[发明专利]一种基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法

说明书

技术领域

本发明属于图像处理和分析技术领域，特别是在存在吸收和散射光学衰减的环境中，例如雾天及水下环境中拍摄彩色图像的基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法。

背景技术

水下视觉是海洋探测、海洋生物调查、水下工程监测中重要的科学研究依据。在水中，水体光学衰减、散射及光源照明使得拍摄的水下图像存在可见距离小、低对比度、模糊、非均匀照明、亮斑、色彩投射和各种噪声等复杂退化，因此在应用计算机视觉方法进行各种水下视频分析及图像的处理应用中，水下图像的复原或增强都是必要的处理过程。光在水中传输，水体内部光学属性(IOP)决定的吸收和散射影响了整个水下成像的效果。浮游生物、彩色溶解有机质和总悬浮物质的浓度和目标距离成也是影响水下彩色图像质量的主要因素。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。随着水下深度的增加，色彩按照波长依次消失，在靠近光谱红色一端的波长的吸收速度大约是靠近蓝色端光谱吸收速度的100倍，蓝色由于波长最短，在水下传播的距离最长。运动作业时所引起的浪花、漩涡、泥沙及各种海洋生物的影响也导致了图像的不规则模糊。除此以外，成像系统、光源色温都将对水下彩色图像的质量产生影响。

水下图像增强主要包括了对图像对比度、清晰度和色彩补偿等方面的研究。近年来，研究人员基于He等人提出的图像去雾理论提出了很多水下图像增强方法，He等人对自然白天的图像进行统计，提出暗通道假设，认为无雾自然图像中至少有一个彩色通道有非常低的亮度值，因此暗通道的亮度增加是因为雾，经典暗通道法通过选择暗通道中最亮的像素对应的彩色分量值作为背景光估计值。Chiang等在暗通道的基础上，假设已知衰减系数，通过估计图像的深度图，将图像分割为前景和背景部分然后通过颜色矫正对图像进行增强，但是这种方法仅对于偏蓝色背景的清澈水下图像较为有效。Galdran等提出了红通道假设，提出在水中随着距离增加红通道衰减的更快，后向散射背景光通过红通道的最大值来估计。Carlevaris-Bianco等人提出的暗通道法从蓝-绿通道与红通道差值的最大值来估计传输图，用传输图的最小值作为后向散射背景光。在已有的水下图像去雾增强方法中，后向散射背景光都是被假设为在整幅图像中是均匀的。但实际上，在水下环境中，水中的悬浮颗粒的浓度较高，光线-颗粒的交互散射作用结果使图像的背景光亮度并不均匀。在经典暗通道的基础上，Emberton等人提出了分层后向散射背景光估计法，但是必须根据一些图像特征找到图像中最模糊的区域。Ancuti等人提出了基于局部暗通道最大值的后向散射背景光估计法来实现多尺度的水下图像融合增强。基于局部背景光的两个方法中，都是对暗通道直接求局部最大值，目前的这些方法虽然取得了一定的去雾及色彩增强效果，但增强的水下图像清晰度不佳。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对存在吸收、散射引起的模糊、对比度降低、饱和度降低和非均匀色彩投射等退化因素的水下彩色图像特别是近岸水下彩色图像，提出一种有效的基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法，可实现对水下彩色图像的清晰度、对比度和色彩的有效增强。

本发明提出了利用光线和粒子交互概率模型的局部后散射光估计法和基于Retinex光照反射模型的传输图估计法。本发明适用于存在饱和度下降、非均匀色彩投射、模糊等退化的水下彩色图像及其他具有相同退化的光衰减环境。

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。本发明是一种基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法，其特点是：该方法步骤如下：对水下退化图像，在Jaffe-McGlamery成像模型基础上，对暗通道图像采用Retinex方法估计传输图，然后利用泊松分布拟合的局部散射背景光估计法，将暗通道图像块中最接近估计值像素点对应的水下彩色图像像素值作为该图像块后向散射背景光，在求得复原图像后，应用对比度拉伸进行色彩增强，最后获得增强后水下图像输出。

本发明所述的一种基于暗通道理论的水下彩色图像增强方法，其特点是：所述的Retinex方法选自：

1、单尺度视网膜增强SSR(Single Scale Retinex)；

2、多尺度视网膜增强算法MSR(Multi-Scale Retinex)；

3、带色彩恢复的多尺度视网膜增强算法MSRCR(Multi-Scale Retinex with Color Restoration)；

4、McCann Retinex算法(也称迭代Retinex)。