数字图像从理论上讲其亮度取值范围为 0 ～ 255，但实际图像由于成像系统的特性、成像时的光照条件，以及像幅范围内地物间辐射差异的大小等各种原因，常常使大部分像元的亮度集中在比较窄的动态区间，致使图像的反差较小，色调单一 ( 过 “黑”或过“白”) ，难以从中区分出更多的地物信息。因此改善和提高图像的对比度———反差增强，便成了数字图像增强首先遇到的一个问题。
反差增强也称反差扩展，或拉抻增强，是一种通过拉伸或扩展图像的亮度数据分布，使之占满整个动态范围 ( 0 ～255) ，以达到扩大地物间亮度差异，分辨出尽可能多的亮度等级的一种处理技术。数字图像的亮度分布，一般可用一幅图像中不同灰级 ( 亮度) 像元所占的比例———直方图来表示 ( 图 4-7) 。可以看出它实际上是一种亮度分布函数 ( 曲线) ，反差扩展归根到底就是通过改变这种分布曲线来达到增强的目的 ( 图 4-8) 。
图 4-7 没经过拉伸增强的图像及波谱范围、直方图
图 4-8 经过拉伸增强的图像及拉伸范围、直方图
1. 线性扩展
将原图像中像元的亮度按线性关系扩大，亮度扩展的范围可任意给定，一般来说，对整幅图像作全面而均匀的拉伸，可用简单线性扩展。当需要对某一灰度范围进行增强，可采用分段扩展 ( 图 4-9a) 。按给定的分段界限的不同，可扩展直方图中的任何一部分，但这种方法往往会造成分段点两侧亮度陡变，若分段点选择不当，还会歪曲地物的波谱特征，故在实际工作中应慎用。
2. 非线性扩展
非线性扩展即采用指数、对数或三角函数等数学函数来构建扩展公式的图像增强方法，按数学函数的不同分为指数扩展、对数扩展、三角函数扩展等。
( 1) 指数扩展: 指数扩展对原图像中数值较大的 DN 值区间的扩展程度较大，相对压制了数值较小的 DN 值区间内像元间的对比度。
( 2) 对数扩展: 对数扩展对原图像中数值较小的 DN 值区间的扩展程度较大，相对压制了数值较大的 DN 值区间内像元间的对比度。
( 3) 三角函数扩展: 多采用正切函数。正切扩展对原图像中数值较小和较大的 DN 值区间的扩展程度较大，相对压制了数值居中的 DN 值区间内像元间的对比度。
对原图像亮度区间的各个部分按非线性关系作不均等扩展 ( 图 4-9b) ，通常是对亮区和暗区分别给以不同的扩展比例。例如，采用对数变换可使图像的暗区 ( 如大片阴影、大面积植被覆盖) 得到扩展，而亮区受到压抑; 相反，若扩展亮区，则要采用指数变换。对干旱区、平原、盆地等地区，其亮度值普遍偏高，影像单调，经指数扩展，常可从中分出一些层次。
图 4-9 几种反差扩展( 据陈华慧，1984)a—线性扩展: ( a-1) 简单线性扩展; ( a-2) 分段线性矿展; ( a-3) 局部线性扩展; ( a-4) 多级线性扩展b—非线性扩展: ( b-1) 中部扩展 ( 高斯、拉平、正弦扩展等) ; ( b-2) 暗部扩展 ( 对数扩展) ;( b-3) 亮部扩展 ( 指数扩展) ; ( b-4) 两端扩展 ( 正切扩展)
反差扩展是针对单波段的一种图像增强处理，使用得当，可明显改善像质。在进行彩色合成等多波段的增强处理时，一般都要先对各个波段的数据作适当的拉伸，以获得理想的彩色增强效果。因此，它也是其他增强处理的基础和先导。