一种基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法技术

本发明专利技术是一种基于暗通道模型的水下彩色图像增强方法，具体方法步骤如下：对水下退化图像，在Jaffe‑McGlamery成像模型基础上，对暗通道图像采用Retinex方法估计传输图，利用泊松分布拟合局部后向散射背景光估计法，将暗通道图像块中最接近估计值像素点对应的水下彩色图像像素值作为该图像块后向散射背景光，在求得复原图像后，应用对比度拉伸进行色彩增强，最后获得增强后水下图像输出。本发明专利技术方法能够更好的实现水下图像的清晰度和色彩增强，更适用于应用在近岸水域水体浑浊的水下图像增强问题。

An underwater color image enhancement method based on dark channel theory

The present invention relates to a method for color image enhancement based on dark channel model under water, specific methods and steps are as follows: the image degradation under water, based on Jaffe McGlamery imaging model, the dark channel image using Retinex method to estimate the transmission map, by using the Poisson distribution fitting local backscattering light background estimation method, the dark channel the most close to the estimated value of the pixels corresponding to the underwater color image pixel value as the image block backscattering light background image blocks, the image obtained after the application of contrast stretching for color enhancement, finally get the output image under water. The method of the invention can better realize the clarity and the color enhancement of underwater images, and is more suitable for underwater image enhancement problems of turbid water in coastal waters.

