一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法技术

一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法，包括以下步骤：第一步：对视频每一帧图像进行金字塔分解。第二步：基于Riesz变换(里斯变换)计算金字塔每一层子带的局部幅度和局部相位。第三步：对局部幅度和局部相位进行时间低通滤波。第四步：基于大气湍流调制传递函数，对单帧图像去模糊。本发明专利技术利用低通滤波的思想来消除大气湍流效应产生的成像畸变。Riesz变换是希尔伯特变换的多维扩展，它能够得到二维信号的局部幅度和局部相位信息。局部幅度反映了视频中各帧图像局部灰度的明暗变化，而局部相位变化表示了视频中的局部运动信息。通过对单演局部幅度和局部相位的低通滤波，能够抑制局部的高频噪声和图像畸变。

【技术实现步骤摘要】
一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法
本专利技术涉及光学成像和数字图像
，尤其是一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法。
技术介绍
大气温度、湿度等气象参数的随机变换使得大气折射率随机起伏。当光线穿过折射率随机起伏的大气时，其传播方向发生随机摆动，造成成像系统出现图像模糊和动态畸变。这种退化现象称为光学湍流效应。光学湍流效应降低成像分辨率，使得成像目标出现动态畸变，影响成像系统视觉效果和目标检测、跟踪及识别。如何消除光学湍流效应一直是光学成像及图像处理领域的难点问题。传统的数字稳像方法主要解决拍摄过程中因相机抖动而产生的图像晃动问题，主要包括运动估计和运动补偿两个步骤，用于消除两帧之间旋转和平移。但是，大气湍流具有时空随机变化的特点，这种变化对成像系统的影响很难用传统数字稳像方法中的数学模型解析地描述。大气湍流退化视频稳定主要包括两个大的步骤，第一步是消除大气湍流效应产生的成像动态畸变，第二步是消除大气湍流效应产生的成像模糊。消除大气湍流效应产生的成像动态畸变的方法主要有如下：奥马尔·奥费杰等提出的低秩值矩阵分解法、尼尔·瓦德瓦等提出的基于相位的方法和娄一飞等提出的基于拉普拉斯算子的方法。低秩值矩阵分解法使用低秩矩阵分解的方法把湍流视频分解为三个部分：背景、湍流和运动物体，该方法可以分解湍流畸变，但计算复杂度非常高。基于相位的方法对局部相位进行时间滤波，能够消除弱起伏强度大气湍流效应产生的畸变。但是，由于该方法没有考虑大气湍流引起的光强闪烁问题，因此稳像后出现图像明暗变化现象。基于拉普拉斯算子的方法对每一帧使用索博列夫梯度锐化，然后用拉普拉斯算子消除时间扭曲，抑制成像畸变和模糊，但是无法处理较强大气湍流下的稳像问题，而且计算量大。大气湍流退化视频稳定的另一方面是去除畸变校正后视频图像的模糊问题。湍流图像的去模糊实际上为图像反卷积的过程，其难点在于估计湍流效应的点扩散函数。目前有多种估计模糊核的算法，其中最直接的方法是使用大气调制传递函数，根据湍流成像环境设置大气调制传递函数函数的系数，然后进行反卷积操作。使用时间回归算法得到一个近似衍射受限的模糊图像，可以使用空间不变的去模糊算法恢复清晰图像。上述方法需要对于图像序列整体运算，计算效率低。大气湍流效应产生的成像畸变在视频中表现为局部像素的随机摆动，即高频的局部运动，而抑制高频噪声最通常的方法就是低通滤波。所以，就要针对现有方法的问题来设计一种计算量适中且计算效率高的大气湍流退化视频稳定的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种稳定大气湍流效应产生的成像畸变，消除湍流带来的模糊，克服现有湍流处理算法运算效率低下缺点，快速得到一段稳定、清晰视频的视频稳定方法。本专利技术解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法，包括以下步骤：第一步：对视频每一帧图像进行金字塔分解。本专利技术中选择N.瓦德瓦构造的近似拉普拉斯金字塔表示图像帧。该金字塔由一系列高通分量和一个低通分量构成。构造过程中首先分别对原图像进行高通和低通滤波，高通分量作为金字塔第一层；低通分量经降采样后再进行高通和低通滤波，高通分量作为金字塔第二层，以此迭代至需要的层数为止。第二步：基于Riesz变换(里斯变换)计算金字塔每一层子带的局部幅度和局部相位。第三步：对局部幅度和局部相位进行时间低通滤波。对局部相位使用时间低通滤波，滤除视频中由于大气湍流扰动产生的高频随机摆动，得到只有低频的、不动的背景信息。设滤波后局部幅度和局部相位分别为Ak′，根据公式重建出当前的金字塔子带Ik，再进行金字塔重构，得到当前帧的处理结果。第四步：基于大气湍流调制传递函数，对单帧图像去模糊。受大气影响的图像退化可以看作是无模糊图像与大气湍流点扩散函数的卷积过程。大气湍流调制传递函数是大气湍流点扩散函数的傅里叶变换模值，可以依据伊扎克等提出的方法利用天气参数建立。维纳滤波是最常用的反卷积滤波器，它能够在最小均方误差意义上恢复原信号。优选的，所述的黎兹金字塔为先使用一种近似拉普拉斯金字塔分解图像，然后对每层子带进行Riesz变换得到的金字塔。优选的，所述的第二步中的Riesz变换在二维条件下的频域表示为：其中，(·,·)T表示向量的转置，ω＝(ω1,ω2)表示频域坐标，j代表了虚数单位，R1和R2分别表示了Riesz变换的两个结果，R1(ω)和R2(ω)表示了频域Riesz变换的结果，IF为原图像I的傅里叶变换。在空域中，二维Riesz变换可以使用以下两个卷积核近似实现，来提高运算效率：和对于图像金字塔的第k层Ik，其Riesz变换为(R1k,R2k)，向量(Ik,R1k,R2k)可以由局部幅度Ak、局部方向θk和局部相位表示：局部幅度表示了图像局部亮度，定义为：局部相位包含了图像的结构和运动信息，定义为：优选的，所述的第四步的维纳滤波的公式表述为：其中，H(u,v)为退化函数，即大气湍流调制传递函数，(u,v)为频域坐标，K为常数，其大小表示了噪声与信号的比例，本专利技术中令K＝0.01。维纳滤波器与退化图像G(u,v)的乘积得到消除模糊的图像F-1表示傅里叶反变换。本专利技术的优点和积极效果是：1、本专利技术利用低通滤波的思想来消除大气湍流效应产生的成像畸变。Riesz变换是希尔伯特变换的多维扩展，它能够得到二维信号的局部幅度和局部相位信息。局部幅度反映了视频中各帧图像局部灰度的明暗变化，而局部相位变化表示了视频中的局部运动信息。通过对单演局部幅度和局部相位的低通滤波，能够抑制局部的高频噪声和图像畸变。2、本专利技术针对大气湍流效应产生的成像去模糊反卷积退化函数，即大气湍流调制传递函数的建模问题，选择伊扎克等提出的方法利用天气参数建立大气湍流调制传递函数模型和成像畸变消除方法集成。根据天气预测的大气调制传递函数对大气模糊图像进行重建。3、本专利技术通用性强，能够应用于近地面的自然光和红外成像，或者遥感、天文观测等场景，成像和湍流噪声在滤波过程中都得到抑制，提高了影像的信噪比，由于采用空域的金字塔和Riesz变换，运算效率很高，可以在消除湍流畸变的同时保留视频中的运动目标。附图说明图1是本专利技术的总流程图；图2是本专利技术的时间低通滤波的效果图；图3是本专利技术的时间滤波后某一点像素值的变化图像；图4是本专利技术的棋盘格仿真实验的结果对比图；图5是本专利技术的大气湍流中红外视频稳像结果的对比图；图6是本专利技术中自行拍摄的自然光视频处理结果的对比图；图7是本专利技术对于具有低速运动目标的湍流视频的处理结果对比图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术实施例做进一步详述：如图1所示，本专利技术所述的一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法如下：第一步：图像金字塔分解强烈的噪声对时间滤波产生不利影响，使用图像金字塔把图像分解为具有不同空间频率的子带，具有较低空间频率的图像子带的信噪比得到了提升，降低了噪声对时间滤波的影响。所以在进行Riesz变换(里斯变换)之前需要对每一帧图像使用金字塔分解来降低空间频率。拉普拉斯金字塔是一种空域中紧凑的金字塔，它把图像分解为一系列高通分量和一个低通分量。但是拉普拉斯金字塔在每层子带处理后无法准确重建原图，而且它的脉冲响应带宽较窄不利于时间滤波处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：对视频每一帧图像进行金字塔分解。本专利技术中选择N.瓦德瓦构造的近似拉普拉斯金字塔表示图像帧。该金字塔由一系列高通分量和一个低通分量构成。构造过程中首先分别对原图像进行高通和低通滤波，高通分量作为金字塔第一层；低通分量经降采样后再进行高通和低通滤波，高通分量作为金字塔第二层，以此迭代至需要的层数为止。第二步：基于Riesz变换(里斯变换)计算金字塔每一层子带的局部幅度和局部相位。第三步：对局部幅度和局部相位进行时间低通滤波。对局部相位使用时间低通滤波，滤除视频中由于大气湍流扰动产生的高频随机摆动，得到只有低频的、不动的背景信息。设滤波后局部幅度和局部相位分别为A

