一种结合双边滤波与Retinex的水下图像增强方法技术

本发明专利技术公开了一种结合双边滤波与Retinex的水下图像增强方法，包括：将输入图像由RGB色彩空间转换至HSV色彩空间；对于亮度分量，结合双边滤波滤除图像噪声，对去噪后的亮度分量基于高斯中心环绕多尺度Retinex分离出反射分量与照射分量；对于分离出的照射分量，采用伽马校正调整光照得到新的照射分量；基于Retinex理论实现光照分量、与反射分量的融合增强，得到光照不均匀校正后的亮度分量；将增强后亮度分量、与色调分量和饱和度分量重新组合，并变换回RGB色彩空间；计算红绿通道相对于蓝通道灰度值比例，对三通道灰度值重新进行映射；最后对图像R、G、B三通道分别进行直方图均衡化，实现图像对比度增强。本发明专利技术有效地去除水下图像存在的蓝绿色偏，提高图像对比度；滤除部分图像噪声，提高图像信噪比。

【技术实现步骤摘要】
一种结合双边滤波与Retinex的水下图像增强方法
本专利技术涉及计算机视觉技术中的图像处理领域，尤其涉及一种结合双边滤波与Retinex的水下图像增强方法，尤其是指针对普通摄像机水下拍摄得到的退化图像增强技术。
技术介绍
在海洋工程中获取清晰的水下图像是一项重要的技术。诸如海洋生物监测，水下物种观察，以及水下地理与生物环境评估，都需要借助水下成像技术，然而水下成像充满了挑战。目标物体反射回来的光由于水体的散射偏离原来的传播方向，导致水下图像呈现“雾”化效果，图像对比度低；水体对不同波长的光选择性吸收衰减，使得水下图像颜色退化呈现蓝绿色调；人照光源以光源为圆心向四周逐渐衰减传播，水下图像的光照不均匀现象也就无法避免；同时水下成像存在的各种噪声，导致水下图像信噪比低。概括来说，水下图像存在以下的一个或几个问题：有限的成像范围，低对比度，细节模糊，非均匀光照，光晕现象，颜色退化以及噪声[1]。现有的水下图像处理技术依据其是否考虑水下成像模型，可以分为图像复原方法与图像增强方法。图像复原方法将水下图像处理看成一个逆向求解问题，尝试着估计出水下成像物理参数，采用逆滤波的方法，依据水下成像模型恢复出未退化的水下图像。图像增强方法不依靠水下成像模型，仅仅通过对水下图像的像素操作，期望达到图像视觉效果的提升。由于图像复原方法通常需要特定的条件假设或先验信息，这大大限制了该方法的实用性。关于水下图像增强方法，国外的研究者Iqbal等人[2]提出了一种基于RGB与HSI色彩空间相结合的无监督水下图像增强方法(以下简称UCM)；Ghani等人[3]提出了一种基于HSI色彩空间的瑞利拉伸的水下图像增强方法。国内专利技术专利方面，李一兵等人[4](申请号CN201210359018)提出了一种HSV色彩空间与retinex模型相结合的水下图像增强方法；王建等人[5](申请号CN201510598932)提出了一种在YCbCr色彩空间亮度色度分离的水下图像增强方法。综上所述，现有技术中至少存在以下缺点和不足：绝大多数水下图像增强方法集中于如何去除水下图像存在的蓝绿色偏和提高图像对比度，忽略了后向散射分量导致的图像信噪比降低，使得增强后的图像虽然主观视觉效果更好，但是也放大了图像噪声。同时没有充分考虑到水下成像过程中水分子和悬浮颗粒对光的选择性吸收导致的图像亮暗分布不均匀，往往容易产生过增强的现象。参考文献[1]RaimondoS,SilviaC.UnderwaterImageProcessing:StateoftheArtofRestorationandImageEnhancementMethods[J].EURASIPJournalonAdvancesinSignalProcessing,2010,2010(1):746052.[2]IqbalK,OdetayoM,JamesA,etal.＂EnhancingthelowqualityimagesusingUnsupervisedColourCorrectionMethod＂，IEEEInternationalConferenceonSystems,ManandCybernetics,Istanbul,Turkey,10-13October.DBLP,2010:1703-1709.[3]GhaniASA,IsaNAM.UnderwaterimagequalityenhancementthroughRayleigh-stretchingandaveragingimageplanes[J].InternationalJournalofNavalArchitecture&OceanEngineering,2014,6(4):840-866.[4]李一兵,付强,叶方，等“基于HSV色彩空间结合Retinex的水下图像增强方法”,申请号:CN201210359018[5]王建，庞彦伟，郑佳，等“一种基于亮度色度分离的水下图像增强方法”,申请号:CN201510598932
技术实现思路
本专利技术针对水下退化图像存在的信噪比低、光照不均匀、颜色退化等问题，提出一种结合双边滤波与Retinex的水下图像增强方法，实现对水下图像视觉效果的改善，详见下文描述：一种结合双边滤波与Retinex的水下图像增强方法，所述方法包括以下步骤：将输入图像由RGB色彩空间转换至HSV色彩空间；对于亮度分量，结合双边滤波滤除图像噪声，对去噪后的亮度分量基于多尺度高斯中心环绕函数Retinex分离出反射分量与照射分量；对于分离出的照射分量，采用伽马校正调整光照得到新的照射分量；基于Retinex理论实现光照分量、与反射分量的融合增强，得到光照不均匀校正后的亮度分量；将增强后亮度分量、与色调分量和饱和度分量重新组合，并变换回RGB色彩空间；计算红绿通道相对于蓝通道灰度值比例，对三通道灰度值重新进行映射；最后对图像R、G、B三通道分别进行直方图均衡化，实现图像对比度增强。所述基于Retinex理论的照射分量估计如下采用高斯中心环绕函数进行估计，选择大、中、小三个高斯环绕尺度分别为：C1＝64，C2＝128，C3＝256，且三个归一化高斯环绕尺度权重系数相等：W1＝W2＝W3＝1/3；G(x,y)＝λexp(-(x2+y2)/c2)∫∫G(x,y)dxdy＝1其中，R(x,y)表示反射分量；G(x,y)表示高斯环绕函数；V1(x,y)*Gj(x,y)表示照射分量；V1(x,y)表示经过双边滤波去噪后的亮度分量；Gj(x,y)表示任一尺度对应的高斯环绕函数；λ表示高斯环绕函数归一化系数；Wj表示高斯环绕尺度对应的权重系数。所述采用伽马校正调整光照得到新的照射分量具体为：其中，W表示白色值；L'表示调整后的光照图：L为retinex分离出来的照射分量；r为伽马值，本专利技术取值2.2。所述双边滤波器窗口大小为7×7，定义域核为20，值域核为1。所述计算红绿通道相对于蓝通道灰度值比例具体为：首先计算R、G、B三通道的灰度平均值：其中，Ravg、Gavg、Bavg分别表示R、G、B三通道的灰度平均值，M×N表示图像像素个数，IR、IG、IB分别表示R、G、B三通道对应的灰度值。在此基础上，进一步基于蓝色分量对红绿分量灰度值进行映射：其中，分别表示映射后得到新的灰度值。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：1、与现有的水下图像增强算法如Iqbal等人提出的UCM算法、传统的直方图均衡化相比，本专利技术不仅能够有效地去除水下图像存在的蓝绿色偏，提高图像对比度；而且还能够滤除部分图像噪声，提高图像信噪比；2、本专利技术基于Retinex的亮度分量增强处理，很好地解决了水下成像存在的光照不均匀问题；3、本专利技术充分地考虑了水下光学成像属性(蓝色光衰减远小于红绿光)，使得处理的图像具有更好的色度、对比度、饱和度平衡性，图像的主观视觉效果更接近自然场景下拍摄的图像特性，有效地避免了图像过增强现象；4、相对于部分已有的水下图像增强算法(诸如UCM和Ghani等人方法)，本专利技术无需人工干预调参，自适应实现水下图像颜色校正和亮暗分布不均匀调整。附图说明图1为一种结合双边滤波与Retinex的水下图像增强方法的流程图；图2列出了部分水下图像构造测试样本集本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结合双边滤波与Retinex的水下图像增强方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将输入图像由RGB色彩空间转换至HSV色彩空间；对于亮度分量，结合双边滤波滤除图像噪声，对去噪后的亮度分量基于高斯中心环绕多尺度Retinex分离出反射分量与照射分量；对于分离出的照射分量，采用伽马校正调整光照得到新的照射分量；基于Retinex理论实现光照分量、与反射分量的融合增强，得到光照不均匀校正后的亮度分量；将增强后亮度分量、与色调分量和饱和度分量重新组合，并变换回RGB色彩空间；计算红绿通道相对于蓝通道灰度值比例，对三通道灰度值重新进行映射；最后对图像R、G、B三通道分别进行直方图均衡化，实现图像对比度增强。

