1 概念

灰度线性变换是一种灰度变换，通过建立灰度映射来调整源图像的灰度，达到图像增强的目的。灰度映射通常使用灰度变换曲线来表示。

2 原理

灰度线性变换就是将图像的像素值通过指定的线性函数进行变换，以此增强或减弱图像的灰度。灰度线性变换的公式是常见的一维线性函数：
$g(x,y) = k \cdot f(x,y) + b$
设 $x$ 为原始灰度值，则变换后的灰度值 $y$ 为：
$y = k \cdot x + b \dots\dots(0 \leq y \leq 255)$
$k$ 表示直线的斜率，即倾斜程度， $b$ 表示线性函数在 $y$ 轴的截距。

3 作用

$k$ $b$ 取值	意义
$k>1$	增大图像的对比度，图像的像素值在变换后全部增大，整体效果被增强
$k=1$	通过调整 $b$ ，实现对图像亮度的调整
$0 < k < 1$	图像的对比度被削弱
$k<0$	原来图像亮的区域变暗，原来图像暗的区域变亮

4 Matlab实现

clc;
clear;
close all;

% 对灰度图进行灰度线性变换
ori_img = imread('../images/6.jpg');
ori_img = rgb2gray(ori_img);
[oriHist,oriX] = imhist(ori_img);

k = 1.25;
d = 0;
gray1 = ori_img * k + d;
[g1Hist,g1X] = imhist(gray1);

k = 1;
d = 50;
gray2 = ori_img * k + d;
[g2Hist,g2X] = imhist(gray2);

k = 0.5;
d = 0;
gray3 = ori_img * k + d;
[g3Hist,g3X] = imhist(gray3);

k = -1;
d = 255;
ori_ = im2double(ori_img);
gray4 = ori_ * k + 1.0;
[g4Hist,g4X] = imhist(gray4);

figure(1),subplot(1,2,1),imshow(ori_img),title('原图');subplot(1,2,2),imshow(gray1),title('k>0 d=0');
figure(2),subplot(1,2,1),stem(oriX,oriHist),title('原图直方图');subplot(1,2,2),stem(g1X,g1Hist),title('k>0 d=0直方图');
figure(3),subplot(1,2,1),imshow(ori_img),title('原图');subplot(1,2,2),imshow(gray2),title('k=1 d=50');
figure(4),subplot(1,2,1),stem(oriX,oriHist),title('原图直方图');subplot(1,2,2),stem(g2X,g2Hist),title('k=1 d=50直方图');
figure(5),subplot(1,2,1),imshow(ori_img),title('原图');subplot(1,2,2),imshow(gray3),title('k=0.5 d=0');
figure(6),subplot(1,2,1),stem(oriX,oriHist),title('原图直方图');subplot(1,2,2),stem(g3X,g3Hist),title('k=0.5 d=0直方图');
figure(7),subplot(1,2,1),imshow(ori_img),title('原图');subplot(1,2,2),imshow(gray4),title('k=-1 d=255');
figure(8),subplot(1,2,1),stem(oriX,oriHist),title('原图直方图');subplot(1,2,2),stem(g4X,g4Hist),title('k=-1 d=255直方图');

5 OpenCV实现

#include <iostream>
#include <string>

#include "../include/opencv400/opencv2/opencv.hpp"
#include "windows.h"

std::string g_CurrentDirectory;
void SetCurrentDirectoryToExePath()
{
	HMODULE hExe = GetModuleHandleA(NULL);
	char nameBuf[MAX_PATH] = { 0 };
	GetModuleFileNameA(hExe, nameBuf, MAX_PATH);
	std::string sName(nameBuf);
	sName = sName.substr(0, sName.rfind('\\'));
	SetCurrentDirectoryA(sName.c_str());
	g_CurrentDirectory = sName;
}


void calcHist1D(cv::Mat& input, cv::Mat& output)
{
	int channels[] = { 0 };
	int histsize[] = { 256 };
	float grayRnage[] = { 0,256 };
	const float* ranges[] = { grayRnage };
	cv::MatND hist;
	cv::calcHist(&input, 1, channels, cv::Mat(), hist, 1, histsize, ranges);

	double maxVal = 0;
	cv::minMaxLoc(hist, 0, &maxVal, 0, 0);

	int scale = 10;
	output = cv::Mat::zeros(500, 257 * 5, CV_8UC3);

	std::cout << "-----------------------------------" << std::endl;
	for (int i = 0; i < histsize[0]; i++)
	{
		float binVal = hist.at<float>(i, 0);
		std::cout <<i <<" "<< binVal << std::endl;
		int intensity = cvRound(binVal * 500 / maxVal);
		rectangle(output, cv::Point(i * 5, 500 - intensity),
			cv::Point((i + 1) * 5, 500),
			cv::Scalar::all(255),
			-1);
	}

}

int main()
{
	SetCurrentDirectoryToExePath();

	cv::Mat ori_img = cv::imread("../images/6.jpg");
	cv::Mat gray_img;
	cv::cvtColor(ori_img, gray_img, cv::COLOR_BGR2GRAY);
	//gray_img.convertTo(gray_img, CV_32FC1, 1.0 / 255);
	cv::namedWindow("灰度图");
	cv::imshow("灰度图", gray_img);

	cv::Mat grayHist;
	calcHist1D(gray_img, grayHist);
	cv::imshow("hist", grayHist);

	float k = 1.25;
	int d = 0;
	cv::Mat g1 = gray_img * k + d;
	cv::Mat g1Hist;
	calcHist1D(g1, g1Hist);
	cv::imshow("g1", g1);
	cv::imshow("g1Hist", g1Hist);

	k = 1;
	d = 30;
	cv::Mat g2 = gray_img * k + d;
	cv::Mat g2Hist;
	calcHist1D(g2, g2Hist);
	cv::imshow("g2", g2);
	cv::imshow("g2Hist", g2Hist);

	k = 0.5;
	d = 0;
	cv::Mat g3 = gray_img * k + d;
	cv::Mat g3Hist;
	calcHist1D(g3, g3Hist);
	cv::imshow("g3", g3);
	cv::imshow("g3Hist", g3Hist);

	k = -1;
	d = 255;
	cv::Mat g4 = gray_img * k + d;
	cv::Mat g4Hist;
	calcHist1D(g4, g4Hist);
	cv::imshow("g4", g4);
	cv::imshow("g4Hist", g4Hist);

	cv::waitKey();
	return 0;
}

6 效果图

原图
图像灰度线性变换

6.1 效果图

k> 1 b=0
图像灰度线性变换

7 讨论

线性变换是一个有限的查表操作，在C++实现时可以在将图像逐像素的计算过程转换为查表操作。由于灰度线性变换的查找表只需256字节，完全可以全部缓存到现代CPU的cache中，通过多线程的查表操作，可以加快整个图像的变换过程。当然，这样速度还是没有GPU中进行速度快。灰度线性变换是与相邻像素无关的操作，非常适合在GPU中并行计算。但需要根据图像大小，考虑图像从CPU到GPU再从GPU到CPU的时间损耗，时间加快只对很大的图有效。

图像灰度线性变换

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