摘? 要: 采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,研究了Photoshop中對(duì)比度變換算法的實(shí)現(xiàn),并對(duì)算法進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞: 對(duì)比度變換? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法? Photoshop圖像處理軟件
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Photoshop是Adobe公司開發(fā)的圖形圖像軟件,自推出以來已在編輯和創(chuàng)建各種不同的圖像領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
采用Photoshop進(jìn)行圖像編輯的使用者目的是得到滿意的圖像視覺效果,因此只需要知道算法的處理結(jié)果,而不需要知道算法的具體實(shí)現(xiàn)。而圖像處理算法的研究者既需要知道算法的處理結(jié)果,也需要知道算法的具體實(shí)現(xiàn)。但是,Photoshop并沒有公布其圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),這給算法研究者開發(fā)具有相同功能的算法帶來了困難。本文將采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,分析Photoshop中圖像處理算法的實(shí)現(xiàn)技術(shù),以亮度/對(duì)比度(Brightness/Contrast)命令為例具體研究了Photoshop所實(shí)現(xiàn)的對(duì)比度變換算法。
1?Photoshop的圖像對(duì)比度
圖像對(duì)比度是指圖像中最暗調(diào)和最亮調(diào)之間差異的范圍。對(duì)比度高使圖像看上去像影印件,很少或幾乎沒有灰度層次;對(duì)比度低使圖像看上去平滑而暗淡。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇合適的對(duì)比度。Photoshop中可利用Levels、Curves或Brightness/Contrast命令實(shí)現(xiàn)對(duì)比度變換。其中前二者需要調(diào)整多個(gè)參數(shù),而Brightness/Contrast命令則僅需通過改變1個(gè)值就可達(dá)到對(duì)比度變換的目的。
2?試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法
自1920年以來,試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法學(xué)是如何正確地安排試驗(yàn)和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一門科學(xué)。發(fā)展至今,已成功地應(yīng)用于諸如工業(yè)質(zhì)量控制之類的許多實(shí)際應(yīng)用中。近年來,在信號(hào)和圖像處理領(lǐng)域,試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法學(xué)也得到越來越多的應(yīng)用。如Sadjadi將其用于系統(tǒng)性能的評(píng)估,將所研究的系統(tǒng)看作一個(gè)黑箱,在一定的系統(tǒng)模型下,通過巧妙地設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各種輸入激勵(lì),以獲得相應(yīng)的系統(tǒng)輸出,從而得到關(guān)于系統(tǒng)響應(yīng)的解析模型。在系統(tǒng)非常復(fù)雜(如非線性系統(tǒng))的情況下,如此得到的系統(tǒng)模型可能僅與真實(shí)的系統(tǒng)具有響應(yīng)上的近似性,而并非真正的系統(tǒng)模型。本文所研究的圖像對(duì)比度變換算法可視為一種非常簡單的線性系統(tǒng),且采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法可真實(shí)地實(shí)現(xiàn)。
3?Photoshop對(duì)比度變換算法分析
使用的原始灰度圖像如圖1所示,按以下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
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(1)利用Photoshop的直方圖(Histogram)功能得如圖2所示結(jié)果。
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(2)利用Photoshop的亮度/對(duì)比度功能,增加圖像對(duì)比度10%后的直方圖如圖3所示。
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(3)比較圖2和圖3,可見圖像對(duì)比度變換前后,圖像的灰度均值沒變(分別為121.34和121.36,小數(shù)點(diǎn)后的微小變化是由離散化而引起的);但圖像直方圖以其灰度均值為中心,向0和255這2個(gè)灰度端點(diǎn)值變化,從灰度標(biāo)準(zhǔn)差的變化(18.84~20.91)也可得出此結(jié)論,于是可以猜測(cè)對(duì)比度變換算法形式為:
其中i和i′分別為變換前后的灰度值,c為對(duì)比度變換參數(shù),mean為變換前灰度均值,f1(c)和f2(c)為關(guān)于c的函數(shù)。
(4)利用Photoshop的亮度/對(duì)比度功能,增加圖像對(duì)比度100%,得到1個(gè)二值圖像,即僅存在0和255這2個(gè)灰度值。結(jié)合式(1) 可知,當(dāng)c=1時(shí)(即增加圖像對(duì)比度100%):
由于圖像灰度值在區(qū)間[0,255]內(nèi)取離散值,當(dāng)c=1時(shí),可能存在灰度亮飽和(i≥mean時(shí))和暗飽和(i
此處考慮了亮飽和和暗飽和的影響。
經(jīng)過對(duì)大量不同c(c>0)的實(shí)驗(yàn),證實(shí)了上述算法的正確性。
(5)分析減小對(duì)比度時(shí)的變換算法。利用Photoshop的亮度/對(duì)比度功能,減小圖像對(duì)比度10%后的直方圖如圖4所示。
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(6)比較圖2和圖4,發(fā)現(xiàn)圖像對(duì)比度變換前后,圖像的灰度均值仍未變(分別為121.34和121.33,小數(shù)點(diǎn)后的微小變化也是由離散化而引起);但圖像直方圖以其灰度均值為中心,從0和255 2個(gè)方向向其集中。同樣,從灰度標(biāo)準(zhǔn)差的變化(18.84~17.00)也可得出此結(jié)論。類似式(1),可推測(cè)此時(shí)的對(duì)比度變換算法形式為:
(7)利用Photoshop的亮度/對(duì)比度功能,減小圖像對(duì)比度100%,得到等值圖像,即僅存在與mean最接近的離散灰度值。結(jié)合式(3),當(dāng)c=-1時(shí)(即減少圖像對(duì)比度100%)有:
即將區(qū)間[0,255]壓縮至[-mean·c,255+(255-mean)·c]。
經(jīng)過對(duì)大量不同c(c<0)的實(shí)驗(yàn),也證實(shí)了上述算法的正確性。綜合式(2)及式(4),得到Photoshop所采用的對(duì)比度變換算法如下:
需要指出的是,在分析c>0情況下的對(duì)比度變換算法時(shí),為了避免變換后圖像灰度出現(xiàn)亮飽和或暗飽和,原始圖像的灰度應(yīng)分布在區(qū)間[0,255]的中間。若原始圖像不滿足此要求,可在一定的亮度和對(duì)比度變換后再對(duì)原始圖像進(jìn)行分析。
4? 結(jié)? 論
本文采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,研究了Photoshop中對(duì)比度變換算法的實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上,對(duì)于Photoshop中的其他圖像處理算法均可將其看作一個(gè)黑箱,采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,通過設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)圖像,反向推導(dǎo)出其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。
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參考文獻(xiàn)
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3? Sadjadi F.Experimental Design Methodology:the Scientific Tool for Performance Evaluation.In:Proc of
SPIE,Orlando,1990