【技术特征摘要】
1.一种结合双边滤波与Retinex的水下图像增强方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：将输入图像由RGB色彩空间转换至HSV色彩空间；对于亮度分量，结合双边滤波滤除图像噪声，对去噪后的亮度分量基于高斯中心环绕多尺度Retinex分离出反射分量与照射分量；对于分离出的照射分量，采用伽马校正调整光照得到新的照射分量；基于Retinex理论实现光照分量、与反射分量的融合增强，得到光照不均匀校正后的亮度分量；将增强后亮度分量、与色调分量和饱和度分量重新组合，并变换回RGB色彩空间；计算红绿通道相对于蓝通道灰度值比例，对三通道灰度值重新进行映射；最后对图像R、G、B三通道分别进行直方图均衡化，实现图像对比度增强。2.根据权利要求1所述的一种结合双边滤波与Retinex的水下图像增强方法，其特征在于，所述对去噪后的亮度分量基于高斯中心环绕多尺度Retinex分离出反射分量与照射分量具体为：采用高斯中心环绕函数进行估计，选择大、中、小三个高斯环绕尺度分别为：C1＝64，C2＝128，C3＝256，且三个归一化高斯环绕尺度权重系数相等：W1＝W2＝W3＝1/3；G(x,y)＝λexp(-(x2+y2)/c2)∫∫G(x,y)dxdy＝1其中，R(x,y)表示反射分量；G(x,y)表示高斯环绕函数；V1(x,y)*Gj(x,y)表示照射分量；V1(x,y)表示经过双边滤波去噪后的亮度分量；Gj(x,y)表示任一尺度对应的高斯环绕函数；λ表示高斯环绕函数归一化系数；Wj表示高斯环绕尺度对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐岩，曾祥波，孙美双，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12