vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2021-66-4-470-482vestift-704Research ArticleРАДИОЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕRADIOELECTRONICS AND INSTRUMENT-MAKINGУменьшение динамического диапазона инфракрасных изображений на основе адаптивного выравнивания, растяжения и сжатия гистограммыDynamic range reduction of infrared images based on adaptive equalization, stretch and compression of histogramhttps://orcid.org/0000-0002-9612-9487РудиковС. И.RudikovS. I.

Рудиков Станислав Игоревич – магистр технических наук, заместитель директора по информационным технологиям

ул. Макаенка 23/1, 220114, Минск, Республика Беларусь

Stanislav I. Rudikov – Master of Engineering, Information Technology Deputy Director

6, Brovka Str., 220013, Minsk, Republic of Belarus

stanislav.rudikov@gmail.comЦветковВ. Ю.TsviatkouV. Yu.

Цветков Виктор Юрьевич – доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой инфокоммуникационных технологий

ул. П. Бровки, 6, 220013, Минск, Республика Беларусь

Viktar Yu. Tsviatkou – D. Sc. (Engineering), Associate Professor, Head of the Department of Infocommunications

6, Brovka Str., 220013, Minsk, Republic of Belarus

vtsvet@bsuir.byШкадаревичА. П.ShkadarevichA. P.

Шкадаревич Алексей Петрович – академик Национальной академии наук Беларуси, доктор физико-математических наук, профессор, директор унитарного предприятия

ул. Макаенка, 23/1, 220114, Минск, Республика Беларусь

Alexey P. Shkadarevich – Academician of the National Academy of Science of Belarus, D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, CEO

23/1, Makayonok Str., 220114, Minsk, Republic of Belarus

office@lemt.byНаучно-технический центр «ЛЭМТ» БелОМОScientific and Technical Center LEMT of the BelOMOБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics202126122021664470482Copyright © Рудиков С.И., Цветков В.Ю., Шкадаревич А.П., 20212021Рудиков С.И., Цветков В.Ю., Шкадаревич А.П.Rudikov S.I., Tsviatkou V.Y., Shkadarevich A.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/704

Рассматривается задача уменьшения динамического диапазона и улучшения качества инфракрасных (ИК) изображений с широким динамическим диапазоном для их отображения на жидкокристаллической матрице, пиксели которой имеют разрядность 8 бит. Для решения данной задачи в оптико-электронных приборах в реальном масштабе времени широко используются блочные алгоритмы на основе локального выравнивания гистограммы с учетом их относительно низкой вычислительной сложности и возможности учета локальных особенностей распределения яркости. Базовый алгоритм адаптивного выравнивания гистограммы обеспечивает достаточно высокое качество изображений после преобразования, но может приводить к чрезмерной контрастности для некоторых типов изображений. В модифицированном алгоритме адаптивного выравнивания гистограммы контраст ограничивается с помощью порога за счет усечения локальных максимумов на краях гистограммы. Однако это приводит к ухудшению других показателей качества изображения. Данный недостаток свойственен многим алгоритмам локального выравнивания гистограммы наряду с ограниченными возможностями управления характеристиками качества воспроизведения изображений. Для повышения качества и расширения интервала управления характеристиками воспроизведения ИК-изображений предложен алгоритм двойного уменьшения динамического диапазона изображения с промежуточным управлением формой его гистограммы. Данный алгоритм осуществляет предварительное уменьшение динамического диапазона изображения на основе адаптивного выравнивания гистограммы, управление формой гистограммы на основе ее линейного или нелинейного сжатия, линейного растяжения ее центральной части и линейного растяжения (сжатия) ее боковых частей, окончательное уменьшение динамического диапазона на основе линейного сжатия всей гистограммы. Проведено сравнение характеристик предложенного алгоритма с характеристиками известных алгоритмов уменьшения динамического диапазона и улучшения качества изображений. Приведены зависимости характеристик качества воспроизведения изображений после уменьшения их динамического диапазона от параметров управления предложенного алгоритма и рекомендации по их выбору с учетом вычислительной сложности.