【技术实现步骤摘要】
一种基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法
本专利技术属于图像处理和分析
，特别是在存在吸收和散射光学衰减的环境中，例如雾天及水下环境中拍摄彩色图像的基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法。
技术介绍
水下视觉是海洋探测、海洋生物调查、水下工程监测中重要的科学研究依据。在水中，水体光学衰减、散射及光源照明使得拍摄的水下图像存在可见距离小、低对比度、模糊、非均匀照明、亮斑、色彩投射和各种噪声等复杂退化，因此在应用计算机视觉方法进行各种水下视频分析及图像的处理应用中，水下图像的复原或增强都是必要的处理过程。光在水中传输，水体内部光学属性(IOP)决定的吸收和散射影响了整个水下成像的效果。浮游生物、彩色溶解有机质和总悬浮物质的浓度和目标距离成也是影响水下彩色图像质量的主要因素。前向散射导致图像特征的模糊，后向散射通常使图像的对比度降低，产生雾状模糊叠加在图像上。随着水下深度的增加，色彩按照波长依次消失，在靠近光谱红色一端的波长的吸收速度大约是靠近蓝色端光谱吸收速度的100倍，蓝色由于波长最短，在水下传播的距离最长。运动作业时所引起的浪花、漩涡、泥沙及各种海洋生物的影响也导致了图像的不规则模糊。除此以外，成像系统、光源色温都将对水下彩色图像的质量产生影响。水下图像增强主要包括了对图像对比度、清晰度和色彩补偿等方面的研究。近年来，研究人员基于He等人提出的图像去雾理论提出了很多水下图像增强方法，He等人对自然白天的图像进行统计，提出暗通道假设，认为无雾自然图像中至少有一个彩色通道有非常低的亮度值，因此暗通道的亮度增加是因为雾，经典暗通道法通过选择暗通道中最亮的像素对应的彩色分量值作为背景光估计值。Chiang等在暗通道的基础上，假设已知衰减系数，通过估计图像的深度图，将图像分割为前景和背景部分然后通过颜色矫正对图像进行增强，但是这种方法仅对于偏蓝色背景的清澈水下图像较为有效。Galdran等提出了红通道假设，提出在水中随着距离增加红通道衰减的更快，后向散射背景光通过红通道的最大值来估计。Carlevaris-Bianco等人提出的暗通道法从蓝-绿通道与红通道差值的最大值来估计传输图，用传输图的最小值作为后向散射背景光。在已有的水下图像去雾增强方法中，后向散射背景光都是被假设为在整幅图像中是均匀的。但实际上，在水下环境中，水中的悬浮颗粒的浓度较高，光线-颗粒的交互散射作用结果使图像的背景光亮度并不均匀。在经典暗通道的基础上，Emberton等人提出了分层后向散射背景光估计法，但是必须根据一些图像特征找到图像中最模糊的区域。Ancuti等人提出了基于局部暗通道最大值的后向散射背景光估计法来实现多尺度的水下图像融合增强。基于局部背景光的两个方法中，都是对暗通道直接求局部最大值，目前的这些方法虽然取得了一定的去雾及色彩增强效果，但增强的水下图像清晰度不佳。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对存在吸收、散射引起的模糊、对比度降低、饱和度降低和非均匀色彩投射等退化因素的水下彩色图像特别是近岸水下彩色图像，提出一种有效的基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法，可实现对水下彩色图像的清晰度、对比度和色彩的有效增强。本专利技术提出了利用光线和粒子交互概率模型的局部后散射光估计法和基于Retinex光照反射模型的传输图估计法。本专利技术适用于存在饱和度下降、非均匀色彩投射、模糊等退化的水下彩色图像及其他具有相同退化的光衰减环境。本专利技术所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本专利技术是一种基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法，其特点是：该方法步骤如下：对水下退化图像，在Jaffe-McGlamery成像模型基础上，对暗通道图像采用Retinex方法估计传输图，然后利用泊松分布拟合的局部散射背景光估计法，将暗通道图像块中最接近估计值像素点对应的水下彩色图像像素值作为该图像块后向散射背景光，在求得复原图像后，应用对比度拉伸进行色彩增强，最后获得增强后水下图像输出。本专利技术所述的一种基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法，其特点是：所述的Retinex方法选自：1、单尺度视网膜增强SSR(SingleScaleRetinex)；2、多尺度视网膜增强算法MSR(Multi-ScaleRetinex)；3、带色彩恢复的多尺度视网膜增强算法MSRCR(Multi-ScaleRetinexwithColorRestoration)；4、McCannRetinex算法(也称迭代Retinex)。本专利技术所述的一种基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法，其特点是：其具体步骤如下：根据Jaffe-McGlamery成像模型，对RGB空间水下退化图像I可描述为：其中，x为图像像素，Jc(x)为目标辐照度，c＝{R，G，B}，为背景光或后向散射光，tc(x)为传输图，表示场景辐照度中未被吸收和散射，而直接到达相机的比例，与目标和相机的距离有关。He等人提出的暗通道理论假设目标在一个彩色通道内有较弱的反射，即：miny∈Ω(x)(minc∈r，g，bJc(x))＝0(2)其中，Ω(x)表示以像素x为中心的一个窗口。本专利技术解决方案步骤如下：第一步，对归一化后彩色图像I∈(0，1)，计算暗通道图像LDC：LDC(x)＝miny∈Ω(x)(minc∈r，g，bIc(x))(3)由式(1)，(2)和(3)可得：第二步，设t(x)＝tr(x)，对式(4)两边应用对数运算得：其中，tr(x)＝1-Rr(x)(16)第三步，估计传输图tr(x)Retinex理论认为图像是由场景中光照信息图像和物体固有的反射系数图像组成的，所谓光照信息图像是指照射在物体上的入射光信息的图像的形式，而物体的反射系数图像是不受光照条件影响的目标本身的反射图像。Retinex理论的核心思想就是排除光照条件的影响，恢复出物体本身反射系数。本专利技术应用Retinex算法估计式(15)中的Rr(x)，由(16)求得tr(x)。第四步，计算tg(x)，tb(x)，由其中，λ0为参考波长，通常为440nm或400nm，Sx为吸收系数曲线斜率经验值，在380～600nm波长范围内，吸收系数光谱斜率Sx经验值在0.0049～0.0175nm-1分布。第五步，对暗通道图像LDC中的像素x，对其邻域Ω(x)(Ω大小的选择可以为15×15，32×32，56×56，72×72等)，假设图像块内目标距离一致，应用泊松分布拟合，获得拟合后泊松分布均值为mean(poissonfit(LDC(y)))，用块Ω中暗通道图像灰度值与拟合后泊松分布均值最接近的像素对应的R，G，B值作为后向散射的估计值，即第六步，根据得到tc(x)和的估计值，由下式恢复图像Jc(x)第七步，彩色对比度拉伸，由下式计算Jc(x)的最大值和最小值其中，和为Jc(x)的平均值和方差，μ为动态参数。最后，增强图像的最后输出为：本专利技术方法中，动态范围μ取值越小，图像的对比度越强。优选的动态范围μ取值为2-3。以下对本专利技术方法的原理阐述如下：水体的光学特性是决定水下成像的重要因素，天然水的固有光学特性是纯水(分子散射和吸收)、海水中溶质(分子散射和吸收)和悬浮颗粒(颗粒散射和吸收)的固有光学特性的复合。光在水中的传播受两种因素的影响：吸收和散射。吸收是光沿本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法，其特征在于：该方法步骤如下：对水下退化图像，在Jaffe‑McGlamery成像模型基础上，对暗通道图像采用Retinex方法估计传输图，然后利用泊松分布拟合的局部后向散射背景光估计法，将暗通道图像块中最接近估计值像素点对应的水下彩色图像像素值作为该图像块后向散射背景光，在求得复原图像后，应用对比度拉伸进行色彩增强，最后获得增强后水下图像输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法，其特征在于：该方法步骤如下：对水下退化图像，在Jaffe-McGlamery成像模型基础上，对暗通道图像采用Retinex方法估计传输图，然后利用泊松分布拟合的局部后向散射背景光估计法，将暗通道图像块中最接近估计值像素点对应的水下彩色图像像素值作为该图像块后向散射背景光，在求得复原图像后，应用对比度拉伸进行色彩增强，最后获得增强后水下图像输出。2.根据权利要求1所述的一种基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法，其特征在于：所述的Retinex方法选自单尺度视网膜增强SSR、多尺度视网膜增强算法MSR、带色彩恢复的多尺度视网膜增强算法MSRCR或者迭代Retinex方法。3.根据权利要求1所述的一种基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法，其特征在于，其具体步骤如下：根据Jaffe-McGlamery成像模型，对RGB空间水下退化图像I描述为：（1）其中，x为图像像素，Jc(x)为目标辐照度，c=｛R，G，B}，为背景光或后向散射光，tc(x)为传输图，表示场景辐照度中未被吸收和散射，而直接到达相机的比例，与目标和相机的距离有关；暗通道理论假设目标在一个彩色通道内有较弱的反射，即：（2）其中，Ω(x)表示以像素x为中心的一个窗口；该方法步骤如下：第一步，对归一化后彩色图像I∈（...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨淼，
申请(专利权)人：淮海工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32