一种基于电磁理论的水下图像色彩补偿方法技术

本发明专利技术提供了一种基于电磁理论的水下图像色彩补偿方法，属于图像复原技术领域。该技术方案依据光在水下的传播特性建立水下光学成像模型，针对红色波段的光被水吸收严重导致图像R通道亮度衰减，本发明专利技术根据电磁波传输理论获得景物与相机间的距离及R通道因水吸收导致的衰减系数，最终求出R通道的传输系数。本发明专利技术方法可以有效的估计出背景光及各通道的传输系数，对图像颜色进行补偿。实验结果表明，与传统的水下图像复原算法相比，本发明专利技术可以有效地提高图像对比度、清晰度，改善颜色失真。

A color compensation method for underwater images based on electromagnetic theory

The invention provides an underwater image color compensation method based on electromagnetic theory, which belongs to the technical field of image restoration. The technical scheme establishes an underwater optical imaging model according to the propagation characteristics of light under water. In view of the fact that the light in red band is absorbed by water seriously causes the brightness attenuation of the R-channel of the image, the distance between the scene and the camera and the attenuation coefficient of the R-channel caused by water absorption are obtained according to the electromagnetic wave transmission theory, and finally the transmission of the R-channel is obtained. Coefficient of transmission. The method can effectively estimate the transmission coefficients of the background light and each channel, and compensate the image color. The experimental results show that, compared with the traditional underwater image restoration algorithm, the invention can effectively improve the image contrast, sharpness and color distortion.

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁理论的水下图像色彩补偿方法
本专利技术涉及图像复原
，具体涉及一种基于电磁理论的水下图像色彩补偿方法。
技术介绍
水下成像是水下光学和海洋光学学科的重要研究方向，是人类对海洋实现探测开发的重要手段和工具，在海洋勘探、水下环境监测、水下工程施工、救生打捞等活动中具有重要作用。水下成像环境要比空气中复杂的多，除了水体会吸收和散射光线之外，水中的悬浮颗粒以及浮游生物也会对其吸收和散射。加上水对不同波段的光吸收程度也不一样，与在空气中成像相比，水下成像不但含有噪声和畸变，还存在着对比度低、模糊、颜色信息丢失等问题，严重影响了成像质量。光线在水下传播过程中，它的损耗程度会随波长不同而发生改变。导致水下光学成像质量下降的三个主要原因是吸收、散射和颜色失真。水对红色光吸收最为强烈，对蓝绿光吸收相对较小，所以水下成像会出现颜色信息的丢失，且水中悬浮颗粒会对光进行散射，使图像的对比度下降。为了实现水下图像的复原，现有技术中有研究者把水下图像看成图像中多了一层雾，将空气中的暗原色先验去雾算法(DCP)直接应用于水下图像复原；另有研究者用DCP原理来提高图像的清晰度，并用自适应亮度调节算法提高图像对比度；此外，有研究者用DCP理论求出水下图像的透射率，并依据物体颜色和背景光对透射率进行优化。上述方法虽然在一定程度上改善了水下图像质量，但由于波长衰减存在差异，因此导致图像颜色失真的问题无法很好的解决。现有技术中，水下图像的复原主要基于以下原理：1、水下光传输模型由Jaff-McGlamery模型可知，在水下环境中，摄像机接收到的光强可表示为直接光Jd、前向散射光Jf、后向散射光Jb。如图1所示。到达相机的总辐照度I是这三部分的线性叠加，可由下面的公式表示：I＝Jd+Jf+Jb(1)1.1直接光直接光指直接被物体反射进摄像机的光线，表达式为：J(x,λ)表示物体所在位置的光强，Jd(x,λ)表示摄像机接收的直接光光强，αλ和βλ分别表示由吸收和散射造成衰减的衰减系数，λ表示图像的RGB三个通道中的某一通道，因为水对不同波长的光的吸收程度不同，因此衰减系数会随通道波长的变化而变化，d(x)表示物体与摄像机之间的距离。1.2后向散射光后向散射光不含物体光，是周围环境光被水中物体如悬浮颗粒等散射后进入摄像机的光，表达式为：式中B(λ)称之为背景光。忽略前向散射的影响，则总光强可表示为：其中，表示因散射导致光波衰减的传输系数，表示因水吸收导致光波衰减的传输系数。有研究者把tα(x)看作一个常量，用K表示。实际上tα(x)与距离d(x)和波长λ有关，把tα(x)看作一个常量不太合理。相对于红色通道，蓝绿通道因水吸收产生的衰减较小。在这里定义蓝绿通道的成像模型为：I(x,λ)＝J(x,λ)tBG(x)+B(λ)[1-tBG(x)],λ∈(R,G,B)(5)其中，tBG(x)＝tβ(x)，表示蓝绿通道的传输系数。红色通道的成像模型为：I(x,λ)＝J(x,λ)tR(x)+B(λ)[1-tBG(x)],λ∈(R)(6)其中，tR(x)＝tβ(x)tα(x)，表示红色通道的传输系数。摄像机所接收到的光强I(x,λ)就是获取的水下图像，代表模糊的图像。由(5)式和(6)式可知，若想恢复出清晰的图像J(x,λ)，须计算出传输系数tBG(x)，tR(x)和背景光B(λ)。
技术实现思路
本专利技术旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种基于电磁理论的水下图像色彩补偿方法，以解决现有技术中常规方法对图像的复原质量不佳的技术问题。本专利技术要解决的另一技术问题是在水下图像复原过程中如何提升图像对比度、清晰度，改善颜色失真。为实现以上技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于电磁理论的水下图像色彩补偿方法，该方法依据以下式(23)对图像的蓝绿通道执行复原；同时，依据以下式(24)对图像的红色通道执行复原；式(23)中，J(x,λ)表示复原后的蓝绿通道光强，I(x,λ)表示图像原始的蓝绿通道光强，B(λ)表示水体背景光的光强，tBG(x)表示蓝绿通道的传输系数；式(24)中，J(x,λ)表示复原后的红色通道光强，I(x,λ)表示图像原始的红色通道光强，B(λ)表示水体背景光的光强，tBG(x)表示蓝绿通道的传输系数，e表示自然常数，αR表示水吸收导致红色通道光衰减的衰减系数。作为优选，水体背景光的光强B(λ)是通过以下方法求得的：1)选取由G，B通道获得的暗原色中亮度最大的0.1％的像素，记录像素位置信息；2)获得这些像素对应原始图像位置的R，G，B三个通道的像素值；3)分别求取这些像素在三个通道的平均值，即为B(λ)，其中λ∈(R,G,B)。作为优选，蓝绿通道的传输系数tBG(x)是依据以下式(17)求得的：式(17)中，tBG(x)表示蓝绿通道的传输系数，B(λ)表示水体背景光的光强，Ic(x)]表示原图像R、G、B三个颜色通道的光强，Ω(y)表示图像区域。作为优选，水吸收导致红色通道光衰减的衰减系数αR是依据以下式(21)求得的式(21)中，nR表示红色通道的光波在水下传播时的折射率，Za表示电磁波在空气中传播的波阻抗。作为优选，该方法还进一步求得红色通道的传输系数tR(x)，所述红色通道的传输系数tR(x)是依据以下式(27)、式(28)、式(18)、式(21)、式(22)求得的：tR(x)＝tβ(x)tα(x)(27)tBG(x)＝tβ(x)(28)其中，tBG(x)表示蓝绿通道的传输系数，nR表示红色通道的光波在水下传播时的折射率，Za表示电磁波在空气中传播的波阻抗，Nrer(λ)表示归一化剩余能量比。作为优选，所述电磁波在空气中传播的波阻抗Za恒定为377。作为优选，所述归一化剩余能量比Nrer(λ)为0.95。在水下环境中，光波会因散射以及被水吸收产生衰减，导致水下图像出现模糊，对比度低、颜色失真等问题。彩色图像传感器具有红(R)，绿(G)和蓝(B)三种不同的基本颜色传感器，每个颜色传感器可检测不同波长的光信息。由于不同波长的光具有不同的传输系数，因此对水下图像复原时，需要考虑这些基本颜色光之间的差异。针对红色波段的光被水吸收严重导致图像R通道亮度衰减，本专利技术根据电磁波传输理论获得景物与相机间的距离及R通道因水吸收导致的衰减系数，最终求出R通道的传输系数。为了验证本专利技术，通过主观评价和客观评价对实验结果图像进行质量评估。评价结果表明，相比于传统算法，本专利技术可以更有效的对图像色彩进行补偿和去模糊，使复原图像更真实。本专利技术依据光在水下的传播特性，基于改进的暗原色原理和水下电磁波传播理论，提出一种有效的水下图像复原方法EUD(Electromagnetismandunderwaterdarkchannel)，该方法将图像去模糊和颜色补偿两个因素都考虑在内。雾天成像模型和水下成像模型的区别在于水下成像时红色通道衰减严重，所以取水下暗原色通道和图像背景光时，仅考虑蓝绿两通道，并根据电磁波传播理论由蓝绿通道的衰减系数估计出红色通道的衰减系数。本专利技术可以有效补偿图像颜色失真且鲁棒性较高。附图说明图1是水下光学成像模型的原理示意图；图2是常规DCP方法的流程示意图；图3是本专利技术EUD方法的流程示意图；图4是本专利技术实施例2中，不同图像复原方法的效果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电磁理论的水下图像色彩补偿方法，其特征在于：依据以下式(23)对图像的蓝绿通道执行复原；同时，依据以下式(24)对图像的红色通道执行复原；

