不是颜色直方图均衡化的好方法，这是由于 BGR 色彩空间的加性特性导致彩色图像的颜色变化很大。由于我们独立地改变三个通道中的亮度和对比度，因此在合并均衡通道时，这可能会导致图像中出现新的色调，正如上图所看到的那样。
一种颜色直方图均衡化更好的方法是将 BGR 图像转换为包含亮度/强度通道的色彩空间( Yuv、Lab、HSV 和 HSL )。然后，只在亮度通道上应用直方图均衡，最后合并通道并将它们转换回 BGR 颜色空间，以 HSV 空间为例，创建 equalize_hist_color_hsv() 函数实现上述颜色直方图归一化方法：

def equalize_hist_color_hsv(img):
    H, S, V = cv2.split(cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2HSV))
    eq_V = cv2.equalizeHist(V)
    eq_image = cv2.cvtColor(cv2.merge([H, S, eq_V]), cv2.COLOR_HSV2BGR)
    return eq_image

接下来，将此函数应用于三个不同的图像：原始 BGR 图像、将原始图像的每个像素值添加 10、将原始图像的每个像素值减去 10，并计算直方图均衡前后的直方图：

hist_color = hist_color_img(image)
# 计算直方图均衡前后的直方图
image_eq = equalize_hist_color_hsv(image)
hist_image_eq = hist_color_img(image_eq)

M = np.ones(image.shape, dtype="uint8") * 10
# 为图像的每个像素添加 10
added_image = cv2.add(image, M)
hist_color_added_image = hist_color_img(added_image)
# 直方图均衡前后的直方图
added_image_eq = equalize_hist_color_hsv(added_image)
hist_added_image_eq = hist_color_img(added_image_eq)
# 为图像的每个像素减去 10
subtracted_image = cv2.subtract(image, M)
hist_color_subtracted_image = hist_color_img(subtracted_image)
# 直方图均衡前后的直方图
subtracted_image_eq = equalize_hist_color_hsv(subtracted_image)
hist_subtracted_image_eq = hist_color_img(subtracted_image_eq)

最后，绘制所有这些图像：

# show_img_with_matplotlib() 和 show_hist_with_matplotlib_rgb（） 函数与上一示例相同
show_img_with_matplotlib(image, "image", 1)
show_hist_with_matplotlib_rgb(hist_color, "color histogram", 2, ['b', 'g', 'r'])
show_img_with_matplotlib(added_image, "image lighter", 5)
show_hist_with_matplotlib_rgb(hist_color_added_image, "color histogram", 6, ['b', 'g', 'r'])
# 其他图像的可视化方法类似，不再赘述
# ...

由上图可以看出，仅均衡 HSV 图像的 V 通道得到的结果比均衡 BGR 图像的所有通道的效果要好很多，也可以将这种方法用于其他包含亮度/强度通道的色彩空间( Yuv、Lab 和 HSL )。

3. 对比度受限的自适应直方图均衡化

在本节中，将介绍如何应用对比度受限的自适应直方图均衡化 ( Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization, CLAHE ) 来均衡图像，CLAHE 是自适应直方图均衡化( Adaptive Histogram Equalization, AHE )的一种变体，区别在于其对比度的增大是受限的。图像相对均匀区域中的噪声被 AHE 过度放大，而 CLAHE 通过限制对比度增大来解决这个问题。该算法通过创建原始图像的多个直方图，并使用这些直方图来重新分配图像的亮度，用于提高图像的对比度。
接下来，将 CLAHE 应用于灰度和彩色图像。应用 CLAHE 时，有两个重要参数，第一个是 clipLimit，它设置对比度限制的阈值，默认值为 40；第二个是 tileGridSize ，它设置行和列中的 tiles 数量。应用 CLAHE 时，图像被分成称为 tiles (默认为 8 x 8 )的小块以执行其计算。
将 CLAHE 应用于灰度图像，需要使用以下代码：

# 加载图像
image = cv2.imread('example.png')
gray_image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
# 灰度图像应用 CLAHE
clahe = cv2.createCLAHE(clipLimit=2.0)
gray_image_clahe = clahe.apply(gray_image)
# 使用不同 clipLimit 值
clahe.setClipLimit(5.0)
gray_image_clahe_2 = clahe.apply(gray_image)
clahe.setClipLimit(10.0)
gray_image_clahe_3 = clahe.apply(gray_image)
clahe.setClipLimit(20.0)
gray_image_clahe_4 = clahe.apply(gray_image)

