一种基于暗通道先验与BM3D算法的新型水下图像复原方法，首先直方图对图像中的异常高亮进行筛选，参考了暗通道先验原理计算水下图像暗通道，接着使用BM3D算法去除图片中的噪声，然后对去噪后的暗通道图像根据暗通道先验计算透射率；从暗通道图中选取亮度最大的0.1％的像素点，然后在原始图像中找到对应位置的像素点，将这些像素点中亮度最大的像素点的灰度值作为水体的光照强度，通过搭建的图像模型求出复原后的水下图像。本发明专利技术提出的复原方法可以提前去除异常影响，得到清晰度更高且噪声更少的水下图像。噪声更少的水下图像。噪声更少的水下图像。
【技术实现步骤摘要】
基于暗通道先验和BM3D算法的新型水下图像复原方法
[0001]本专利技术涉及一种水下图像复原方法，具体涉及一种基于暗通道先验和BM3D算法的新型水下图像复原方法，属于水下图像处理
技术介绍
[0002]水下环境由于水体介质的影响，水下图像可以看作是直接衰减、前向散射、后向散射三者的线性叠加。直接衰减是指目标物体反射未发生散射的光，而目标物体反射发生小角度散射的光即为前向散射。非目标物体反射却仍被摄像机捕捉到的光称为后向散射。水下环境比大气环境复杂，因为无法考虑水体对光的选择性衰减特性和微粒的散射特性。退化严重，其中存在复杂的噪声，包括加性高斯噪声，具有乘性噪声性质的脉冲噪声，散斑噪声，总体上呈现功率谱密度不均匀的有色噪声。
[0003]水下图像的复原技术在图像的成像过程和雾天成像过程具有相似之处，不同之处在于水下图像成像是会产生颜色的失真现象。何凯明等人通过统计大量的雾天图像和无雾图像的特征，首次提出了暗通道先验理论，该方法讲述了在绝大多数的非天空的局部区域，图像中的某些像素总会至少有一个颜色通道的值很低，而且该颜色通道的像素值极具接近于零。随后去雾算法被用于水下图像增强处理中。
[0004]周治在论文《基于暗通道和色彩校正的水下图像增强方法》中针对暗通道进行水下图像复原会导致水下图像出现颜色失真的问题，针对这一问题，提出一种改进的基于暗通道和色彩校正的水下图像增强方法。通过色彩校正可以提高图像清晰度的同时，还原图像色彩。
[0005]水下退化图像主要存在的问题有对比度低、模糊度高、光照强度不均匀以及含噪声复杂,已有的水下图像复原方法并不能很好的解决水下图像存在的所有问题。此专利技术提出一种不同的方法以更好的解决水下图像复原问题。
技术实现思路
[0006]针对现有的技术上的不足之处，本专利技术目的是提供一种基于暗通道先验和BM3D算法的新型水下图像复原方法，通过使用直方图对原始图像进行异常高亮的处理，再使用暗通道先验原理对水下图像求暗通道，使用BM3D算法对暗通道图像进行去噪；在此基础上接着计算水下透射率以及水体的光照强度；最终求得水下图像的复原结果。
[0007]本专利技术的技术方案如下
[0008]一种基于暗通道先验和BM3D算法的新型水下图像复原方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1，通过水下摄像头，获取自然光照下的水下退化图像；
[0010]步骤2，使用直方图对水下异常亮点进行筛选处理；
[0011]步骤3，计算并输出图像的暗通道图像；
[0012]步骤4，使用BM3D算法对水下暗通道图像进行去噪处理；
[0013]步骤5，利用暗通道先验原理计算水下透射率以及水体的光照强度；
[0014]步骤6，使用水下自然光照模型计算出复原图像。
[0015]进一步，所述步骤1中，使用水下摄像头在不同的水体下进行拍摄，获取正常光照情况下的静态水下图像。
[0016]所述步骤2中，使用直方图对水下异常亮点进行处理，以防止对后续暗通道先验的影响，直方图反映了图像中的灰度分布规律。对灰度值异常高于平均值的点，不参与后续水体光照强度的计算。
[0017]所述步骤3中，获取水下图像,并利用退化模型表示水下图像,公式为
[0018]I(x)＝J(x)t(x)+A(1
‑
t(x))
[0019]其中,I(X)表示水下图像在像素点的亮度,J(X)表示复原后的清晰图像在像素点x的亮度,t(x)表示水体在像素点的透射率,A为水体的光照强度；接着利用暗通道先验理论对水下图像求取暗通道图像。
[0020]所述步骤4中，利用BM3D算法对暗通道图像进行去噪,得到去噪后的暗通道图像。
[0021]所述步骤5中，从去噪后的暗原色图像中选取亮度最大的0.1％的像素点,然后在初始的水下图像找到这些像素点对应所在位置的像素点,将在水下图像上找到的像素点中亮度最大的像素点的灰度值作为水体的光照强度，同时计算水体的透射率，并且得到水体透射率图。
[0022]所述步骤6中，根据步骤5得到的水体的光照强度和水体透射率,对水下图像进行复原,得到复原后的清晰图像。
[0023]其中，步骤3的暗通道图像计算公式为：
[0024][0025]其中，I
dark
(x)表示暗通道图像在像素点x的亮度，Ω(x)表示水下图像中以像素点x为中心的局部块，I
c
(y)表示水下图像局部块Ω(x)内像素点y在某一颜色通道c的像素值，r、g、b分别表示红、绿、蓝颜色通道。
[0026]根据步骤4，BM3D算法是结合了两种噪声算法：一种是非局部去噪办法Non