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁理论的水下图像色彩补偿方法，其特征在于：依据以下式(23)对图像的蓝绿通道执行复原；同时，依据以下式(24)对图像的红色通道执行复原；式(23)中，J(x,λ)表示复原后的蓝绿通道光强，I(x,λ)表示图像原始的蓝绿通道光强，B(λ)表示水体背景光的光强，tBG(x)表示蓝绿通道的传输系数；式(24)中，J(x,λ)表示复原后的红色通道光强，I(x,λ)表示图像原始的红色通道光强，B(λ)表示水体背景光的光强，tBG(x)表示蓝绿通道的传输系数，e表示自然常数，αR表示水吸收导致红色通道光衰减的衰减系数。2.根据权利要求1所述的一种基于电磁理论的水下图像色彩补偿方法，其特征在于，水体背景光的光强B(λ)是通过以下方法求得的：1)选取由G，B通道获得的暗原色中亮度最大的0.1％的像素，记录像素位置信息；2)获得这些像素对应原始图像位置的R，G，B三个通道的像素值；3)分别求取这些像素在三个通道的平均值，即为B(λ)，其中λ∈(R,G,B)。3.根据权利要求1所述的一种基于电磁理论的水下图像色彩补偿方法，其特征在于，蓝绿通道的传输系数tBG(x)是依据以下式(17)求得的：式(17)中，tBG(x)表示蓝绿通道的传输系数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴燕，蒋泽新，孙荣春，王宇，臧景峰，张竟秋，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22