然后，我们将 CLAHE 应用于彩色图像，类似于彩色图像对比度均衡的方法，创建四个函数以仅在不同颜色空间的亮度通道上使用 CLAHE 来均衡化彩色图像：

def equalize_clahe_color_hsv(img):
    cla = cv2.createCLAHE(clipLimit=4.0)
    H, S, V = cv2.split(cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2HSV))
    eq_V = cla.apply(V)
    eq_image = cv2.cvtColor(cv2.merge([H, S, eq_V]), cv2.COLOR_HSV2BGR)
    return eq_image

def equalize_clahe_color_lab(img):
    cla = cv2.createCLAHE(clipLimit=4.0)
    L, a, b = cv2.split(cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2Lab))
    eq_L = cla.apply(L)
    eq_image = cv2.cvtColor(cv2.merge([eq_L, a, b]), cv2.COLOR_Lab2BGR)
    return eq_image

def equalize_clahe_color_yuv(img):
    cla = cv2.createCLAHE(clipLimit=4.0)
    Y, U, V = cv2.split(cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2YUV))
    eq_Y = cla.apply(Y)
    eq_image = cv2.cvtColor(cv2.merge([eq_Y, U, V]), cv2.COLOR_YUV2BGR)
    return eq_image

def equalize_clahe_color(img):
    cla = cv2.createCLAHE(clipLimit=4.0)
    channels = cv2.split(img)
    eq_channels = []
    for ch in channels:
        eq_channels.append(cla.apply(ch))
    eq_image = cv2.merge(eq_channels)
    return eq_image
# 彩色图像应用 CLAHE
image_clahe_color = equalize_clahe_color(image)
image_clahe_color_lab = equalize_clahe_color_lab(image)
image_clahe_color_hsv = equalize_clahe_color_hsv(image)
image_clahe_color_yuv = equalize_clahe_color_yuv(image)

# 可视化
show_img_with_matplotlib(cv2.cvtColor(gray_image, cv2.COLOR_GRAY2BGR), "gray", 1)
show_img_with_matplotlib(cv2.cvtColor(gray_image_clahe, cv2.COLOR_GRAY2BGR), "gray CLAHE clipLimit=2.0", 2)
show_img_with_matplotlib(cv2.cvtColor(gray_image_clahe_2, cv2.COLOR_GRAY2BGR), "gray CLAHE clipLimit=5.0", 3)
# 其他图像的可视化方法类似，不再赘述
# ...

将所有这些函数应用于测试图像后比较结果，如下图所示：

在上图中，我们可以看到改变 clipLimit 参数在测试图像上应用 CLAHE 后的不同效果，同时也可以看到在不同颜色空间( LAB、HSV 和 YUV )的亮度通道上应用 CLAHE 后的不同结果。其中，可以看到在 BGR 图像的三个通道上应用 CLAHE 与仅在不同颜色空间的亮度通道上使用 CLAHE 的不同效果。

4. 比较 CLAHE 和直方图均衡化

为完整起见，在 compare_hist_equalization_clahe.py 脚本中，可以看到 CLAHE 和直方图均衡化 ( cv2.equalizeHist() ) 如何在同一图像上工作，同时可视化生成的图像和生成的直方图。

image = cv2.imread('2.png')
gray_image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

hist = cv2.calcHist([gray_image], [0], None, [256], [0, 256])
# 直方图均衡化
gray_image_eq = cv2.equalizeHist(gray_image)
# 计算直方图
hist_eq = cv2.calcHist([gray_image_eq], [0], None, [256], [0, 256])
# 创建 clahe:
clahe = cv2.createCLAHE(clipLimit=4.0)
# 在灰度图像上应用 clahe
gray_image_clahe = clahe.apply(gray_image)
# 计算直方图
hist_clahe = cv2.calcHist([gray_image_clahe], [0], None, [256], [0, 256])

可视化的结果如下图所示：

通过以上对比，可以肯定地说，在许多情况下，CLAHE 比应用直方图均衡化有更好的结果和性能。

5. 直方图的比较

OpenCV 提供的另一个与直方图相关的函数是 cv2.compareHist()，该函数可用于计算两个直方图的匹配程度。由于直方图反映了图像中像素值的强度分布，因此该函数也可以用于比较图像，但是由于直方图仅显示统计信息，而不显示像素的位置。因此，图像比较的常用方法是将图像划分为一定数量的区域(通常大小相同)，计算每个区域的直方图，最后将所有直方图连接起来，创建图像的特征表示。为了简单起见，示例将仅使用一个区域(完整图像)，并不会将图像划分多个区域。
cv2.compareHist() 函数的用法：

cv2.compareHist(H1, H2, method)

这里，H1 和 H2 是被比较的直方图，method表示度量方法。OpenCV 提供了四种不同的度量方法( method )来计算匹配程度：

度量方法	解释
cv2.HISTCMP_CORREL	计算两个直方图之间的相关性，此指标返回 [-1, 1] 范围内的值，其中 1 表示完美匹配，-1 表示完全不匹配
cv2.HISTCMP_CHISQR	计算两个直方图之间的卡方距离，此指标返回 [0, unbounded] 范围内的值，其中 0 表示完美匹配，而不匹配则使用 unbounded 表示
cv2.HISTCMP_INTERSECT	计算两个直方图之间的交集，如果直方图被归一化，则该指标返回范围 [0, 1] 内的值，其中 1 表示完全匹配，0 表示完全不匹配
cv2.HISTCMP_BHATTACHARYYA	计算两个直方图之间的 Bhattacharyya 距离。此指标返回 [0, 1] 范围内的值，其中 0 是完美匹配，1 完全不匹配

