科技创新与应用Ｉ ２０１７年第５期 科技创新 基于遗传算法的视频图像增强研究 何姣 李艳梅 （西华师范大学，四川南充６３７００２） 摘要：由于彩色视频图像Ｒ、Ｇ、Ｂ三个分量并不具有均等的线性表达，因此采用原有的灰度图像算法对三个色彩分量分别进行 增强会产生颜色不协调等问题。为此，文章采用Ｒｅｔｉｎｅｘ模型将原始视频图像转换到亮度和颜色分离的彩色空间，并通过遗传算 法来实现照度信息增强，最终将处理结果转换到ＲＧＢ色彩空间，以取得更好的增强效果。 关键词：智能图像增强；遗传算法；Ｒｅｔｉｎｅｘ模型 １概述 随着信息技术的发展和推广应用，视频的数量越来越多，应用 根据各类色彩空间理论和模型的对比，可以看出ＨＳＩ颜色空间 通过分离色调、饱和度和亮度，在亮度增强时，保持色调和饱和度分 也越来越广泛。由于受到传输通道和存储空间的，视频信息一 般会在进行压缩编码之后再进行传输和存储，此时就需要进行视频 图图像增强，通过提高视频图像的亮度和对比度来获得更好的视觉 效果。传统的视频图像增强大多是使用灰度图像增强方法对彩色视 频图像的ＲＧＢ三个分量进行分别增强后，实现彩色视频图像的增 强。这种方法会导致视频色彩感知的不协调ｌ】ｌ。为此，文章在将彩色 图像映射到ＨＳＩ色彩空间后，使用Ｒｅｔｉｎｅｘ模型实现彩色图像的亮 度分离，并使用遗传算法实现彩色图像两者的分离，以避免灰度图 像增强方法所导致的视频色彩感知不协调问题。 ２相关理论基础 ２．１遗传算法 遗传算法是一种模拟生物进化的智能算法，具有较强全局搜索 能力和并行处理能力的特点。使用遗传算法可以将图像增强问题转 换为参数最优化问题。简单遗传算法流程如下所示口： （１）初始化，确定染色体的编码方式，并随机产生若干染色体来 建立处置种群，讲图像增强问题转换为遗传基因描述。 （２）确定图像增强处理的目标函数来计算染色体的拟合函数 值。 （３）遗传优化过程，使用选择算子实现染色体配对，通过变异算 子和交叉产生相应后代。 （４）更新，产生染色体种群的后代。 （５）重复第（２）、（３）、（４）步，直到找到足够优秀的染色体，或者 迭代次数超过预设的值，将现有种群中的最优解作为问题的最优 解。 ２．２ Ｒｅｔｉｎｅｘ理论 在彩色视频图像处理过程中，必须要考虑色彩和对比度感知的 一致性，以及图像的完整效果。因此，在进行视频图像的处理时，应 该加入人类感知图像模型。Ｒｅｔｉｎｅｘ模型是目前研究较多的色彩感 知增强处理模型，其本质基于照度与反射分离的，实现图像色彩动 态范围拉伸、细节增强、恒常性等因子动态平衡的视觉模型理论［３１。 其具体的表达式如下所示。 