The problem of reducing the dynamic range and improving the quality of infrared (IR) images with a wide dynamic range for their display on a liquid crystal matrix with 8-bit pixels is considered. To solve this problem in optoelectronic devices in real time, block algorithms based on local equalization of the histogram are widely used, taking into account their relatively low computational complexity and the possibility of taking into account local features of the brightness distribution. The basic adaptive histogram equalization algorithm provides reasonably high image quality after conversion, but may result in excessive contrast for some types of images. In a modified algorithm of adaptive histogram equalization, the contrast is limited by a threshold by truncating local maxima at the edges of the histogram. This leads, however, to a deterioration in other indicators of image quality. This disadvantage is inherent in many algorithms of local histogram equalization, along with limited control over the characteristics of image reproduction quality. To improve the quality and expand the control interval for the characteristics of the reproduction of infrared images, the article proposes an algorithm for double reduction of the dynamic range of the image with intermediate control of the shape of its histogram. This algorithm performs: preliminary reduction of the dynamic range of the image based on adaptive equalization of the histogram, control of the shape of the histogram based on its linear or nonlinear compression, linear stretching of its central part and linear stretching (compression) of its lateral parts, final reduction of the dynamic range based on linear compression of the entire histograms. The characteristics of the proposed algorithm are compared with the characteristics of known algorithms for reducing the dynamic range and improving the image quality. The dependences of the characteristics of the quality of image reproduction after a decrease in their dynamic range on the control parameters of the proposed algorithm and recommendations for their choice taking into account the computational complexity are given.

