MFC 实现图像增强–分段式变换

本文使用visual Studio MFC 平台实现图像增强中的第三大类分段式变换中的三种方法，包括Gray-level slicing，Bit-plane slicing，对比度拉伸．
关于其他MFC单文档工程可参考
01-Visual Studio 使用MFC 单文档工程绘制单一颜色直线和绘制渐变颜色的直线

02-visual Studio MFC 绘制单一颜色三角形、渐变颜色边框三角形、渐变填充三角形、边框渐变的正方形与填充渐变的正方形实例
03-visual Studio MFC 平台实现对灰度图添加椒盐噪声，并进行均值滤波与中值滤波

一、 Gray-level slicing 灰度级别切片

1.1 灰度级别切片的原理

灰度级别切片（Gray-level Slicing）是一种图像处理技术，其目标是增强或突出显示特定灰度范围内的像素值。这通常用于突出感兴趣的目标或特定区域，并抑制其他区域的细节。

以下是灰度级别切片的基本原理：

1. 选择灰度范围： 定义一个或多个灰度范围，这些范围内的像素将被保留或增强，而其他像素将被抑制。

2. 设置增强值： 对于选择的灰度范围内的像素，可以将它们的灰度值增强为更高的亮度值，以使其在最终图像中更为突出。

3. 抑制其他灰度范围： 对于未选择的灰度范围，可以将它们的灰度值设置为较低的亮度值，从而降低它们在最终图像中的显著性。

4. 生成增强后的图像： 根据上述操作生成最终的图像，其中特定灰度范围内的像素得到了增强，而其他像素则被抑制。

这种方法的应用场景包括：

• 目标突出显示： 当你想突出显示图像中的某个特定区域或目标时，可以使用灰度级别切片来使该区域更为显著。

• 降低背景噪声： 如果图像中存在噪声或其他不相关的信息，可以通过灰度级别切片来降低这些不相关信息的影响。

1.2 灰度级别切片的代码实现

void CMFCApplication1View::OnGrayLevelSlicing()
{if (gray_data != nullptr) {unsigned char* enhanced_data = new unsigned char[bmpWidth * bmpHeight];int lower_threshold = 100;  // 定义下限阈值int upper_threshold = 200;  // 定义上限阈值for (int i = 0; i < bmpWidth * bmpHeight; ++i) {if (gray_data[i] >= lower_threshold && gray_data[i] <= upper_threshold) {// 在选择的灰度范围内增强像素值enhanced_data[i] = 255;} else {// 在其他范围内抑制像素值enhanced_data[i] = 0;}}// 获取绘图设备CClientDC dc(this);CDC* pDC = &dc;// 绘制增强后的灰度图m_pBmp->drawGrayBmp(pDC, enhanced_data, bmpWidth, bmpHeight, offset_left + 1100, offset_top);// 在图片下方添加文字GdiplusStartupInput gdiplusStartupInput;ULONG_PTR gdiplusToken;GdiplusStartup(&gdiplusToken, &gdiplusStartupInput, nullptr);{Graphics graphics(pDC->m_hDC);Gdiplus::Font font(L"Arial", 12);SolidBrush brush(Color(255, 128, 0, 128));  // 文字颜色为紫色// 文字的位置PointF point(offset_left + 1100, offset_top + bmpHeight + 10);// 绘制文字graphics.DrawString(L"灰度级别切片", -1, &font, point, &brush);}GdiplusShutdown(gdiplusToken);// 释放内存delete[] enhanced_data;} else {// 处理图像未加载的情况AfxMessageBox(_T("未加载图片"));}
}

上述代码将在图像中选择一个灰度范围进行增强，并在最终图像中突出显示该范围。

1.3 实现效果

二、 Bit-plane slicing

2.1 Bit-plane slicing 原理

Bit-plane slicing 是一种图像处理技术，它将图像的每个像素的二进制表示按位切割，然后将每个位平面（bit plane）单独显示。这种技术可以用于分析和可视化图像的信息，从而更好地理解图像的结构和特征。

以下是 Bit-plane slicing 的基本原理：

1. 二进制表示： 对于每个像素，将其灰度值转换为二进制表示。例如，8 位灰度图像的像素值在二进制中有 8 位。

2. 按位切割： 对每个像素的二进制表示，将其按位进行切割。例如，一个像素的 8 位二进制表示可以分为 8 个位平面，每个平面代表一个二进制位。

3. 单独显示： 将切割得到的每个位平面单独显示。这意味着显示第一位平面、第二位平面，以此类推。

4. 可视化： 通过观察每个位平面的图像，可以更好地理解图像的结构和像素之间的关系。低位平面通常包含图像的全局信息，而高位平面包含更多的细节信息。

5. 合成： 可以选择将其中一些位平面重新合成为新的图像，以突出显示某些特定特征或信息。

Bit-plane slicing 主要用于图像分析、图像压缩和图像增强。在分析中，它可以帮助识别图像中的模式和结构。在压缩中，某些位平面可以舍弃以减小图像的大小。在增强中，选择特定位平面可以突出显示某些特征。

