[发明专利]基于功率谱描述的水下图像质量评价测量方法

说明书

技术领域

本发明属于图像处理和分析技术领域，特别是一种基于功率谱描述的水下图像质量评价测量方法，可以对存在吸收和散射光学衰减的环境中例如水下环境中拍摄图像进行处理和分析。

背景技术

图像质量客观评价算法的研究是图像处理和图像分析领域非常基本的科学问题。人们希望找到一种可靠和合理的图像质量客观评价的方法，能够逼近人类视觉系统的评价结果。在水中，光速受温度和盐度变化的影响较小，探测方向性好，定位较准确，同时光波具有能直接二维强度成像、多光谱摄像以及图像分辨率高等特点，能够自动、快速的识别目标。典型的水下视觉图像由于存在照明条件不良及水体对光的吸收效应、散射效应和卷积效应等使得水下图像有较严重的非均匀亮度和细节模糊，而且图像信噪比很低，图像对比度明显变差，易出现假细节、自阴影、假轮廓等。前向散射导致图像特征的模糊，后向散射通常使图像的对比度降低，产生雾状模糊叠加在图像上。吸收和散射不仅仅是由水体本身产生，还包括溶解有机物和小的漂浮粒子影响，漂浮粒子称为“海雪”（在种类和浓度上变化较大）。水下图像采集系统所拍摄的水下图像大多存在以下问题：有限的可视距离、低对比度、非均匀照明、模糊、光斑、色彩丢失和各种复杂因素的噪声。应用传统的计算机视觉方法对水下图像进行处理和分析将面临上述这些问题。随着水下传感器技术水平的不断进步，如何提高水下视频图像信息自动处理能力是解决智能水下监测和水下作业的关键。空气中的图像与水中不同，水下环境中没有原图像可言，对于现场测量得到的水下图像，则我们需要一个无参考或者说盲评价的客观图像质量测评方法，用来在不同环境中定义真实的图像质量。建立这样的标准很重要，计算机系统需要知道什么时候停止，并决定是否已经发现了最好的结果，并且这个“最好”的结果在可比较的水下环境中是可接受的。

水下图像的退化虽然可以应用MTF(Modulation Transfer Function)的建模来描述，通过实验测量水体、微粒的组分等，但实际上，有效性常受限于MTF建模的有效性和小角散射等近似。而对于增强或复原严重退化图像过程中取得的一点点质量的提高，很难判断一种方法比另一种结果更好，而对于实时的和自动的处理，这却是最重要的。目前用于水下图像的质量评价方法非常有限，主要见于各种水下图像复原和增强过程，Schechner and Karpel等人在水下偏振光装置分析中采用对比度度量水下图像质量的标准。但是，水下偏振光分析需要特殊的装置，而且全局对比度的度量方法容易受到噪声和非均匀照明的影响。Hou等人对以后向散射为主，存在噪声的水下目标图像，提出了一种基于加权灰度尺度角（GSA，GrayScale Angle）的图像清晰度评价标准（美国专利US201313856487）。Hou等人提出的WGSA仅对存在有意义目标的水下图像给出评价值，而对于任意一副水下图像，并未有相应的质量评价，且时间复杂度较大。Arnold-Bos等对深海和未知的水生环境实验中，提出了梯度幅值直方图应近似指数分布程度的评价准则，定义了一个0~1之间的鲁棒索引。以上方法均针对某种水下图像增强和复原具体应用，仅仅针对图像本身内容的清晰度来定义图像质量，在以图像质量为选择基础的后续处理中，将会造成恶劣水下环境中的目标图像的丢失。目前并没有可用于评价不同水生环境中图像质量的方法。同时，以上方法会受到噪声影响，对无目标水下图像无法评价和与视觉主观一致性差的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提出一种通用性的基于功率谱描述的水下图像质量评价测量方法，该方法采用log对比度功率谱斜率综合因子描述水下环境，同时应用归一化对比度分布、平均亮度和块平均清晰度操作的加权组合来测量具体的水下图像。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种基于功率谱描述的水下图像质量评价测量方法，其特点是：对一幅水下图像I，设I的图像质量为PSVIQE={C, Q}，其中，C为描述水下成像环境的因子，Q为对水下图像本身的测量值；C用于区别水下图像所在的水下环境，C越大，水体透明度较好，有利于清晰成像，C越小，水体的吸收和散射衰减越大；Q值是测量水下图像的清晰程度；Q值越大说明图像中包含目标且比较清晰，Q值越小说明水下图像中没有目标或图像比较模糊；

C ∈（0，1），C值通过以下式（1）确定：

               (1)