‑
local method，是一种空间算法，另一种transform method是一种转换算法，BM3D算法总体分为两大步，每一大步又分为三小步：相似块分组、协同滤波和聚合，首先是对噪声图像进行操作，首先选定一个参考块Z
xR
以其左上点的坐标值为中心，设置一个一定大小的窗口，利用以下公式计算出当前块与参考块的相似度：
[0027][0028]其中，是二维线性转换，常用的有二维离散余弦变换，γ'为硬阈值函数，但是在代码中没有体现。为参考块的大小；
[0029]通过这个公式，计算出窗口内所有的图像块与参考块的相似性，将满足以下条件的图像块的坐标和图像块分别保存：
[0030][0031]是阈值，在编写代码时，将各个图像块的相似度计算出来，满足以上条件的将其保存(图像块和坐标)，然后进行排序，如果满足条件的图像块的数目多于我们所设置的
块数，选择前n(设置的最大的块数)个相似度最大的块，否则将全部的块保存，通过上面的步骤，找到了以一个图像块为参考，与其相似度比较大的块的集合，为一个三维的数组，用表示，接下来对其进行collaborativ filtering(协同滤波)；
[0032][0033]在该步骤中，是按位置进行操作，每一次都取出同一组同一位置的像素，组成一个数组，对其进行操作；
[0034]通过之前的滤波，图像中的大部分噪声被滤除，接下来打算将滤波后的图像块恢复到原来的位置，因为组之间的图像块之间存在重叠相交的情况，在存在相交的位置，采用权值平均的方法来进行聚合复原，权值通过如下函数进行设置：
[0035][0036]接下来，利用以下公式对图像进行初步去噪：
[0037][0038]接下去，在Basic estimates中选择一个参考块，计算二维离散余弦变换，将噪声图中相对应位置的图像块也进行二维离散余弦变换，分别将其保存。
[0039]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果：
[0040]1、本专利技术在研究水下图像光照模型的基础上，将暗通道先验理论用于处理水下图像，但是考虑到有些图像会因为异常高亮导致暗通道中选择亮度最大的像素点产生误差，因此提前使用直方图扑捉异常高亮的像素点，并且使用直方图本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于暗通道先验和BM3D算法的新型水下图像复原方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤1：通过水下摄像头，获取自然光照下的水下退化图像；步骤2：使用直方图对水下异常亮点进行筛选处理；步骤3：计算并输出图像的暗通道图像；步骤4：使用BM3D算法对水下暗通道图像进行去噪处理；步骤5：利用暗通道先验原理计算水下透射率以及水体的光照强度；步骤6：使用水下自然光照模型计算出复原图像。2.如权利要求1所述的基于暗通道先验和BM3D算法的新型水下图像复原方法，其特征在于：所述步骤1中，使用水下摄像头在不同的水体下进行拍摄，获取正常光照情况下的静态水下图像。3.如权利要求1所述的基于暗通道先验和BM3D算法的新型水下图像复原方法，其特征在于：所述步骤2中，使用直方图对水下异常亮点进行处理，以防止对后续暗通道先验的影响，直方图反映了图像中的灰度分布规律，对灰度值异常高于平均值的点，不参与后续水体光照强度的计算。4.如权利要求1所述的基于暗通道先验和BM3D算法的新型水下图像复原方法，其特征在于：所述步骤3中，获取水下图像,并利用退化模型表示水下图像,公式为I(x)＝J(x)t(x)+A(1
‑
t(x))其中,I(X)表示水下图像在像素点的亮度,J(X)表示复原后的清晰图像在像素点x的亮度,t(x)表示水体在像素点的透射率,A为水体的光照强度；接着利用暗通道先验理论对水下图像求取暗通道图像。5.如权利要求1所述的基于暗通道先验和BM3D算法的新型水下图像复原方法，其特征在于：所述步骤4中，利用BM3D算法对暗通道图像进行去噪,得到去噪后的暗通道图像。6.如权利要求1所述的基于暗通道先验和BM3D算法的新型水下图像复原方法，其特征在于：所述步骤5中，从去噪后的暗原色图像中选取亮度最大的0.1％的像素点,然后在初始的水下图像找到这些像素点对应所在位置的像素点,将在水下图像上找到的像素点中亮度最大的像素点的灰度值作为水体的光照强度，同时计算水体的透射率，并且得到水体透射率图。7.如权利要求1所述的基于暗通道先验和BM3D算法的新型水下图像复原方法，其特征在于：所述步骤6中，根据步骤5得到的水体的光照强度和水体透射率,对水下图像进行复原,得到复原后的清晰图像。8.如权利要求4所述的基于暗通道先...
【专利技术属性】
技术研发人员：王涌，赵远方，周王益，潘宏，
申请(专利权)人：嵊州市浙江工业大学创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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