一种面向UUV的水下图像色彩补偿与恢复方法技术

本发明专利技术属于水下光学成像与图像增强领域，具体涉及一种面向UUV的水下图像色彩补偿与恢复方法。首先通过水下光学成像模型获取亮通道水下图像并对其进行色彩补偿，进一步利用直方图均衡化进行图像视觉效果增强；其次，在水下光学成像模型的基础上，考虑多种水域类型，分析红绿蓝通道衰减比，估计背景光和水下透射率，并利用白平衡假设选取最优的水下恢复图像；最后，基于像素级融合和加权处理对原始图像的色彩补偿图像与色彩恢复图像进行加权融合，解决图像雾化严重、对比度低等问题，实现提升图像质量的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种面向UUV的水下图像色彩补偿与恢复方法
本专利技术属于水下光学成像与图像增强领域，具体涉及一种面向UUV的水下图像色彩补偿与恢复方法。
技术介绍
水下无人航行器(UnmannedUnderwaterVehicle，UUV)作为继鱼雷、水雷等之后的一类新型水中兵器，是一种集环境感知、动态规划、行为控制与能源适配等功能于一体的水下无人系统，在军事勘测，水下侦查，防御攻击等方面具有重要的意义。目前，应用于UUV的水下视觉技术主要可以分为声视觉和光视觉两种，其中光视觉图像增强技术成为UUV水下图像增强的研究热点。由于光在水中发生衰减和散射，使得UUV光视觉系统获得的光照不均匀且获得的水下图像存在模糊、对比度低、颜色失真且存在噪声的问题。目前，国内外研究水下图像增强的方法主要分为空域法、频域法和色彩修正法三种。空域法基本上以灰度映射变换为基础，直接对图像的像素进行处理，该类水下图像增强技术较为成熟，具有算法实现简单、处理后的水下图像对比度增强较为明显等优点，但其没有考虑偏色情况，引入伪影、颜色失真、放大噪声等问题没有得到很好解决；变换域法是运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向UUV的水下图像色彩补偿与恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：对UUV拍摄到的图像进行亮通道的提取/n根据Jaffe-McGlamery水下光学成像模型得总强光的表达式，即/n

【技术特征摘要】
1.一种面向UUV的水下图像色彩补偿与恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对UUV拍摄到的图像进行亮通道的提取
根据Jaffe-McGlamery水下光学成像模型得总强光的表达式，即



式(1)中，(x,y)代表图像中像素具体位置，C∈{R,G,B}代表红、绿、蓝三种通道，Jc(x,y)为原始图像,Ic(x,y)为衰减后的图像，A∞为背景光；Ed(x,y)为摄像机接收的直接光强；c(λ)为总的衰减系数，包含由吸收和散射造成的衰减；λ为图像R,G,B三个颜色通道中的某一通道；d(x)为物体与UUV之间的距离；g(x,y)为点扩展函数；Ef(x,y)为前向散射光强；Eb(x,y)表示后向散射的光强；
UUV接收到的光由直接分量、前向散射分量和后向散射分量组成，设透射率Sc(x)为：
Sc(x)＝exp[-c(λ)d(x)](2)
物体与摄像机相距很小时，前向散射光引起的模糊忽略，故式(1)简化为：
Ic(x,y)＝Jc(x,y)Sc(x)+A∞[1-Sc(x)](3)
对等式(3)两边和红、绿、蓝三通道邻域内取最大值来提取亮通道，即




为提取到的亮通道图；
亮通道获取方法表示为式(5)：

为获取图像Ic(x,y)中各像素点处红、绿、蓝通道的最大值，为最大值滤波，滤波模板尺寸是Ω(x,y)；



步骤二：对步骤一提取亮通道得到的图像进行亮通道色彩补偿
由灰世界白平衡假设得在无噪声的图像中红、绿、蓝三种通道具有相同均值的灰度值，经过大量实验和理论推导得补偿后图像灰度值的均值与衰减后图像灰度值的均值的差值和原始图像灰度值的均值成正比，因此，需对衰减图像乘以补偿后图像灰度值的均值与衰减后图像灰度值的均值的差值；同时，在水下，三种颜色的通道的衰减不一样；如果统一处理，会使有些通道的值达到饱和，产生大量白光，因此需对图像中灰度值较低的色素进行补偿；
基于以上分析，提出基于亮通道的色彩恢复算法，即：



式(6)中，C∈{R,G,B}为红、绿、蓝三种颜色的通道，Ic(x,y)为衰减后的图像，IBC(x,y)为经过色彩补偿后的图像，为亮通道补偿后三种色道的灰度值的均值，衰减图像三色道灰度值的均值；
式(6)中参与计算的所有图像像素值均除以255缩小到[0,1]区间，η＝3.5，为向下取整操作，N<>表示将像素值线性拉伸至[0,255]区间；
步骤三：对步骤二色彩补偿后的图像进行直方图均衡化处理
在水下复杂的环境下，水的浑浊程度不同带来的散射效应不一样，使得图片呈现出不同程度的模糊，需要用直方图均衡化算法进一步处理；
在离散形式下，用频率代替概率，这里用rk代表IBC(x,y)的离散灰度级，k为灰度级数，并且下式(7)成立：



其中，0≤rk≤1,k＝0,1,2,3,…,n-1,nk为图像中出现rk这种灰度的像素数，n是图像中的像素总数，而就是概率中所述的频数；
图像进行直方图均衡化的函数表达式为：



直方图均衡化的函数表达式(8)需要满足两个条件：(a)T为单值单调递增函数，(b)0≤r≤L-1存在0≤T(r)≤L-1；
满足上述两个条件，累积分布函数将原先灰度级分布不均匀的直方图转换成灰度级分布均匀的直方图，相应的反变换为：
ri＝T-1(Si)(9)
利用变换后的离散灰度级ri恢复出图像Iz＝F(ri)，其中；F为映射函数；
步骤四：UUV拍摄的原图像再处理，对水下图像形成模型改进、并对改进后模型中的背景光和水下透射率估计，进一步估计场景恢复Jc
步骤4.1根据Jaffe-McGlamery水下光学成像模型公式(1)得到其简化水下光学成像模...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁洪涛，朱鑫，尚茹月，申秀清，史永然，曹仁杰，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61