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一 提升图像对比度和亮度

一般来说图像的变换可以分成以下两类：
(1)像素变换
在像素变换中，仅仅根据输入的像素值（有时可能加上某些全局信息或者参数）来计算相应的输出像素值。该类变换的常见方法有亮度和对比度调整、颜色校正和颜色变换等等。该类变换可以用下面的通用变换公式来表示。\(f(x,y)\)表示原图像\((x,y)\)处的像素值，\(T\)表示变换函数，\(g(x,y)\)表示输出图像\((x,y)\)处的像素值。可以看到输入仅有当个位置的像素值。
\[ g(x, y) = T[f(x, y)] \]

(2)邻域变换
在邻域变换中，变换函数的输入可以是多个像素所构成的一个邻域，然后根据变换函数计算相应的像素值输出。邻域变换最常见的方法有图像卷积操作。对于图像卷积，假设中心锚点位置为\((x,y)\)，滤波器大小为\(m \times n\)，且\(m\)和\(n\)均为奇数（滤波器大小一般均为奇数）。令\(a = (m-1)/2\)，\(b = (n-1)/2\)，矩阵\(w\)为滤波器系数，原图像为\(f\)，输出图像为\(g\)，则图像的卷积操作可以用下面的通用公式表示。
\[ g(x,y) = \sum_{s=-a}^a \sum_{t=-b}^b w(s,t)f(x+s, y+t) \]

而提升图像对比度和亮度是一个典型的像素变换操作，它的变换公式表示如下。如果你想要提升图像亮度（针对灰度图），那你只需要令\(\alpha = 1\)，并使\(\beta\)的值大于0，使图像的亮度得到一个增益即可。此时，图像的每个像素都将提升\(\beta\)个灰度值。如果你想要提升图像对比度，那你只需要令\(\beta = 0\)，并使\(\alpha\)的值大于1，使得图像相邻像素差值变大从而提升图像的对比度。如果你既要提升对比度和亮度，则只需要选择\(\alpha\)为大于1的合适值和\(\beta\)为大于0的合适值即可。
\[ g(x,y) = \alpha f(x, y) + \beta \]

二 代码实现

OpenCV中提供了一个实现提升图像对比度和亮度的APIconvertTo()如下。

void cv::Mat::convertTo(OutputArray m,      // 输出图像int rtype,          // 输出图像类型，取-1则表示类型与原图相同double alpha = 1,   // alpha值double beta = 0     // beta值
) const;

如果不使用convertTo()，则可以将手写代码实现如下。

#include <iostream>
#include <opencv2/opencv.hpp>using namespace cv;
using namespace std;int main(int argc, char **argv)
{// load source image and show itMat src = imread("D:\\IMG\\lena.jpg", IMREAD_UNCHANGED);if (!src.data){cout << "Error : could not load image." << endl;return -1;}imshow("input", src);// parameters for enhance contrastdouble alpha = 2.0;double beta = 0.0;Mat dst(src.size(), src.type());decltype(src.rows) row, col;for (row = 0; row < src.rows; ++row){for (col = 0; col < src.cols; ++col){// single channel (gray image) or three channels (BGR image) onlyif (src.channels() == 1){int gray = src.at<uchar>(row, col);dst.at<uchar>(row, col) = saturate_cast<uchar>(gray * alpha + beta);}else if (src.channels() == 3){int b = src.at<Vec3b>(row, col)[0];int g = src.at<Vec3b>(row, col)[1];int r = src.at<Vec3b>(row, col)[2];dst.at<Vec3b>(row, col)[0] = saturate_cast<uchar>(b * alpha + beta);dst.at<Vec3b>(row, col)[1] = saturate_cast<uchar>(g * alpha + beta);dst.at<Vec3b>(row, col)[2] = saturate_cast<uchar>(r * alpha + beta);}}}imshow("output (alpha = 2)", dst);waitKey(0);return 0;
}

如果使用APIconvertTo()，则可以简单地作如下实现。

src.convertTo(dst, -1, alpha, beta);

三 实现效果

(1) 单纯提升亮度
原图

手写代码实现，\(\beta\)分别为50、100、150

调用API实现，\(\beta\)分别为50、100、150

(2) 单纯提升对比度
原图

手写代码实现，\(\alpha\)分别为2、3、4

调用API实现，\(\alpha\)分别为2、3、4

(3) 同时提升对比度和亮度，\(\alpha = 3\)，\(\beta = 50\)

可以看到，手写代码实现的效果与调用API实现的效果略有不同，但大体效果是不差多少的。在熟悉了API实现原理之后，以后就可以直接调用API进行实现而无需自己手动写代码实现。