Geometry & Recognition

Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization (CLAHE). CLAHE는 영상의 평탄화 (histogram equalization) 과정에서 contrast가 과도하게 증폭이 되는 것을 방지하도록 설계된 adaptive algorithm의 일종이다. CLAHE algorithm은 전체 영상 영역을 바로 적용하지 않고 tile이라 불리는 작은 영역으로 영상을 분할하여 tile 별로 적용한다. 그리고 인접하는 tile 간에 bilinear 보간을 사용함으로써 tile 경계에서 급격한 변화가 생기는 것을 방지한다. gray 영상에 CLAHE 알고리즘을 적용하면 영상의 contrast을 개선해 준다. 그리고 컬러 영상에도 적용을 할 수 있는데, 보통 luminance 채널에만 적용한 결과(HSV로 변환 후 V에 대해서만 적용)가 RGB 각 채널별로 적용하는 것보다 좋은 결과를 준다.

아래는 RGB 영상의 각 채널에 CLAHE 알고리즘을 적용한 결과이다.

rgn: 히스토그램을 구하는 이미지 상의 영역;

tile: adaptive HE가 적용되는 영역

첫 행/열 tile의 폭/높이 = rgn 폭/높이의 절반

마지막 tile 크기 = 이미지의 나머지 폭/높이 

cliplimit = 각 영역의 히스토그램 슬롯당 들어가는 최대 픽셀 수

/* "Graphics Gems IV" 의 code를 수정함;
** 2023-01-13 updated: 이미지 사이즈가 rgn 사이즈의 정수배가 되지 않을 때 문제 해결;*/
int CLAHE ( BYTE* image, int width, int height,
            BYTE gMin/*0*/, BYTE gMax/*255*/, int rgn_nx/*16*/, int rgn_ny/*16*/,
            int bins/*256*/, double fcliplimit )
{
    std::vector<int> map_array(rgn_nx * rgn_ny * bins);
    int rgn_xsz		= width / rgn_nx;
    int rgn_ysz		= height / rgn_ny; 
    int rgn_area	= rgn_xsz * rgn_ysz;
    int clipLimit	= int( fcliplimit * ( rgn_xsz * rgn_ysz ) / bins );
    clipLimit = ( clipLimit < 1 ) ? 1 : clipLimit;
    //  
    /* calculate greylevel mappings for each contextual region */
    for (int iy = 0; iy < rgn_ny; iy++) {
        for (int ix = 0; ix < rgn_nx; ix++) {
            int *hist = &map_array[bins * ( iy * rgn_nx + ix )];
            int start = (iy * rgn_ysz) * width + ix * rgn_xsz;
            RgnHistogram (&image[start], width, rgn_xsz, rgn_ysz, hist, bins);
            ClipHistogram ( hist, bins, clipLimit );
            //convert hist to cuimulative histogram normalized to [gMin=0, gMax=255]
            MapHistogram ( hist, gMin, gMax, bins, rgn_area );
        }
    }

    /* bilinearInterp greylevel mappings to get CLAHE image */
    /* 첫열/행에 해당하는 타일은 rgn의 절반 크기만 처리하므로 ix(iy)는 0~rgn_nx(rgn_ny)까지임*/
    int szx, szy, ixl, ixr, iyt, iyb;
    BYTE *first_tile = &image[0]; // 같은 iy를 갖는 첫 타일의 주소;
    for (int iy = 0; iy <= rgn_ny; iy++ ) {
        if ( iy == 0 ) {				
            // 첫 타일은 절반만;
            szy = rgn_ysz / 2; iyt = iyb = 0;
        } else if ( iy == rgn_ny ) {
            // 마지막 타일은 나머지 전부;
            szy = height - ((rgn_ny-1)*rgn_ysz + rgn_ysz/2);
            iyt = rgn_ny - 1; iyb = iyt;
        } else {
            szy = rgn_ysz; iyt = iy - 1; iyb = iyt + 1;
        }
        BYTE *ptile = &first_tile[0]; //각 타일의 시작 주소;
        for (int ix = 0; ix <= rgn_nx; ix++ ) {
            if ( ix == 0 ) {	
                //첫 타일은 절반만;
                szx = rgn_xsz / 2; ixl = ixr = 0;
            } else if ( ix == rgn_nx ) {		
                //마지막 타일은 나머지 전부;
                szx = width - ((rgn_nx-1)*rgn_xsz + rgn_xsz/2);
                ixl = rgn_nx - 1; ixr = ixl;
            } else {
                szx = rgn_xsz; ixl = ix - 1; ixr = ixl + 1;
            }
            // cumulative histogram data;
            int *LU = &map_array[bins * ( iyt * rgn_nx + ixl )];
            int *RU = &map_array[bins * ( iyt * rgn_nx + ixr )];
            int *LB = &map_array[bins * ( iyb * rgn_nx + ixl )];
            int *RB = &map_array[bins * ( iyb * rgn_nx + ixr )];
            BilinearInterp (ptile, width, LU, RU, LB, RB, szx, szy );
            ptile += szx;			  
        }
        first_tile += szy * width;
    }
    return 0;						 
}

