假设有一幅图，由于成象时光照不足，使得整幅图偏暗(例如，灰度范围从0到63)；或者成象时光照过强，使得整幅图偏亮(例如，灰度范围从200到255)，我们称这些情况为低对比度，即灰度都挤在一起，没有拉开。灰度扩展的意思就是把你所感性趣的灰度范围拉开，使得该范围内的象素，亮的越亮，暗的越暗，从而达到了增强对比度的目的。我们可以用图5.5来说明对比度扩展(contrast stretching)的原理。

图5.5     对比度扩展的原理

图5.5中的横坐标g_old表示原图的灰度值，纵坐标g_new表示g_old经过对比度扩展后得到了新的灰度值。a,b,c为三段直线的斜率，因为是对比度扩展，所以斜率b>1。g_1old和g_2old表示原图中要进行对比度扩展的范围，g_1new和g_2new表示对应的新值。用公式表示为

显然要得到对比度扩展后的灰度，我们需要知道a,b,c,g_1old,g_2old五个参数。由于有新图的灰度级别也是255这个约束，所以满足ag_1old+b(g_old-g_1old)+c(255-g_2old)=255这个方程。这样，我们只需给出四个参数，而另一个可以代入方程求得。我们假设a=c，这样，我们只要给出b，g_1old和g_2old，就可以求出

a=(255-b(g_2old-g_1old))/(255-(g_2old-g_1old))

要注意的是，给出的三个参数必须满：(1) b*(g_2old-g_1old)<=255；(2) (g_2old-g_1old)<=255。

下图为图5.1取g_1old=100，g_2old=150 ，b=3.0进行对比度扩展的结果。可以看出亮的区域(雕塑)变得更亮，暗的区域(手)变得更暗。

图5.6     图5.1对比度扩展后的结果

下面的这段程序实现了对比度扩展。首先出现对话框，输入b,g_1old,g_2old的三个参数(在程序中分别是StretchRatio，SecondPoint，FirstPoint)，然后对调色板做响应的处理，而实际的位图数据不用改动。

CODE
BOOL ContrastStretch(HWND hWnd)

{

DLGPROC                                 dlgInputBox = NULL;

       DWORD                           OffBits,BufSize;

LPBITMAPINFOHEADER    lpImgData;

       LPSTR                               lpPtr;

       HLOCAL                   hTempImgData;

       LPBITMAPINFOHEADER    lpTempImgData;

       LPSTR                            lpTempPtr;

       HDC                              hDc;

       HFILE                  hf;

LOGPALETTE                            *pPal;

     HPALETTE                 hPrevPalette=NULL; 

       HLOCAL                  hPal;

       DWORD                i;

       unsigned char                       Gray;

       float                      a,g1,g2,g;

       if( NumColors!=256){ //必须是256级灰度图

MessageBox(hWnd,"Must be a 256 grayscale bitmap!","Error Message",

MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);

             return FALSE;

}

//出现对话框，输入三个参数

       dlgInputBox = (DLGPROC) MakeProcInstance ( (FARPROC)InputBox, ghInst );

       DialogBox (ghInst, "INPUTBOX", hWnd, dlgInputBox);

       FreeProcInstance ( (FARPROC) dlgInputBox );

       if( StretchRatio*(SecondPoint-FirstPoint) > 255.0){ //参数不合法

MessageBox(hWnd,"StretchRatio*(SecondPoint-FirstPoint) can not be larger

than 255!",Error Message",

MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);

return FALSE;

     }

       if( (SecondPoint-FirstPoint) >=255){ //参数不合法

            MessageBox(hWnd,"The area you selected can not be the whole scale!",

"Error Message",MB_OK|MB_ICONEXCLAMATION);

return FALSE;

}

//计算出第一和第三段的斜率a

       a=(float)((255.0-StretchRatio*(SecondPoint-FirstPoint))/

(255.0-(SecondPoint-FirstPoint))); 

       //对比度扩展范围的边界点所对应的新的灰度

       g1=a*FirstPoint;

       g2=StretchRatio*(SecondPoint-FirstPoint)+g1;

       //新开的缓冲区的大小

       OffBits=bf.bfOffBits- sizeof(BITMAPFILEHEADER);

BufSize=OffBits+bi.biHeight*LineBytes;

       if((hTempImgData=LocalAlloc(LHND,BufSize))==NULL)

      {

            MessageBox(hWnd,"Error alloc memory!","Error Message",MB_OK|

MB_ICONEXCLAMATION);

return FALSE;

    }

     lpImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)GlobalLock(hImgData);    

       lpTempImgData=(LPBITMAPINFOHEADER)LocalLock(hTempImgData);

//拷贝头信息和实际位图数据

       memcpy(lpTempImgData,lpImgData,BufSize);

       hDc=GetDC(hWnd);

       //lpPtr指向原图数据缓冲区，lpTempPtr指向新图数据缓冲区

       lpPtr=(char *)lpImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER);

       lpTempPtr=(char *)lpTempImgData+sizeof(BITMAPINFOHEADER);

       //为新的逻辑调色板分配内存

       hPal=LocalAlloc(LHND,sizeof(LOGPALETTE)+

NumColors*sizeof(PALETTEENTRY));

       pPal =(LOGPALETTE *)LocalLock(hPal);

       pPal->palNumEntries =(WORD) NumColors;

       pPal->palVersion    = 0x300;

       for (i = 0; i < 256; i++) {

              Gray=(unsigned char )*lpPtr;

              lpPtr+=4;