уменьшение динамического диапазона изображенийповышение качества воспроизведения изображенийинфракрасные изображениявыравнивание гистограммыуправление формой гистограммыreducing the dynamic range of imagesimproving the quality of image reproductioninfrared imageshistogram equalizationcontrol of the histogram shapeReferencesEnhancement of low illumination images based on an optimal hyperbolic tangent profle / S. C. Liu [et al.] // Comput. Electr. Eng. – 2018. – Vol. 70. – P. 538–550. https://doi.org/10.1016/j.compeleceng.2017.08.026Liu S. C., Liu S., Wu H., Rahman Md. A., Ching-Feng Lin S., Wong C. Y., Kwok N., Shi H. Enhancement of low illumination images based on an optimal hyperbolic tangent profile. Computers & Electrical Engineering, 2018, vol. 70, pp. 538–550. https://doi.org/10.1016/j.compeleceng.2017.08.026Zhi, N. An enhancement algorithm for coal mine low illumination images based on bi-Gamma function / N. Zhi, S. Mao, M. Li // J. Liaoning Tech. Univ. – 2018. – Vol. 37, №1. – P. 191–197. https://doi.org/10.11956/j.issn.1008-0562.2018.01.034Zhi N., Mao S., Li M. An enhancement algorithm for coal mine low illumination images based on bi-Gamma function. Journal of Liaoning Technical University, 2018, vol. 37, no. 1, pp. 191–197. https://doi.org/10.11956/j.issn.1008-0562.2018.01.034Nithyananda, C. R. Review on Histogram Equalization based Image Enhancement Techniques / C. R. Nithyananda, A. C. Ramachandra, Preethi // 2016 International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques (ICEEOT). – Chennai, 2016. – P. 2512–2517. https://doi.org/10.1109/ICEEOT.2016.7755145Nithyananda C. R., Ramachandra A. C., Preethi. Review on Histogram Equalization based Image Enhancement Techniques. 2016 International Conference on Electrical, Electronics, and Optimization Techniques (ICEEOT). Chennai, 2016, pp. 2512–2517. https://doi.org/10.1109/ICEEOT.2016.7755145Kim, T. K. Contrast enhancement system using spatially adaptive histogram equalization with temporal fltering / T. K. Kim, J.K. Paik, B. S. Kang // IEEE Trans. Consum. Electron. – 1998. – Vol. 44, №1. – P. 82–87. https://doi.org/10.1109/30.663733Kim T. K., Paik J. K., Kang B. S. Contrast enhancement system using spatially adaptive histogram equalization with temporal filtering. IEEE Transactionson Consumer Electronics, 1998, vol. 44, no. 1, pp. 82–87. https://doi.org/10.1109/30.663733Reza, A.M. Realization of the contrast limited adaptive histogram equalization (CLAHE) for real-time image enhancement / A.M. Reza // Journal of VLSI Signal Process.-Syst. Signal Image Video Technol. – 2004. – Vol. 38, № 1. – P. 35–44. https://doi.org/10.1023/B:VLSI.0000028532.53893.82Reza A. M. Realization of the contrast limited adaptive histogram equalization (CLAHE) for real-time image enhancement. The Journal of VLSI Signal Processing-Systems for Signal, Image, and Video Technology, 2004, vol. 38, no. 1, pp. 35–44. https://doi.org/10.1023/B:VLSI.0000028532.53893.82Nandal, A. Contrast-based image enhancement algorithm using greyscale and color space / A. Nandal, V. Bhaskar, A. Dhaka // IET Signal Process. – 2018. – Vol. 12, №4. – P. 514–521. https://doi.org/10.1049/iet-spr.2017.0272Nandal A., Bhaskar V., Dhaka A. Contrast-based image enhancement algorithm using greyscale and color space. IET Signal Processing, 2018, vol. 12, no. 4, pp. 514–521. https://doi.org/10.1049/iet-spr.2017.0272Xu, Q. Low-light image enhancement algorithm based on the wavelet transform and Retinex theory / Q. Xu, J. Cui, B. Chen // J. Hunan Univ. Arts Sci. – 2017. – Vol. 29, №2. – P. 41–46. https://doi.org/10.1007/s11801-018-8046-5Xu Q., Cui J., Chen B. Low-light image enhancement algorithm based on the wavelet transform and Retinex theory. Journal of Hunan University, Arts Science, 2017, vol. 29, no. 2, pp. 41–46. https://doi.org/10.1007/s11801-018-8046-5Low-Light Image Enhancement via a Deep Hybrid Network / W. Ren [et al.] // IEEE Trans. Image Process. – 2019. – Vol. 28, № 9. – P. 4364–4375. https://doi.org/10.1109/TIP.2019.2910412Ren W., Liu S., Ma L., Xu Q., Xu X., Cao X., Du J., Yang M.-H. Low-Light Image Enhancement via a Deep Hybrid Network. IEEE Transactions on Image Processing, 2019, vol. 28, no. 9, pp. 4364–4375. https://doi.org/10.1109/TIP.2019.2910412Fast Image Enhancement Based on Maximum and Guided Filters / D. Zhu [et al.] // 2019 IEEE International Conference on Image Processing (ICIP). – Taipei, 2019. – P. 4080–4084. https://doi.org/10.1109/ICIP.2019.8803591Zhu D., Chen G., Michelini P. N., Liu H. Fast Image Enhancement Based on Maximum and Guided Filters. 2019 IEEE International Conference on Image Processing (ICIP). Taipei, 2019, pp. 4080–4084. https://doi.org/10.1109/ICIP.2019.8803591Kim, J.-Y. An advanced contrast enhancement using partially overlapped sub-block histogram equalization / J.-Y. Kim, L.-S. Kim, S.-H. Hwang // IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. – 2001. – Vol. 11, № 4. – P. 475–484. https://doi.org/10.1109/76.915354Kim J.-Y., Kim L.-S., Hwang S.-H. An advanced contrast enhancement using partially overlapped sub-block histogram equalization. I EEE Transactions o n C ircuits a nd S ystems for Video Technology, 2001, vol. 11, no. 4, pp. 475–484. https://doi.org/10.1109/76.915354Huang, S.-C. Image contrast enhancement for preserving mean brightness without losing image features / S.-C. Huang, C.-H. Yeh // Engineering Applications of Artifcial Intelligence. – 2013. – Vol. 26, №5. – P. 1487–1492. https://doi.org/10.1016/j.engappai.2012.11.011Huang S.-C., Yeh C.-H. Image contrast enhancement for preserving mean brightness without losing image features. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2013, vol. 26, no. 5, pp. 1487–1492. https://doi.org/10.1016/j.engappai.2012.11.011Al-Sammaraie, M.F. Contrast enhancement of roads images with foggy scenes based on histogram equalization / M.F. Al-Sammaraie // 10th International Conference on Computer Science and Education (ICCSE). – Cambridge, 2015. – P. 95–101. https://doi.org/10.1109/ICCSE.2015.7250224Al-Sammaraie M. F. Contrast enhancement of roads images with foggy scenes based on histogram equalization. 10th International C onference o n C omputer S cience a nd E ducation ( ICCSE). Cambridge, 2015, pp. 95–101. https://doi.org/10.1109/ICCSE.2015.7250224

The authors declare that there are no conflicts of interest present.