void ClipHistogram ( int* hist, int gLevels, int clipLimit ) {
    int excess = 0;
    for (int i = 0; i < gLevels; i++ ) { /* calculate total number of excess pixels */
        int diff =  hist[i] - clipLimit;
        if ( diff > 0 ) excess += diff;	 /* excess in current bin */
    };

    /* clip histogram and redistribute excess pixels in each bin */
    int incr = excess / gLevels;		/* average binincrement */
    int upper =  clipLimit - incr;		/* bins larger than upper set to cliplimit */
    for (int i = 0; i < gLevels; i++ ) {
        if ( hist[i] > clipLimit ) hist[i] = clipLimit; /* clip bin */
        else {
            if ( hist[i] > upper ) {			/* high bin count */
                excess -= hist[i] - upper;
                hist[i] = clipLimit;
            } else {							/* low bin count */
                excess -= incr;
                hist[i] += incr;
            }
        }
    }

    while ( excess ) { /* redistribute remaining excess  */
        int start = 0;
        while ( excess && start < gLevels) {
            int step = gLevels / excess;
            if ( step < 1 ) step = 1;		 /* step size at least 1 */
            for (int i = start; i < gLevels && excess; i += step) 
                if (hist[i] < clipLimit) { 
                    hist[i]++; excess--;
                }
            start++;
        }
    }
}
void BilinearInterp ( BYTE * image, int stride, 
                    int* LU, int* RU, int* LB,  int* RB,
                    int rgn_xsz, int rgn_ysz ) {
    int area = rgn_xsz * rgn_ysz; /* Normalization factor */
    for (int y = 0, yrev = rgn_ysz; y < rgn_ysz; y++, yrev--) {
        BYTE *line = &image[y * stride];
        for (int x = 0, xrev = rgn_xsz; x < rgn_xsz; x++, xrev-- ) {
            int v = line[x]; /* get histogram bin value */
            v = (yrev * ( xrev * LU[v] + x * RU[v] ) + y * ( xrev * LB[v] + x * RB[v] ) ) / area;
            line[x] = v > 255 ? 0xFF: v < 0 ? 0x00: v;
        }
        //image += stride - rgn_xsz;  // goto the beginning of rgn's next-line;
    }
}
void RgnHistogram ( BYTE* image, int stride, int rgn_xsz, int rgn_ysz, 
                        int* hist, int gLevels) {
    // image is pointing the beginnign of a given region;
    for (int i = 0; i < gLevels; i++ ) hist[i] = 0;
    for (int y = 0; y < rgn_ysz; y++ ) {
        BYTE *line = &image[y * stride];
        for (int x = 0; x < rgn_xsz; x++)
            hist[line[x]]++;
    }
}
// transform hist[] to a normalized cumulative histogram;
void MapHistogram ( int* hist, BYTE gMin, BYTE gMax, int gLevels, int rgn_area ){
    double scale = double( gMax - gMin ) / rgn_area;
    int iMin = int(gMin);
    for (int i = 0, sum = 0; i < gLevels; i++ ) {
        sum += hist[i];
        int a = int(iMin + sum * scale );
        hist[i] = a > gMax ? gMax: a < gMin ? gMin: a;
    }
}