【技术特征摘要】
1.一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法，其特征在于：包括以下步骤：第一步：对视频每一帧图像进行金字塔分解。本发明中选择N.瓦德瓦构造的近似拉普拉斯金字塔表示图像帧。该金字塔由一系列高通分量和一个低通分量构成。构造过程中首先分别对原图像进行高通和低通滤波，高通分量作为金字塔第一层；低通分量经降采样后再进行高通和低通滤波，高通分量作为金字塔第二层，以此迭代至需要的层数为止。第二步：基于Riesz变换(里斯变换)计算金字塔每一层子带的局部幅度和局部相位。第三步：对局部幅度和局部相位进行时间低通滤波。对局部相位使用时间低通滤波，滤除视频中由于大气湍流扰动产生的高频随机摆动，得到只有低频的、不动的背景信息。设滤波后局部幅度和局部相位分别为Ak′，根据公式重建出当前的金字塔子带Ik，再进行金字塔重构，得到当前帧的处理结果。第四步：基于大气湍流调制传递函数，对单帧图像去模糊。受大气影响的图像退化可以看作是无模糊图像与大气湍流点扩散函数的卷积过程。大气湍流调制传递函数是大气湍流点扩散函数的傅里叶变换模值，可以依据伊扎克等提出的方法利用天气参数建立。维纳滤波是最常用的反卷积滤波器，它能够在最小均方误差意义上恢复原信号。2.根据权利要求1所述的一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛斌党，山程，
申请(专利权)人：天津中航亿达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12