摘? 要: 采用試驗設計方法,研究了Photoshop中對比度變換算法的實現,并對算法進行了分析。
關鍵詞: 對比度變換? 試驗設計方法? Photoshop圖像處理軟件
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Photoshop是Adobe公司開發的圖形圖像軟件,自推出以來已在編輯和創建各種不同的圖像領域得到廣泛應用。
采用Photoshop進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果,而不需要知道算法的具體實現。而圖像處理算法的研究者既需要知道算法的處理結果,也需要知道算法的具體實現。但是,Photoshop并沒有公布其圖像處理算法的實現細節,這給算法研究者開發具有相同功能的算法帶來了困難。本文將采用試驗設計方法,分析Photoshop中圖像處理算法的實現技術,以亮度/對比度(Brightness/Contrast)命令為例具體研究了Photoshop所實現的對比度變換算法。
1?Photoshop的圖像對比度
圖像對比度是指圖像中最暗調和最亮調之間差異的范圍。對比度高使圖像看上去像影印件,很少或幾乎沒有灰度層次;對比度低使圖像看上去平滑而暗淡。實際應用中應選擇合適的對比度。Photoshop中可利用Levels、Curves或Brightness/Contrast命令實現對比度變換。其中前二者需要調整多個參數,而Brightness/Contrast命令則僅需通過改變1個值就可達到對比度變換的目的。
2?試驗設計方法
自1920年以來,試驗設計方法學是如何正確地安排試驗和分析試驗數據的一門科學。發展至今,已成功地應用于諸如工業質量控制之類的許多實際應用中。近年來,在信號和圖像處理領域,試驗設計方法學也得到越來越多的應用。如Sadjadi將其用于系統性能的評估,將所研究的系統看作一個黑箱,在一定的系統模型下,通過巧妙地設計系統的各種輸入激勵,以獲得相應的系統輸出,從而得到關于系統響應的解析模型。在系統非常復雜(如非線性系統)的情況下,如此得到的系統模型可能僅與真實的系統具有響應上的近似性,而并非真正的系統模型。本文所研究的圖像對比度變換算法可視為一種非常簡單的線性系統,且采用試驗設計方法可真實地實現。
3?Photoshop對比度變換算法分析
使用的原始灰度圖像如圖1所示,按以下步驟進行實驗。
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(1)利用Photoshop的直方圖(Histogram)功能得如圖2所示結果。
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(2)利用Photoshop的亮度/對比度功能,增加圖像對比度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,小數點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個灰度端點值變化,從灰度標準差的變化(18.84~20.91)也可得出此結論,于是可以猜測對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為對比度變換參數,mean為變換前灰度均值,f1(c)和f2(c)為關于c的函數。
(4)利用Photoshop的亮度/對比度功能,增加圖像對比度100%,得到1個二值圖像,即僅存在0和255這2個灰度值。結合式(1) 可知,當c=1時(即增加圖像對比度100%):
由于圖像灰度值在區間[0,255]內取離散值,當c=1時,可能存在灰度亮飽和(i≥mean時)和暗飽和(i 此處考慮了亮飽和和暗飽和的影響。 經過對大量不同c(c>0)的實驗,證實了上述算法的正確性。 (5)分析減小對比度時的變換算法。利用Photoshop的亮度/對比度功能,減小圖像對比度10%后的直方圖如圖4所示。 ? (6)比較圖2和圖4,發現圖像對比度變換前后,圖像的灰度均值仍未變(分別為121.34和121.33,小數點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個方向向其集中。同樣,從灰度標準差的變化(18.84~17.00)也可得出此結論。類似式(1),可推測此時的對比度變換算法形式為: (7)利用Photoshop的亮度/對比度功能,減小圖像對比度100%,得到等值圖像,即僅存在與mean最接近的離散灰度值。結合式(3),當c=-1時(即減少圖像對比度100%)有: 即將區間[0,255]壓縮至[-mean·c,255+(255-mean)·c]。
經過對大量不同c(c<0)的實驗,也證實了上述算法的正確性。綜合式(2)及式(4),得到Photoshop所采用的對比度變換算法如下: 需要指出的是,在分析c>0情況下的對比度變換算法時,為了避免變換后圖像灰度出現亮飽和或暗飽和,原始圖像的灰度應分布在區間[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比度變換后再對原始圖像進行分析。
4? 結? 論 本文采用試驗設計方法,研究了Photoshop中對比度變換算法的實現。事實上,對于Photoshop中的其他圖像處理算法均可將其看作一個黑箱,采用試驗設計方法,通過設計恰當的實驗圖像,反向推導出其實現細節。 ? 參考文獻 1? 魏勝鋒.Photoshop 6.0技巧與實例.北京:人民郵電出版社,2001 2? 向世明.Visual C++數字圖像與圖形處理.北京:電子工業出版社,2002 3? Sadjadi F.Experimental Design Methodology:the Scientific Tool for Performance Evaluation.In:Proc of SPIE,Orlando,1990
