基于通道透射率进行去雾和颜色校正的水下图像增强方法技术

本发明专利技术公布了一种水下图像增强方法，基于三通道透射率关系进行去雾和颜色校正，包括先进行四叉树搜索找到图像中最亮的点，基于暗通道先验求出红色通道的光的透射率，再通过比尔定律等求出蓝绿通道的透射率，综合最亮点和三通道的透射率进行去雾，最后基于三通道透射率关系进行颜色校正。本发明专利技术方法能够让增强后的图像获得很好地视觉效果并且具有较好的鲁棒性，适用于多种场景。

【技术实现步骤摘要】
基于通道透射率进行去雾和颜色校正的水下图像增强方法
本专利技术属于图像处理
，涉及水下图像增强技术，尤其涉及一种基于三通道透射率关系进行去雾和颜色校正的水下图像增强方法。
技术介绍
水下图像增强对于海洋生态研究、水下机器人检查或者水下打捞、营救等都有重要意义。尽管这项研究已经进行了一段时间，但是由于水下环境的恶劣性，水下图像增强技术的表现依旧差强人意。水下拍摄的图像主要存在三个问题：模糊、欠曝光、色偏。因为光线在水下传播时存在吸收和散射。水质中存在的悬浮大粒子会导致光线散射，由此而导致图像出现模糊、有雾的情况。由于水体本身及其他物质的吸收作用，导致离水面越深时，光线被吸收的越厉害，图像会出现欠曝光的情况。而色偏是由于不同波长的吸收强度不同。波长越长吸收越快，所以当传播至海底时，红光最先消失，剩余的蓝光、绿光较多。导致水下图像常会有偏蓝偏绿的色偏现象。针对水下图像存在的问题，研究者们提出了多种解决方法，主要分为三大类：(一)通用的图像增强方法。将通用方法应用在水下领域时，也能取得不错的效果。例如，直方图均衡化[1](HE)、对比度受限的自适应直方图均衡化[2](CLAHE)、广义反锐化掩模[3](GUM)等。但是通用方法不能针对性的解决问题。譬如，直方图均衡化能够很好的提升图像的对比度，但不能根据物体对于相机的距离不同，按比例来处理，所以会引入伪细节。(二)图像去雾的方法。在水下图像增强领域，很多研究者选择将去雾的方法移植到水下增强。Fattal[4]运用了表面阴影和透射率是局部无关的这一事实来去雾；何凯明[5]提出了著名的暗通道先验达到很好的去雾效果，自此之后，不少去雾的方法都是基于暗通道先验来展开。去雾方法虽好，但不能很好地解决水下色偏现象。(三)专门解决水下成像问题的方法。有利用水下衰减率的差别来估计场景的水下深度的方法[6](CB)；有利用不同波长衰减率来补偿褪色的方法[7](WCID)；此外CosminandAncuti在CVPR[8]上提出融合两种滤波的方法来解决水下增强问题。综合来看，现有水下图像增强的处理方法的通用性都不是很强，由于水下数据集获取难度大，很多实验都是建立在论文提供的少数几张图片，当换到其他情景下的水下图像时，可能达不到预期效果。引用文献：[1]C.A.M.Jaspers,“Histogramequalization,”2004.[2]K.Zuiderveld,“Contrastlimitedadaptivehistogramequalization,”GraphicsGems,pp.474–485,1994.[3]G.Deng,“Ageneralizedunsharpmaskingalgorithm,”IEEETransactionsonImageProcessing,vol.20,no.5,pp.1249–1261,2011.[4]R.Fattal,“Singleimagedehazing,”ACMTransactionsonGraphics,vol.27,no.3,p.1,2008.[5]H.K.,S.J.,andT.X.,“Singleimagehazeremovalusingdarkchannelprior.”PatternAnalysisandMachineIntelligence,IEEETransactionson,vol.33,no.12,pp.2341–2353,2010.[6]N.Carlevaris-Bianco,A.Mohan,andR.M.Eustice,“Initialresultsinunderwatersingleimagedehazing,”MTS/IEEESeattle,OCEANS2010,2010.[7]J.Y.ChiangandY.-C.Chen,“Underwaterimageenhancementbywavelengthcompensationanddehazing,”IEEETransactionsonImageProcessing,vol.21,no.4,pp.1756–1769,2012.[8]C.Ancuti,C.O.Ancuti,T.Haber,andP.Bekaert,“Enhancingunderwaterimagesandvideosbyfusion,”ProceedingsoftheIEEEComputerSocietyConferenceonComputerVisionandPatternRecognition,pp.81–88,2012.
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供一种水下图像增强方法，基于三通道透射率关系进行去雾和颜色校正，由此实现水下图像增强，该方法适用于多种水下场景，增强效果佳，具有鲁棒性。本专利技术提供的技术方案是：一种水下图像增强方法，基于三通道透射率关系进行去雾和颜色校正，实现水下图像增强，包括水下图像去雾方法和水下图像颜色校正方法；具体包括如下步骤：(一)水下图像去雾11)首先是建模。我们可将整个水下拍摄图像的能量分为两部分：从被观测物反射到相机的能量和从周围环境射过来的环境光能量，表示为式1。Ic(x)＝tc(x)Jc(x)+(1-tc(x))Ac,c∈{r,g,b}(式1)其中，x是水下图像中的像素点；I代表被相机获取到的能量；J代表被观测物的真实能量，即去雾后的水下图像；A代表周围环境光能量，它是造成图像模糊、有雾的原因；t代表透射率，即真实能量透过水质最终到达相机的能量的比例，c代表图像的红绿蓝三通道。现在已知的是I，要求出A和t才能求出最终的真实场景能量J，最终达到去雾的效果。12)求周围环境光能量A。我们用四叉树搜索的方法来求周围环境光A。求每个区域内所有像素的均值减去像素的标准差的值，将其作为区域得分，取得分最高的区域保留作为下次迭代的候选区域，其他舍弃。依次迭代到候选区域面积低于所设阈值大小，阈值大小可选一个较小的范围，如10*10，迭代终止。然后将迭代终止时的候选区域作为最终区域，最终区域的像素的均值作为最终的A值。13)求透射率t。13A)求红色通道的透射率tr。运用暗通道先验知识，即一幅图像的每个像素的三通道的最小值所组成的暗通道图像通常都是一副很暗的全黑图像，值接近零。红色通道是三通道里透射率最小的那个通道。将上述提到的去雾模型进行三通道最小化处理同时考虑到光照不均匀性，进行局部区域最小值滤波处理可认为等于零。此时可以根据式1和周围环境光能量A，求出三通道里透射率最小的那个通道(红色通道)的透射率估计值Ω(x)代表最小值滤波的区域大小，再通过导向滤波进行提纯，得到的精确值。13B)求绿色通道和蓝色通道的t。根据比尔定律，透射率和衰减系数成指数型关系。而衰减系数由两部分组成，散射系数和吸收系数。其中散射系数与衰减系数的比值和周围环境光A成正比。而各通道散射系数的关系可通过波长求出。由此可求出各通道的透射率之间的关系。进一步求出绿色通道和蓝色通道的透射率的精确值。14)求J。A和t已经求解出，可以得到最终的真实场景的J，即去雾后的水下图像。(二)水下图像颜色校正过程21)首先分别求解去雾图像的每个通道的均值，22)然后根据去雾过程中求出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下图像增强方法，基于三通道透射率关系进行去雾和颜色校正实现水下图像增强，包括水下图像去雾方法和水下图像颜色校正方法：(一)水下图像去雾方法包括如下步骤：11)水下图像能量建模：将水下图像的能量分为两部分：从被观测物反射到相机的能量和从周围环境射过来的环境光能量，去雾模型表示为式1：I