ｌ（ｘ，Ｙ）＝Ｒ（ｘ，ｙ）ｘＬ（ｘ，Ｙ） 其中，Ｉ（ｘ，ｙ）表示输入图像，Ｒ（ｘ，ｙ）为图像的发射分量，Ｒ（ｘ，Ｙ） 为图像的照度分量。在食品图像处理过程中，首先将视频图像按照 如式（１）所示的方式首先亮度与色度的分离，通过如式（２）所示的卷 积运算进行连读评估。 Ｌ（ｘ，Ｙ）＝ｌ（ｘ，），） Ｆ（ｘ，Ｙ） （２） 其中卷积函数Ｖ（ｘ，ｙ）常采用Ｇａｕｓｓｉａｎ核滤波器 。 ３视频图像增强算法设计 视频图像增强算法的整体流程如图１所示。 图１视频图像增强算法流程图＿引 如图１所示，视频图像增强算法流程步骤如下所示 ３．１ ＲＧＢ到ＨＳＩ的色彩空间变换 ——５４—— 量不变，消除颜色增强带来的颜色偏移，保持自然色彩，是的视频图 像增强更符合人类感知特性。ＲＧＢ色彩空间想ＨＩＳ颜色空间的转 变，需要分别计算ＨＳＩ的分量。 （１）饱和度分量Ｈ的计算 ：ＪＩ ３６０一 ０ 一 ＞０ ０ ｆ３） 其中， ：Ｒ＿Ｂ和ｐ＝Ｒ＿Ｇ为颜色差值，。：眦。。 ｆＩ（—０竺ｌ ＋ｐ（ｐ一０【）） ｊ｝ 。 （２）饱和度分量Ｓ的计算 Ｓ＝１—３・ｍ （４） Ｓ 其中，ｓ＝Ｒ＋Ｇ＋Ｂ，ｍ＝ｍｉｎ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）。 （３）亮度分量Ｉ的计算 Ｉ 丁Ｓ （５） ３．２基于Ｒｅｔｉｎｅｘ模型的亮度分离 采用Ｒｅｔｉｎｅｘ模型，实现采用ＨＳＩ模型描述的彩色视频图像中 亮度分量Ｉ的分离。分离后，由亮度图Ｌ表示Ｉ信息的低频部分，由 反射图Ｒ表示Ｉ信息的高频部分。根据２＿２节所研究的Ｒｅｔｉｎｅｘ模 型，来计算Ｉ的亮度图和发射图。 其中所使用的Ｇａｕｓｓｉａｎ核函数设计如式（６）所示。 ｆ～ｆ ＋ｖ：１１ Ｚ（ｘ，Ｙ）一ｑ－ｅｘｐＩ Ｉ—ｊｃ Ｊｌ （６） 使用Ｇａｕｓｓｉａｎ实现亮度图Ｌ估计的数学表达式如式（７）所示。 ∑ｉ，ｃ（１ｌｐ— ）ｃ（１ｌｐ—ｓｌｌ， 。） （ ，Ｏ－ｈ，盯 ）＝ ∑ｃ（１ｌｐ－ ）ｃ（１ｌｐ－ ） （７） ｐＣ 其中，Ｎ 的表达式为Ｎ ＩＬ Ｓ Ｋ Ｓｙ＋Ｋ ｊＩ 。 ３．３基于遗传算法的亮度增强 采用非线性变化函数进行亮度增强，使得增强后的视频图像更 能适应人眼感知要求，非线性变化函数采用文献［１］所中提出Ｔ（ｕ）的 函数进行图像亮度的拟合。 丁（ ） （８） 其中，ｄ和Ｂ为调整亮度值的曲线形状控制参数，若 ＜Ｂ，则主 要增强图像较暗的部分；若 ＝Ｂ，则主要增强图像的中间区域；若 ＞Ｂ，则主要增强图像较亮的拉伸。 如２．１节对遗传算法的研究可以看出，使用遗传算法来增强视 频图像的亮度时，需要进行图像亮度分量信息的编码设计，选择算 子、交叉算子和变异算子的设计，和目标函数的设计。 （１）亮度分量信息的编码 在遗传算法中，使用二进制编码方式更适合染色体的操作，亮 度的范围分布为【０，２５５］，因此采用一个字节来表示遗传算法中得一 个染色体，亮度值Ｌ与新亮度值Ｂ之间的对应关系如式（９）所示。 ２０１ ７年第５期ｌ科技创新与应用 如 ２、 Ｉ ３干¨『殳１ ４所示，他川埘 硼 像ｎ０ Ｒ、（ 、Ｂ 个分 ‘ （ （９） 分圳增强的Ｈ 法处理后的似 像虽然 体亮度得刮ｒ Ｊｉｆ＇ｊ＇￣ ， ，△（ ｉ＜一ｌ ｆＩｉ址视频 像的刈比度和饱手¨ 受刘丁影响； 他Ｊｌ Ｊ殳 Ｊ 遗ｆ ｔ， 为０：１ｔ －ｚ洲， ｉ．Ｉ ‘ ，Ａ【ｉ一１＿）＝Ｂ㈩ｉ Ｂ（ｉ １） 舒：法的 像增强处 算法处 的 蛳罔像．４ 仪 坝 像 ｝业 过 Ｊ ｆｎ｛Ｊ输…一 Ｊ Ｉ 的计钎： （１０）所 得到厂整体增姒，同Ｉｉ、ｆ也增强ｒ ＿殳１像的刈‘比度，『Ｉｊ 以扶 的视觉效果 （ ） ２５５ （ ） ∈［ ，‘ ］ １０） ５结束讲 义章／＋＃０１：究的 ｒ遗传钟：法的 像增ｇ＇ｉ 。法．１ｆｆ－ 像的 （２）选扦竹ｊ－．、交义？’：】 ｉ＇１９没汁 Ｒ（，ＦＩ彩包空川，转换为世』ＪｆＩ符 人类 觉特 的ｔｔＳＩ色彩。 ｛Ｊ俄 选择 ’：ｊ 干¨ 义 ｒｊ，『勺 Ｊ ‘法 ‘轮艇和联赛两利ｔ 法，根据 ， ， 采川ＲｅＩ ｉｘ摸Ｊｌ４对其 Ｉ・的从 分 逊｛ 分解．使川ｔ遗ｆ０钟：法 史献ｌ２ｍ勺 ，选扦铆．ｒ采川联赛ｆＪ【圳，交叉算予采ｊｔ Ｊ直接搜 埘分解后的亮 ｆ． 息进行增 处 ．以 的 ￣Ｊ＇ｌｆｇＥｔ，＼效 验 索，求５￣；ｔｉｌＪ ｒ雠迎瞍．避 扶ｆ：｝Ｊｌ０酃最优 粜世表『Ｊ月丁义常基Ｊ 遗传钟‘法的 像 ｔＹ．…］．ｉ１￣一．Ｉ 钟‘法处 Ｊ 的 （３）Ｉ Ｉ ｊ 数的没汁 ｛坝 像可以挟褂哑女ｒ的视觉设 史章所采川的遗ｆＵ０：浊的ｆ】 数采川改进的Ｓｉｇｉｎ（，ｉｔＩ 数， 参考文献 』Ｃ表 式／ＸｌｌＪ （Ｉ１）所爪 ｌ１ １Ｎ．Ｒｅｙａｄｈ，Ａ．一Ｓ Ａｌｎ １．（ Ｉ）ＩＯｌ ｉｍａｇ（ ｃｌｉｔｍｎ《‘｛ ｌＩ１（ ｎｌ Ｉ】ｓＩｌ１ ＨＩｔ・川ｌ、 ｌ ｓｔａｌｅ ｇｅｎｔＡｉｕ ａｌｇｏｔ’ｉｌｈｍ ｌ Ｊ Ｉ Ｗ… ‘’Ｉ （：ｔｍ１ｆ１ＩＩ… ｒ ａｌｌｌｌ ｌｌ１ｆｉｆ￣ｒｍａｔｉ（）Ｉ１ ｔ・Ｉｍｏｈ ．Ｉｏｔｕ¨ｉｌｌ’！（）Ｉ２，２（６）：Ｉ ８４—１９２． ，玎 ｌ ｇ ’）Ｊ 『２ Ｌ Ｊｖｉｉｉ Ｗｉｉｅｓｉｎｇｈｅ Ｉ）ａｋｓｈｉｌｈ，、０１１（ｈ＇ｅｇ（）ｐｌｉｎｌｉｚａｔｉ￣ｌＩ１‘ＪＩ ｔ ｛－ｄ ｈ ｌｌＰ『ｌｌ－Ｉ１ ｄｅｓｉｇｎ｜ＩＳｉ Ｊｉｇ ａ ¨ｉｅｔｉ￣・ａｌｇ．