图像增强与伪彩色处理仿真系统

资 源 简 介

该项目是一个专门针对数字图像增强处理的MATLAB仿真平台。其核心功能设计涵盖了空域变换与色彩映射的三大主流方向。首先是灰度变换功能，通过线性比例变换改变图像动态范围，通过对数变换扩展图像低灰度部分，以及利用幂律即伽马变换纠正光照引起的失真，有效提升了图像的视觉还原度。其次是直方图均衡化处理，利用累积分布函数作为变换函数，将原始图像非均匀的灰度分布转化为类均匀分布，从而在保持整体结构的同时，极大增强了图像的局部对比度，使隐藏在阴影或高光中的细节清晰可见。最后是伪彩色增强模块，利用灰度至彩色的非线性转换技术

详 情 说 明

图像灰度变换、直方图均衡与伪彩色增强系统

本系统是一个基于 MATLAB 开发的数字图像增强仿真平台。它集成了多种经典的图像处理算法，旨在通过空域变换、统计修正和色彩映射技术，显著改善图像的视觉质量，增强特征识别度。系统涵盖了从基础的动态范围调整到复杂色彩增强的完整流程。

功能特性

1. 多维灰度变换：动态调整图像亮度和对比度，包含线性拉伸、对数增强及伽马校伸。
2. 自定义直方图均衡化：通过手动实现的累积分布函数（CDF）算法，重新分配像素灰度分布。
3. 多模式伪彩色增强：提供基于非线性函数的多通道分量变换法和基于阈值的密度切割法。
4. 鲁棒的数据读取：支持多种来源图像加载，并具备内置的合成图像生成机制以保障程序稳定性。
5. 可视化对比系统：通过多子图布局和对比窗口，直观展示处理前后的灰度分布与视觉差异。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本。
• 工具箱支撑：图像处理工具箱（Image Processing Toolbox）用于直方图绘制与显示。
• 硬件要求：标准运算性能即可，图像处理速度达到毫秒级响应。

核心功能实现逻辑

1. 图像预处理与环境初始化 程序启动后会进行工作空间清理，随后尝试加载标准测试图像。若外部图像文件缺失，系统将自动生成一个 256x256 的线性灰度渐变矩阵作为备选方案。加载的彩色图像会自动转换为单通道灰度图，并将其转换为双精度浮点数（double）格式，以确保在后续复杂的数学运算中保持计算精度。

2. 三大空域灰度变换算法

• 线性变换：采用线性比例函数对灰度值进行重映射。通过设定斜率（1.2）和截矩（10），实现图像对比度的全局拉伸，并对超出 [0, 255] 范围的结果进行逻辑截断。
• 对数变换：利用对数函数 c * log(1 + I)，有效扩展图像中低灰度区域的细节，同时压缩高亮度部分，常用于处理动态范围过大的图像。
• 伽马（幂律）变换：通过设置 $gamma$ 参数（本系统设定为 0.5）纠正光照引起的失真。其实现包含归一化处理与逆补偿系数计算，使图像呈现出更好的视觉亮度一致性。

3. 手动直方图均衡化逻辑 不同于调用内置函数，系统底层实现了均衡化完整算法：

• 频率统计：遍历全图计算 0-255 各个灰度级的像素出现频率。
• PDF/CDF 计算：生成概率密度函数（PDF）并计算其累积分布函数（CDF）。
• 映射转换：将 CDF 值映射回 8 位整数空间，使原始图像非均匀分布的灰度级在全量程内尽可能均匀分布，显著提升局部对比度。

4. 伪彩色增强技术

• 分量变换法（正弦映射）：将归一化后的灰度值输入三个截然不同的三角函数（相位差为 $pi/2$ 或 $pi$），分别映射到 R、G、B 通道。这种非线性连续变换能产生平滑的假彩色过渡，清晰地展现细微的亮度波动。
• 密度切割法（区间映射）：将 0-255 的灰度空间划分为四个等长区间（0-63, 64-127, 128-191, 192-255），分别为其分配蓝、绿、黄、红四种高对比度色彩。此方法适用于目标物体的定性分类与识别。

关键数据与性能分析

系统在执行过程中会自动统计并输出处理前后的关键数据。通过计算原始图像与均衡化后图像的均值（Mean），可以量化评估图像整体亮度的偏移情况。直方图对比部分则能直观展示均衡化算法如何消除图像的“灰雾感”，从而达到增强细节的目的。

使用方法

1. 将主程序脚本放置在 MATLAB 当前的工作路径下。
2. 如需处理特定图像，可在代码的图像读取部分修改路径为绝对路径。
3. 点击“运行”按钮，系统将自动依次执行所有增强算法。
4. 程序将弹出两个可视化窗口：

* 窗口一：展示原始图与三种灰度变换、直方图均衡化的效果及直方图对比。 * 窗口二：展示原始灰度图与四级密度切割伪彩色的对比。

1. 在 MATLAB 命令行窗口可查阅图像均值统计分析结果。