本发明公开了一种基于亮度转换函数的单帧弱光图像增强方法，亮度转换函数用于将曝光时间为t₀的图像P₀转换到曝光时间为t₁的图像P₁。本发明主要包括构建亮度转换函数和图像增强两个模块。首先对同一场景进行多次曝光拍摄，利用曝光时间不同的图像构建亮度转换函数，然后以原始的弱光图像作为亮度转换函数的输入，产生一张过曝的图像，融合原始图像与过曝图像，得到最终结果。本发明避免了多帧图像融合时由于场景中物体的移动而需要进行的对准处理，提高了图像处理的效率，且本发明提出的方法复杂度不高，求解高效简洁，适于实时处理。