一种基于图像增强的节能算法研究

论文总字数：26042字

目 录

1. 研究背景 1

2. 简介 2

2.1图像增强技术介绍 2

2.2显示面板介绍 2

3. 开发工具介绍 3

3.1 MATLAB 概述 3

3.2 MATLAB 的特点 3

3.3图像处理工具箱简介 4

4. 本文涉及的图像增强介绍 4

4.1直方图均衡化 4

4.1.1 直方图均衡化理论 4

4.1.2 编程流程图 5

4.1.3 程序实现 6

4.1.4 结果分析 6

4.2　对数直方图均衡化 8

4.2.1 对数直方图均衡化理论基础 8

4.2.1 对数直方图均衡化编程流程图 9

4.2.3 程序实现 10

4.2.4 结果分析 10

4.3　改进对数直方图均衡化 11

4.3.1 改进算法原理 11

4.3.2 算法编程流程图 12

4.3.3 程序实现 12

4.3.4 结果分析 12

4.4　改进对数直方图均衡化再优化 15

4.4.1 原理分析 15

4.4.2 程序流程图 15

4.4.3 程序实现 16

4.4.4 结果分析及验证 16

5. 图像增强节能算法 18

5.1 图像增强节能算法原理 18

5.1.1 显示面板原理 18

5.1.2 算法流程图 20

5.1.3 程序实现 20

5.1.4 结果及分析 20

6. 总结 21

6.1 未来展望 21

6.2 不足之处 22

参考文献： 23

致谢 24

附录...............................................................................................................25

一种基于图像增强的节能算法研究

夏童童

摘要：本文基于直方图均衡化理论提出一个灰度图像的节能算法，首先，介绍了直方图均衡化算法，分析此种算法的原理和优缺点，以引出之后的改进算法；然后，在直方图均衡化算法中加入对数处理，利用对数处理的特性来减小直方图中较大的灰度值；最后，针对单个灰度像素建立一个功耗模型，从而求得一幅图像在特定显示面板上的总耗电量。通过引入参数对图像增强结果加以控制，比较出直方图均衡化处理后的图像耗电量。

关键字：节能；图像增强；直方图均衡化

An Energy Saving algorithm Research Based On Image Enhancement

Tongtong Xia

School of Information and Control，NUIST，Nanjing 21004

Abstract: The thesis investigates an energy saving algorithm based on histogram equalization. Firstly, the Histogram Equalization (HE) algorithm is described along with the analysis of its advantages and disadvantages. Then, the HE with logarithmic is described. Comparing with HE, the HE with logarithmic uses logarithmic processing to reduce the larger gray value of the resulting histogram. Finally, a power consumption model is established based on HE, in which each pixel value is revised according both to the HE result of it and the pre-defined most energy consumption. The experimental results shows that the proposed energy saving algorithm can achieve a quite good visual effect and at the same time reduce the energy consumption.

Key words：energy saving; contrast enhancement;  histogram equalization

1. 研究背景

在千百年的人类发展立式中，人们不断的从外界获得信息，并对这些信息加以分析处理，从而进行改造世界的尝试。在当今社会，信息浩如烟渺，各种各样的信息充斥在人们的生活中，声音，视频，色彩等。许多信息归根结底还是图像信息，所以可以这样说，图像信息是人类感知外界信息的主要来源，也是最直接最清晰的信息传递方式[1]。

科技迅猛发展，带来了许多技术的革新。以前的人类是用眼睛观察自然界的事物，并不能留住过去的画面。19世纪，人类发明了第一台照相机，从此人类开始步入数字时代，不向过去一样想要留住映像是靠画笔来解决，不仅耗时而今不够精确。在之后的百年时间里，随着工业革命对现代社会的催化，各种科学技术日新月异推陈出新。图像的成像技术也是有质的飞跃，从以前的光学相机到现在的数码相机，拍照摄像已经融入到人们日常生活中。但有时拍照摄像的时候，由于天气、光线、设备限或者传输过程中产生的扰动和失真等原因，人们并不能得到满意的图像[2]。一次，人们需要改善图像的质量，使其变得清晰、细节明显，从而达到人们在各个领域所需求的图像。所以图像增强技术应运而生、

图像增强技术图像处理技术中的一个重要研究分支，其目的是利用多种工程技术和设备通过对图像加工处理，得到人们在视觉需求或工程需求的更清晰细节更加明显的图像。

图像增强过程中，在增强某一方面信息时，同时也会带来其他方面信息的减弱，所以说在对图像处理时，要平衡多方面因素，在突出所需要的信息同时也减小其所带来的其他影响。 没有两片相同的树叶，同样也没有完全相同的两幅图像。图像增强的手段就是取分不同图像的各种特征，增强人们在这幅图像中感兴趣的部分信息。如使原本模糊难以观察的的图像变成清晰图像，看起更加容易方便，把较暗的图像变得明亮，进而改善图像的质量；或者有针对性的对不同的图像特征做不同的处理，同一幅图像中的不同信息对比更加明显，使人们更加清楚掌握图像中丰富的信息，进而满足不同领域的某些特殊分析的需要。

通常在图像增强后，人们获得了所需求的清晰、明亮、细节明显的图像，但同时也增强了一些意想不到的信息，这些一般都是人们不愿意接受的[3]。比如，增强后的图像显示时在会显示面板上消耗功率也增多。

