图像处理之对比度、亮度值调整

1 概述

本节我们将学习如何用OpenCV进行图像对比度和亮度值的动态调整。

2 理论依据

首先了解一下算子的概念。一般的图像处理算子都是一个函数，它接受一个或多个输入图像，并产生输出图像。下面是算子的一般形式。

本节所讲解的图像亮度和对比度的调整操作，其实属于图像处理变换中比较简单的一种——点操作（point operators）。点操作有一个特点：仅仅根据输入像素值（有时可加上某些全局信息或参数），来计算相应的输出像素值。这类算子包括亮度（brightness）和对比度（contrast）调整、颜色校正（colorcorrection）和变换 (transformations)。

两种最常用的点操作（或者说点算子）是乘上一个常数（对应对比度的调节）以及加上一个常数（对应亮度值的调节）。公式如下：

看到这个式子，我们关于图像亮度和对比度调整的策略就比较好理解了。其中：

• 参数f（x）表示源图像像素。
• 参数g（x）表示输出图像像素。
• 参数a（需要满足a>0）被称为增益(gain)，常常被用来控制图像的对比度。
• 参数b通常被称为偏置（bias），常常被用来控制图像的亮度。而更近一步，我们这样改写这个式子：

其中，i和j表示像素位于第i行和第j列，这个式子可以用来作为我们在OpenCV中控制图像的亮度和对比度的理论公式。

3 访问图片中的像素

访问图片中的像素有很多种方式，在前面节“访问图像中的像素”中已有过比较系统的讲解。

而为了执行如下运算：

我们需要访问图像的每一个像素。因为是对GBR图像进行运算，每个像素有三个值（G、B、R），所以我们必须分别访问它们（中的图像存储模式为 GBR）。以下是访问像素的代码片段，使用了三个for循环。

// 三个for循环，执行运算 g_dstImage(i,j) = a*g_srcImage(i,j) + b
  for( int y = 0; y < g_srcImage.rows; y++ )
  {
    for( int x = 0; x < g_srcImage.cols; x++ )
    {
      for( int c = 0; c < 3; c++ )
      {
        g_dstImage.at<Vec3b>(y,x)[c] = saturate_cast<uchar>( (g_nContrastValue*0.01)*( g_srcImage.at<Vec3b>(y,x)[c] ) + g_nBrightValue );
      }
    }
  }

让我们分三个方面进行讲解。

• 为了访问图像的每一个像素，使用这样的语法：image．at＜Vec3b＞（y，x）［c］。

其中，y是像素所在的行，x是像素所在的列，c是R、G、B（对应0、1、2）其中之一。

• 因为运算结果可能会超出像素取值范围（溢出），还可能是非整数（如果是浮点数的话），所以要用saturate＿cast对结果进行转换，以确保它为有效值。
• 这里的a也就是对比度，一般为了观察的效果，它的取值为0.0到3.0的浮点值，但是轨迹条一般取值都会取整数，因此在这里我们可以将其代表对比度值的nContrastValue参数设为0到300之间的整型，在最后的式子中乘以一个0.01，这样就完成了轨迹条中300个不同取值的变化。这就是为什么在式子中，会有 saturate＿cast＜uchar (g_nContrastValue0.01)(image.at< Vec3b>(y,x)[c])+g_nE[c]）＋g＿nBrightValue）中的g＿nContrastValue*0.01。

3 示例程序：图像对比度、亮度值调整

本小节依然是一个详细注释的配套示例程序，把本节前文介绍的知识点以代码为载体，展现给大家。 此示例程序用两个轨迹条分别控制对比度和亮度值，详细注释的示例程序代码如下。

//-----------------------------------【头文件包含部分】---------------------------------------
//  描述：包含程序所依赖的头文件
//---------------------------------------------------------------------------------------------- 
#include <opencv2/core/core.hpp>
#include <opencv2/highgui/highgui.hpp>
#include "opencv2/imgproc/imgproc.hpp"
#include <iostream>

//-----------------------------------【命名空间声明部分】---------------------------------------
//  描述：包含程序所使用的命名空间
//-----------------------------------------------------------------------------------------------   
using namespace std;
using namespace cv;


//-----------------------------------【全局函数声明部分】--------------------------------------
//  描述：全局函数声明
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
static void ContrastAndBright(int, void *);
void   ShowHelpText();

//-----------------------------------【全局变量声明部分】--------------------------------------
//  描述：全局变量声明
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
int g_nContrastValue; //对比度值
int g_nBrightValue;  //亮度值
Mat g_srcImage,g_dstImage;
//-----------------------------------【main( )函数】--------------------------------------------
//  描述：控制台应用程序的入口函数，我们的程序从这里开始
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
int main(   )
{
  //改变控制台前景色和背景色
  system("color 2F");  

  ShowHelpText();
  // 读入用户提供的图像
  g_srcImage = imread( "1.jpg");
  if( !g_srcImage.data ) { printf("Oh，no，读取g_srcImage图片错误~！ \n"); return false; }
  g_dstImage = Mat::zeros( g_srcImage.size(), g_srcImage.type() );

  //设定对比度和亮度的初值
  g_nContrastValue=80;
  g_nBrightValue=80;

  //创建窗口
  namedWindow("【效果图窗口】", 1);

  //创建轨迹条
  createTrackbar("对比度：", "【效果图窗口】",&g_nContrastValue, 300,ContrastAndBright );
  createTrackbar("亮   度：", "【效果图窗口】",&g_nBrightValue, 200,ContrastAndBright );

  //调用回调函数
  ContrastAndBright(g_nContrastValue,0);
  ContrastAndBright(g_nBrightValue,0);

  //输出一些帮助信息
  cout<<endl<<"\t运行成功，请调整滚动条观察图像效果\n\n"
    <<"\t按下“q”键时，程序退出\n";

  //按下“q”键时，程序退出
  while(char(waitKey(1)) != 'q') {}
  return 0;
}




//-----------------------------------【ShowHelpText( )函数】----------------------------------
//     描述：输出一些帮助信息
//----------------------------------------------------------------------------------------------
void ShowHelpText()
{
  //输出欢迎信息和OpenCV版本
  printf("\n\n\t\t\t非常感谢购买《OpenCV3编程入门》一书！\n");
  printf("\n\n\t\t\t此为本书OpenCV2版的第27个配套示例程序\n");
  printf("\n\n\t\t\t   当前使用的OpenCV版本为：" CV_VERSION );
  printf("\n\n  ----------------------------------------------------------------------------\n");
}


//-----------------------------【ContrastAndBright( )函数】------------------------------------
//  描述：改变图像对比度和亮度值的回调函数
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
static void ContrastAndBright(int, void *)
{

  // 创建窗口
  namedWindow("【原始图窗口】", 1);

  // 三个for循环，执行运算 g_dstImage(i,j) = a*g_srcImage(i,j) + b
  for( int y = 0; y < g_srcImage.rows; y++ )
  {
    for( int x = 0; x < g_srcImage.cols; x++ )
    {
      for( int c = 0; c < 3; c++ )
      {
        g_dstImage.at<Vec3b>(y,x)[c] = saturate_cast<uchar>( (g_nContrastValue*0.01)*( g_srcImage.at<Vec3b>(y,x)[c] ) + g_nBrightValue );
      }
    }
  }

  // 显示图像
  imshow("【原始图窗口】", g_srcImage);
  imshow("【效果图窗口】", g_dstImage);
}

最后看一下程序的运行截图。运行这个程序会得到两个图片显示窗口：第一个为原图，第二个为效果窗口。在效果窗口中可以调节两个轨迹条，来改变当前图片的对比图和亮度。

原图

效果图