【技术特征摘要】
1.一种水下图像增强方法，基于三通道透射率关系进行去雾和颜色校正实现水下图像增强，包括水下图像去雾方法和水下图像颜色校正方法：(一)水下图像去雾方法包括如下步骤：11)水下图像能量建模：将水下图像的能量分为两部分：从被观测物反射到相机的能量和从周围环境射过来的环境光能量，去雾模型表示为式1：Ic(x)＝tc(x)Jc(x)+(1-tc(x))Ac,c∈{r,g,b}(式1)其中，x是水下图像的像素点；I代表被相机获取到的能量；J代表被观测物的真实能量，即去雾后的水下图像；A代表周围环境光能量；t代表透射率，即真实能量透过水质最终到达相机的能量的比例；c代表图像的红绿蓝三通道；利用上述水下图像去雾模型，根据被相机获取到的能量I，求出周围环境光能量A和透射率t，进一步求出最终的真实场景能量J，达到水下图像去雾的效果；12)求周围环境光能量A；采用四叉树搜索的方法，首先求得水下图像每个区域内所有像素的均值减去像素的标准差的值，作为区域得分，取得分最高的区域作为下次迭代的候选区域；依次迭代到候选区域面积低于设置的阈值大小，迭代终止；将迭代终止时的区域的像素均值作为A值；13)求透射率t；13A)求红色通道的透射率tr：将去雾模型进行三通道最小化处理同时进行局部区域最小值滤波处理根据式1和周围环境光能量A，利用式2求出红色通道的透射率估计值式2中，Ω(x)代表最小值滤波的区域大小，再通过导向滤波进行提纯，得到红色通道的透射率精确值tr；其中可视为零；13B)求绿色通道和蓝色通道的t：首先，通过波长求出各通道散射系数的关系；然后，根据散射系数与衰减系数的比值和周围环境光A成正比，求得衰减系数；根据比尔定律，透射率和衰减系数成指数型关系，由此求得各通道的透射率之间的关系；进一步求出绿色通道和蓝色通道的透射率的精确值；14)求真实场景能量J...

【专利技术属性】
技术研发人员：李革，张文豪，应振强，王荣刚，王文敏，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44