هیستوگرام یک تصویر دیجیتال با سطوح شدت روشنایی در بازه [L-1و0] تابع گسسته‌ای بصورت h(r_k)=n_k است که در آن r_k،عبارت است از kامین مقدار شدت روشنایی و n_k تعداد پیکسل­‌های تصویر با شدت روشنایی r_k است. نرمال کردن هیستوگرام با تقسیم هر جزء بر تعداد کل پیکسل­‌های تصویر انجام می­شود.

به عبارت ساده محور مختصاتی را تصور کنید که روی محور افقی آن اعداد مربوط روشنایی یعنی 0 تا L-1 نقش بسته. در تصویر مورد نظر تعداد پیکسلهایی که دارای شدت روشنایی 0، 1، 2 و … L-1 دارند شمرده شده و تعداد اینها روی محور عمودی قرار می­گیرد.

هیستوگرام یک تصویر پایه تعداد زیادی از روش­های پردازش تصویر در حوزه مکان است. به گونه‌ای که در مطالب بعدی خواهیم دید میتوان از هیستوگرام تصویر جهت بهسازی تصویر بهره برد. علاوه بر فراهم نمودن اطلاعات مفید آماری درباره تصویر اطلاعات موجود در هیستوگرام برای کاربردهای دیگری نظیر فشرده سازی تصویر، ناحیه بندی و … نیز کاربر دارد. محاسبه هیستوگرام در نرم افزار متلب کار ساده­ای است و از دستور imhist می‌توان برای این کار استفاده کرد. به عنوان نمونه در ادامه کدی برای نمایش هیستوگرام یک تصویر و نمایش نتیجه اجرای این کد قابل مشاهده است:

برای درک بهتر ارتباط تصویر و هیستوگرام آن در ادامه چند تصویر و هیستوگرام آن‌ها را نشان می‌دهیم. قابل مشاهده است که در تصویر تاریک، اجزاء هیستوگرام در قسمت سطوح روشنایی کم تجمع دارند. در تصویر روشن، اجزاء هیستوگرام در قسمت با سطوح شدت روشنایی بالا متمرکز هستند. و در تصویری که از تباین (contrast) مناسبی برخوردار است اجزاء هیستوگرام تقریبا در تمام سطوح روشنایی پخش شده و حالتی یکنواخت دارند. این نکته که تصویر با تباین بالا دارای هیستوگرامی یکنواخت است کلید ورود به بحث بهبود روشنایی تصویر بوسیله متعادل سازی هیستوگرام خواهد بود.