在科技迅速发展的今天，人们的生活中有形形色色的显示设备。电视、电脑液晶显示器、商场LED显示屏，还有近年来流行的OLED显示面板，手机屏幕等。我们每天都会接触到这些为我们带来图像信息的电子显示器。当代社会，电子阅读越来越方便，已经逐渐代替了纸质阅读在人们工作学习中的地位。随着显示器尺寸越来越大，大部分的电能消耗都是因为显示器板这些设备[1],[2]。从另一个角度出发，如此多的电子显示器、显示面板带来的是巨大的电能消耗。因此，显示面板的节能因素也成为人们在选择显示面板时的一个总要考虑条件。所以，本文就从图像本身出发，在这个角度来讨论如果在获得清晰明亮的图像时也不会消耗过多的电能。

本文基于直方图均衡化技术提出一个灰度图像增强节能算法，首先，介绍了传统直方图均衡化，分析此种算法的原理和优缺点，用来引出之后的改进算法；然后在灰度直方图的均衡化理论中采用灰度图像对数直方图增强算法。采用对数直方图均衡化法用来减小直方图中较大的灰度值；然后为单个灰度像素的功耗建立一个模型，计算出一个直方图中统计的所有灰度值的总耗电量，输入不同参数，通过对直方图均衡化处理后的图像总耗电量进行比较分析，找到一个最优的图像增强算法，满足图像增强同时在显示面板上的功耗较低的要求。

2. 简介

2.1图像增强技术介绍

一个成熟技术的产生，往往要经历几个必备的发展阶段。图像增强技术也不例外，这门新型技术就经历了理论起步阶段、技术发展阶段、领域试用阶段和实践成熟阶段这几个的成长发展历程。

上世纪中叶，图像增强技术初步展露头角，各个领域对图像信息需求增大，促使图像增强技术进入到理论起步阶段。该时期的图像增强技术使用范围十分局限，其根本原因是受制于存储技术的水平，同时由于计算机硬件水平发展不足，因此该时期图像处理技术最鲜明的特点是通过对光栅扫描获取像素信息。

经过10余年的发展，图像增强技术缓步进入技术发展阶段。在这段时间，计算机运算速度有了质的的飞跃，高性能的大、中型计算机的大量应用推动图像增强技术发展到一个新阶段。此外，航天科技、CT医疗等高新技术的出现，社会对图像增强技术的需求发展更为迅猛。

到20世纪末，图像增强进入到了实践成熟阶段。开始在各个领域的学科内大放异彩，小到个人为了图像赏心悦目对图像的亮度和细节的增强，大到航空航天图像处理、气象云图的增强处理、医疗领域的CT图像增强等，方方面面图像增强技术对各个领域的贡献今非昔比。因此图像中增强技术成了一个和许多学科领域都有交叉的万金油技术，也是在各行各业的同行的不懈研究中得以壮大发展，随着科技的进一步发展，图像增强技术还会在许多新兴的技术产业上发挥其不可磨灭的贡献。

一门学科会有许多分支，科研工作者把在数学领域中的传统的图像增强方分为空域图像增强方法和频域图像增强方法[6,7]。频域增强方法是将图像从空域变换到某种变换域里，在变换域中对图像进行操作分析处理后，再回变换到原来的空域，作一个间接的图像处理，最后得到增强后的图像[8]；空域增强方法是对图像中的像素看做是点阵来直接作处理，通过对点阵分布的变换达到图像增强的目的。在本文中运用的直方图均衡化方法就属于空域增强方法。

2.2显示面板介绍

显示面板有两大类，可分为放射显示和非放射显示[3]。放射显示器不需要外部的光源，如等离子体显示面板(PDPS)；有机发光二极管(0LED)和场放射显示器(FED)等；非放射放射显示器包括薄膜晶体管液晶显示器(TFT)等。放射显示器有几个独到优势，它不需要背光源的照射就可发光，而且具有高对比度还功率消耗低的优点。从内部原理来看，放射型显示器的每个像素都可以单独驱动，其单个晶体管的功率消耗与一个像素的灰度值成正比。因此，一个放射型显示器通常比一个非放射型显示器功耗更小。由于这些优点，有机发光二极管(LED)和场放射显示器(PED)在下一代显示器中很被看好。尽管有机发光二极管（OLED）现在主要用于尺寸较小的移动设备，如手机、pad、微型计算机上。但它的大规模生产技术正在迅速发展，更大的有机发光二极管显示面板（OLED）将很快应用在更广泛更大的设备上[20]。

1. 开发工具介绍

3.1 MATLAB 概述

MATLAB是目前国际国内最流行，最广泛试用的工程计算软件。由Clever Moler和John Little等人成立Math Works公司推出。其分别为不同科研领域的应用，开发出的包括信号处理、控制系统、图像处理、优化设计、统计分析、财政金融等 30多个具有专门功能的工具箱。这些工具箱都是是由每个领域内的顶尖人才操刀编写，可以使初学者尽快入门。同时，工具箱内的全部函数源程序都是是开源代码，使用者可以通过help和doc命令自由查看这些函数的源代码并对其进行所需的更改，最后生成的文件形式是.m，并且用户可以把这些自己编写的程序作为新的函数添加到相应的工具箱中。

3.2 MATLAB 的特点

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：26042字

相关图片展示：