为了对比不同的度量方法，我们首先图像并对其进行变换，然后使用所有度量方法计算这些图像和测试图像之间的相似度。

# 加载图像
image = cv2.imread('15.png')
# 转换为灰度图像
gray_image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

M = np.ones(gray_image.shape, dtype='uint8') * 30
# 所有像素值加上 30
added_image = cv2.add(gray_image, M)
# 所有像素值减去 30
subtracted_image = cv2.subtract(gray_image, M)
# 使用模糊滤镜
blurred_image = cv2.blur(gray_image, (10,10))
def load_all_test_images():
    images = []
    images.append(gray_image)
    images.append(added_image)
    images.append(subtracted_image)
    images.append(blurred_image)
    return images

使用四种不同的度量方法计算这些图像和测试图像之间的相似度：

for img in test_images:
    # 计算直方图
    hist = cv2.calcHist([img], [0], None, [256], [0, 256])
    # 直方图归一化
    hist = cv2.normalize(hist, hist, norm_type=cv2.NORM_L1)
    hists.append(hist)
# 使用　cv2.HISTCMP_CORREL　度量方法
gray_gray = cv2.compareHist(hists[0], hists[1], cv2.HISTCMP_CORREL)
gray_grayblurred = cv2.compareHist(hists[0], hists[1], cv2.HISTCMP_CORREL)
gray_addedgray = cv2.compareHist(hists[0], hists[2], cv2.HISTCMP_CORREL)
gray_subgray = cv2.compareHist(hists[0], hists[3], cv2.HISTCMP_CORREL)
# 使用　cv2.HISTCMP_CHISQR　度量方法
gray_gray = cv2.compareHist(hists[0], hists[0], cv2.HISTCMP_CHISQR)
gray_grayblurred = cv2.compareHist(hists[0], hists[1], cv2.HISTCMP_CHISQR)
gray_addedgray = cv2.compareHist(hists[0], hists[2], cv2.HISTCMP_CHISQR)
gray_subgray = cv2.compareHist(hists[0], hists[3], cv2.HISTCMP_CHISQR)
# 使用　cv2.HISTCMP_INTERSECT　度量方法
gray_gray = cv2.compareHist(hists[0], hists[0], cv2.HISTCMP_INTERSECT)
gray_grayblurred = cv2.compareHist(hists[0], hists[1], cv2.HISTCMP_INTERSECT)
gray_addedgray = cv2.compareHist(hists[0], hists[2], cv2.HISTCMP_INTERSECT)
gray_subgray = cv2.compareHist(hists[0], hists[3], cv2.HISTCMP_INTERSECT)
# 使用　cv2.HISTCMP_BHATTACHARYYA　度量方法
gray_gray = cv2.compareHist(hists[0], hists[0], cv2.HISTCMP_BHATTACHARYYA)
gray_grayblurred = cv2.compareHist(hists[0], hists[1], cv2.HISTCMP_BHATTACHARYYA)
gray_addedgray = cv2.compareHist(hists[0], hists[2], cv2.HISTCMP_BHATTACHARYYA)
gray_subgray = cv2.compareHist(hists[0], hists[3], cv2.HISTCMP_BHATTACHARYYA)

程序的输出如下所示：

从上图可以看出，img 1 所有指标都完美匹配，因为它是相同的图像，img 2 也具有较好的匹配指标，这是因为 img 2 是查询图像的平滑版本，而 img 3 和 img 4 给出的匹配程度很差，这是因为直方图发生了偏移。

小结

在处理直方图时，直方图均衡化也是一个重要方法和功能，我们学习了如何对灰度和彩色图像进行直方图均衡化，也看到了直方图比较对于执行图像比较的重要帮助，OpenCV 提供的四种度量方式来衡量两个直方图之间的相似性，分别是 cv2.HISTCMP_CORREL、cv2.HISTCMP_CHISQR、cv2.HISTCMP_INTERSECT 和 cv2.HISTCMP_BHATTACHARYYA。

系列链接

OpenCV-Python实战（1）——OpenCV简介与图像处理基础
OpenCV-Python实战（2）——图像与视频文件的处理
OpenCV-Python实战（3）——OpenCV中绘制图形与文本
OpenCV-Python实战（4）——OpenCV常见图像处理技术
OpenCV-Python实战（5）——OpenCV图像运算
OpenCV-Python实战（6）——OpenCV中的色彩空间和色彩映射
OpenCV-Python实战（7）——直方图详解
OpenCV-Python实战（9）——OpenCV用于图像分割的阈值技术