              //进行对比度扩展

              if(Gray<FirstPoint) g=(float)(a*Gray);

              else if (Gray<SecondPoint) g=g1+StretchRatio*(Gray-FirstPoint);

              else g=g2+a*(Gray-SecondPoint);

            pPal->palPalEntry[i].peRed=(BYTE)g;

              pPal->palPalEntry[i].peGreen=(BYTE)g;

              pPal->palPalEntry[i].peBlue=(BYTE)g;

              pPal->palPalEntry[i].peFlags=0;

              *(lpTempPtr++)=(unsigned char)g;

              *(lpTempPtr++)=(unsigned char)g;

              *(lpTempPtr++)=(unsigned char)g;

              *(lpTempPtr++)=0;

       }

       if(hPalette!=NULL)                     

              DeleteObject(hPalette);

       //产生新的逻辑调色板

       hPalette=CreatePalette(pPal);

       LocalUnlock(hPal);

       LocalFree(hPal);

       if(hPalette){

              hPrevPalette=SelectPalette(hDc,hPalette,FALSE);

              RealizePalette(hDc);

       }

     if(hBitmap!=NULL)

           DeleteObject(hBitmap);

       //产生新的位图     

       hBitmap=CreateDIBitmap(hDc,(LPBITMAPINFOHEADER)lpTempImgData,

(LONG)CBM_INIT,

(LPSTR)lpTempImgData+

sizeof(BITMAPINFOHEADER) +

NumColors*sizeof(RGBQUAD),

(LPBITMAPINFO)lpTempImgData, DIB_RGB_COLORS);

if(hPalette && hPrevPalette){

              SelectPalette(hDc,hPrevPalette,FALSE);

              RealizePalette(hDc);

       }

     hf=_lcreat("c:\\stretch.bmp",0);

       _lwrite(hf,(LPSTR)&bf,sizeof(BITMAPFILEHEADER)); 

       _lwrite(hf,(LPSTR)lpTempImgData,BufSize);

       _lclose(hf);

       //释放内存和资源

      ReleaseDC(hWnd,hDc);

       LocalUnlock(hTempImgData);

       LocalFree(hTempImgData);

       GlobalUnlock(hImgData);

       return TRUE;

}

削波

削波(cliping)可以看作是对比度扩展的一个特例，我们用图5.7说明削波的原理。

图5.7     削波的原理

不难看出，只要令对比度扩展中的a=c=0就实现了削波。我们只要给出范围的两个端点，斜率b就可以用方程b(g_2old-g_1old)=255求出。

图5.8为图5.1取g_1old=150，g_2old=200 进行削波的结果。把亮的区域(雕塑)提取了出来。

图5.8     图5.1削波处理后的结果

削波的程序和对比度扩展的程序很类似，就不再给出了。

5.6 阈值化

阈值化(thresholding)可以看作是削波的一个特例，我们用图5.9说明阈值化的原理。

图5.9     阈值化的原理

不难看出，只要令削波中的g_1old=g_2old就实现了阈值化。阈值就象个门槛，比它大就是白，比它小就是黑。经过阈值化处理后的图象变成了黑白二值图，所以说阈值化是灰度图转二值图的一种常用方法(我们以前介绍过图案化和抖动的方法)。进行阈值化只需给出阈值点g_1old即可。

图5.10为图5.1阈值取128，阈值化处理后的结果，是一幅黑白图。

图5.10   图5.1阈值化处理后的结果

阈值化的程序和对比度扩展的程序很类似，就不再给出了。

5.7 灰度窗口变换

灰度窗口变换(slicing)是将某一区间的灰度级和其它部分(背景)分开。我们用图5.11和图5.12说明灰度窗口变换的原理。其中[g_1old,g_2old]称为灰度窗口。

灰度窗口变换有两种，一种是清除背景的，一种是保留背景的。前者把不在灰度窗口范围内的象素都赋值为0，在灰度窗口范围内的象素都赋值为255，这也能实现灰度图的二值化；后者是把不在灰度窗口范围内的象素保留原灰度值，在灰度窗口范围内的象素都赋值为255。灰度窗口变换可以检测出在某一灰度窗口范围内的所有象素，是图象灰度分析中的一个有力工具。

下面有三幅图，图5.13为原图；图5.14是经过清除背景的灰度窗口变换处理后的图(灰度窗口取[200-255])，将夜景中大厦里的灯光提取了出来；图5.15是经过保留背景的灰度窗口变换处理后的图(灰度窗口取[200-255])，将夜景中大厦里的灯光提取了出来，同时保留了大厦的背景，可以看出它们的差别还是很明显的。

灰度窗口变换的程序和对比度扩展的程序很类似，就不再给出了。

不久前在一本科学杂志上看到一篇文章，非常有趣，是介绍电影“阿甘正传”的特技制作的。其中有一项就用到了类似灰度窗口变换的思想。相信看过这部电影的读者都会对那个断腿的丹尼上校有深刻的印象。他的断腿是怎么拍出来的呢？其实方法很简单，先拍一幅没有演员出现的背景画面，然后拍一幅有演员出现，其它不变的画面。要注意的是，此时演员的腿用蓝布包裹。把前后两幅图输入计算机进行处理。第二幅图中凡是遇到蓝色的象素，就用第一幅图中对应位置的背景象素代替。这样，一位断腿的上校就逼真的出现在屏幕上了。这就是电影特技中经常用到的“蓝幕”技术。

说点题外话。其实现代电影，特别是好莱坞电影，越来越离不开计算机及图象处理技术。最近引起轰动的大片“泰坦尼克号”中的很多特技镜头就是利用了庞大的SGI图形工作站机群没日没夜的计算产生的。图象处理技术和我们所喜爱的电影艺术紧密的结合了起来，更增加了我们学习它的兴趣。