2.2 Bit-plane slicing代码实现

void CMFCApplication1View::OnBitplaneSlicing()
{if (gray_data != nullptr) {// 获取绘图设备CClientDC dc(this);CDC* pDC = &dc;// 选择要显示的位平面，这里选择第 3 位平面（从右往左数）int bit_plane = 3;// 创建临时数组用于存储位平面数据unsigned char* bit_plane_data = new unsigned char[bmpWidth * bmpHeight];// 提取位平面数据for (int i = 0; i < bmpWidth * bmpHeight; ++i) {bit_plane_data[i] = (gray_data[i] >> bit_plane) & 1;}// 缩放位平面数据以便显示int scale_factor = 255;for (int i = 0; i < bmpWidth * bmpHeight; ++i) {bit_plane_data[i] *= scale_factor;}// 绘制位平面图像m_pBmp->drawGrayBmp(pDC, bit_plane_data, bmpWidth, bmpHeight, offset_left + 1300, offset_top);// 在图片下方添加文字GdiplusStartupInput gdiplusStartupInput;ULONG_PTR gdiplusToken;GdiplusStartup(&gdiplusToken, &gdiplusStartupInput, nullptr);{Graphics graphics(pDC->m_hDC);Gdiplus::Font font(L"Arial", 12);SolidBrush brush(Color(255, 128, 0, 128));  // 文字颜色为紫色// 文字的位置PointF point(offset_left + 1300, offset_top + bmpHeight + 10);// 绘制文字CString text;text.Format(L"Bit-plane Slicing (Bit %d)", bit_plane);graphics.DrawString(text, -1, &font, point, &brush);}GdiplusShutdown(gdiplusToken);// 释放内存delete[] bit_plane_data;} else {// 处理图像未加载的情况AfxMessageBox(_T("未加载图片"));}
}

上述代码演示了如何选择特定位平面进行切割并显示。在示例中，选择了第 3 位平面，并在图像下方显示了相应的文字。请注意，位平面的选择从右向左进行，从 0 开始。

2.3 实现效果

三、 对比度拉伸

3.1 对比度拉伸的原理

图像的对比度拉伸是一种调整图像对比度的方法，其原理涉及到像素值的映射。对比度表示图像中不同亮度级别之间的差异程度。拉伸对比度的目的是增强图像中的亮度差异，使图像中的细节更加明显。

对比度拉伸的一般原理如下：

1. 找到图像的最小和最大像素值： 遍历整个图像，找到最小和最大的像素值。

2. 定义拉伸函数： 根据找到的最小和最大像素值，定义一个拉伸函数，将原始像素值映射到一个新的范围内。这个映射通常使用线性函数完成，将原始像素值拉伸到一个更广泛的范围。

   公式示例：$$\text{新像素值}=\left(\frac{\text{原始像素值}-\text{最小值}}{\text{最大值}-\text{最小值}}\right)\times \text{新范围大小}$$

3. 应用拉伸函数： 将拉伸函数应用于整个图像，调整每个像素的值。这样，原始图像中的亮度差异将在新的范围内更为明显。

对比度拉伸常用于增强图像中的细节，特别是在图像中存在大量像素集中在低对比度范围内的情况。拉伸过程不改变图像的相对亮度顺序，只是将亮度范围映射到更广泛的范围，以便更好地显示图像的细节。

3.2 对比度拉伸代码实现

//对比度拉伸代码
void CMFCApplication1View::OnContraststretching()
{CClientDC dc(this);CDC* pDC = &dc;if (gray_data != nullptr) {// 寻找图像的最小和最大像素值unsigned int minPixelValue = gray_data[0];unsigned int maxPixelValue = gray_data[0];// 创建临时数组用于对比度拉伸处理unsigned char* temp_data = new unsigned char[bmpWidth * bmpHeight];for (int i = 0; i < bmpWidth * bmpHeight; ++i) {if (gray_data[i] < minPixelValue) {minPixelValue = gray_data[i];}if (gray_data[i] > maxPixelValue) {maxPixelValue = gray_data[i];}}// 对比度拉伸的参数const int newMinPixelValue = 0;const int newMaxPixelValue = 255;// 应用对比度拉伸公式到每个像素for (int i = 0; i < bmpWidth * bmpHeight; ++i) {temp_data[i] = static_cast<unsigned char>((gray_data[i] - minPixelValue) * (newMaxPixelValue - newMinPixelValue) /(maxPixelValue - minPixelValue) + newMinPixelValue);}// 绘制拉伸后的灰度图m_pBmp->drawGrayBmp(pDC, temp_data, bmpWidth, bmpHeight, offset_left + 450, offset_top);// 释放临时数组内存delete[] temp_data;// 更新视图，显示修改后的图像//Invalidate();// 在图片下方添加文字---只为方便查看GdiplusStartupInput gdiplusStartupInput;ULONG_PTR gdiplusToken;GdiplusStartup(&gdiplusToken, &gdiplusStartupInput, nullptr);{Graphics graphics(pDC->m_hDC);Gdiplus::Font font(L"Arial", 12);SolidBrush brush(Color(255,128, 0, 128));  // 文字颜色为紫色// 文字的位置PointF point(offset_left + 450, offset_top + bmpHeight + 10);// 绘制文字graphics.DrawString(L"对比度拉伸后的图", -1, &font, point, &brush);}GdiplusShutdown(gdiplusToken);}else {// 处理图像未加载的情况AfxMessageBox(_T("未加载图片"));return;}
}

3.3 对比度拉伸的实现图