ｔ ｉｌｈｍ『Ｊｌ Ｉｔｌｈ ｉ’ｎａｌｉｏｎａ１．Ｉ，）ｌｎｌｉｌｔ Ｊ Ｉ】ｆ＇ ｔｌ１．ｇ（、 ）＆爪（ｘ．ｖ）处的像豢仳，ｉｉ Ｌｌ 常 ，ＩＩＩ，免Ｊ耍缩放阀 Ｍｉｉ１ｉｉ１ ｔ．￣Ｓｃｉｅｎｃ￣￣ｌｔｌ（ＴｅｃｌＩ ｍｏｈ 咄ｖ，２（） Ｉ６ Ｉ， Ｉ （１５ ４６Ｉ）： ４６４ 一 ．Ｉ３１孙玲姣．基于ｌ／ｅｔｉｎｅｘ理论的图像增强算法研究…．数码世脊， 他川遗ｆ０ 泣耶 屯成 免 Ｉ 的增 之 ，与 ｌ４ｌｆ Ｒ结 １０ｌ６．１２（１）：７８—８０． ， Ｍ 成￣ ．ｉｆｆｌ Ｉｌｌ 像的从瞍 Ｉ，许 ｊ 的色阍ｔｔ ｆＩ１饱和 ｓ １４１＋ｆ－－Ａ，杨会戍．朱雷一种改进的Ｒｅｔｉｎｅｘ霉天图像清晰化算法ｌ－ 】Ｉ．１ 结介，ｌ０Ｉ— ｆ｛Ｊ Ｊ Ｉｃ 竹 后ｎ０｝ 跏！ １像 重庆理工大学学报（自然科学），２０Ｉ６，１Ｏ（１５）：３２～３６． ４ 像增强实验 １５ｌ（＝＿ Ｍｉｌｌｌｔａｅｎｔｉ， Ａ． Ｒｏｓａ． Ｃｏｌｏｒ ｉｉｎａｇｉ－ ｔ Ｔｉｈｔｌｌｌｔ’Ｐｔｉｌｅｌｌｌ ｌｉｓｈｌｇ 乃ｒ验ｉＩＩ！ 像增 法的效 ，采川ＭＡＴＬＡＢ软什对小 （＇ＶＯＩｕｔｉｏｎⅡｌ＇ｖ ｐｌ，ｉｎ（・ｉｐｉｅｓ ａｌｌｄ ＩＩ１ｌ－ｉｌ！ｌｉＩｌＯＸ ｔｔｉｅｌ 、 ｏｔ（・（）ｌ‘儿ｔ，ｏｒｌｓｔａｌｌ（・ｖＩ【：Ｉ． 川场景的 自制 像进＂埘 像增 比 验 对比的力 法 ｆ０统… ｔ ｉＩｌ （）Ｉ Ｉｌｉｅ ｓｉｇＩｌ １Ｉ ＩｌｌＣｌ（・ｅｓｓｉｎｇ ｓｔ ｅｌｙⅥＯＩ’ｋｓｈｏｐ Ｉｉｌｌ 像增 （刈 频 的ｉ Ｉ｛、（ 、Ｂ 个分艟分别增 的 像增 ｌ１ｔ－ｌｌｎｌｌ ｎｔ ｉＷｏｒｋｓ Ｉ ，ｒ ｓｉｇｎａｌｌ ｐｉｌｌ（－ｔ－ｓｓｉｎｇ．２００ｌ，３９３—４０２ 竹法） ，ｉｊ过Ｉ￣ｌｓＺ￣ｉｆ ！ 像，义 究的 像埔强算法增 之后的 作者简介：何姣（１９９ｌ，０９一），女，汉族，籍贫：四川南充，西华师 视频『冬Ｉ像． 他川传统…一 增 的视频 像的对比，束验 义章 范大学硕士研究生，研究方向：数字图像处理李艳梅（１９７６，０２一）， 昕研究的Ｉ冬Ｉ像增灶算法的【ＩＪ＿｛ｋＰｔ－Ｓ１先进 女，汉族，籍贯：７－ｑ川宜宾，副教授职称，博士，任教西华师范大学，研 分圳埘３俐ｎ： 始 像进｝ｊ．对比 验的结果如 ２、 ３ ｌ和 觅方向：视频图像增强 ４所 ： ａ）原始视频图像 （１，）ＨＥ方法增强后 （ｔ・）文章方法增强后 图２视频图像增强效果对比（１） １）原始视频图像 【ｌ】）ＨＥ方法增强后 ）文章方法增强后 图３视频图像增强效果对比（１） （１））ＨＥ方法增强后 文章方法增强后 图４视频图像增强效果对比（１）
