[发明专利]基于自适应透射率估计的水下图像清晰化方法

权利要求书

1.一种基于自适应透射率估计的水下图像清晰化方法，其特征在于，首先，对于输入的水下图像的各通道分别进行颜色衰减补偿；其次，分别基于图像模糊度、水下红通道先验和水下最大红通道先验得到三种透射率估计；然后，自适应判别水下图像的特征，根据得到的三种透射率估计求得最终的透射率估计；最后，根据水下成像模型并利用估计得到的水下背景光和最终的透射率估计恢复出清晰的复原结果；具体步骤如下：

步骤1：输入的水下图像为I_c(x)，对该水下图像为I_c(x)的各通道分别进行颜色衰减补偿，步骤包括：首先，由蓝绿通道均值判定水下图像I_c(x)的基调颜色，然后，基于该基调对应的颜色通道对其他两通道进行颜色补偿；

如图像的基调颜色为蓝色，则通过式(1)对红通道进行颜色衰减补偿：

其中，I_RC(x)表示补偿后红通道中x处的强度值，I_R(x)、I_B(x)分别表示水下图像I_c(x)的红通道和蓝通道中x处的强度值，表示水下图像I_c(x)的蓝通道和红通道的均值，α为常数；为了避免红通道过补偿现象，只对红通道较小强度像素进行补偿；

同理可对绿通道进行颜色补偿：

其中，I_GC(x)表示补偿后绿通道中x处的强度值，I_G(x)、I_B(x)分别表示水下图像I_c(x)的绿通道和蓝通道中x处的强度值，分别表示水下图像I_c(x)的蓝通道和红通道的均值，α为常数；

步骤2：经过颜色衰减补偿后的图像为I_c'(x)；基于图像模糊度得到透射率估计，利用图像I_c'(x)各像素点的强度值与其高斯滤波后的结果之差来估计该图像I_c'(x)的图像模糊度：

其中，Blur(x)表示图像I_c'(x)的x点处的模糊度，n为常数，Y(x)表示图像I_c'(x)中x点处的亮度值，G^k,σ表示核为k×k，方差为σ²的高斯滤波器，令k＝σ＝2ⁱn+1，n＝4；

对得到的图像模糊度进行最大值滤波，得到透射率

步骤3：在式(5)所示的水下成像模型的基础上，并基于式(6)所示的水下红通道先验，通过式(7)与式(8)的计算，最终得到式(9)中透射率估计；

式(5)中，表示红、绿、蓝三通道，表示水下图像I_c(x)对应的通道，表示恢复后的水下图像即清晰图像对应的通道，表示对应通道的透射率，表示对应通道的散射率,即对应通道的水下背景光强度；

式(6)中，J^RCP(x)为恢复后的水下图像，Ω(x)以像素点x为中心的局部块，R,G,B分别表示图像的红通道、绿通道和蓝通道，J(y,R)、J(y,G)、J(y,B)分别表示图像的红通道图、绿通道图和蓝通道图；

结合式(5)成像模型得：

式(7)中，t^β(x)为透射率，t^α(x)表示衰减率，即1-t^β(x)；A_R是红通道的水下背景光强度，A_G是绿通道的水下背景光强度，A_B是蓝通道的水下背景光强度；

对式(7)两边同时取最小化运算：

得到基于水下红通道先验的透射率估计：

步骤4：基于水下最大红通道先验得到透射率估计，对应距离相机越近的场景点的红通道强度值越大，则透射率表示为：

步骤5：自适应判别水下图像的特征，求得最终红通道的透射率估计：

式(11)中，ω＝S(arg(A_c),0.5)，υ＝S(arg(I^r),0.1)，S(x,y)＝[1+e^-32(x-y)]^-1，arg表示平均值；由式(11)得出：

当arg(A_c)＜＜0.5且arg(I^r)＞＞0.1，即背景光较暗但是红通道衰减较小时，ω≈0,υ≈1，则使用透射率估计透射率

当arg(A_c)＞＞0.5且arg(I^r)＞＞0.1，即背景光较亮且红通道衰减较弱时，ω≈1,υ≈1，则使用透射率估计透射率

当arg(I^r)＜＜0.1，即红通道衰减十分严重时，υ≈0，则使用透射率估计透射率

步骤6：通过步骤5求得红通道的透射率然后用衰减系数的比值求得其他两个通道的透射率：

式(12)中，k∈{G,B}表示蓝、绿通道，表示对应通道的透射率，是通过式(11)求得的红通道透射率，衰减系数比为：

式(13)中，m＝-0.00113,i＝1.62517,λ表示波长，λ^R表示红通道波长；

步骤7：对图像I_c'(x)进行四次循环分块，每次均选择均值和方差最小的块，然后，将最终得到的模糊度块对应到水下图像I_c(x)对应的位置，最后，求得的各通道的均值即为各通道的背景光估计值；

在第一次分块操作中，为了避免人工光源对背景光估计的影响，只使用图像I_c'(x)的上半部分，且在后续分块中，为去除噪声和图像中白色物体对背景光估计的影响，只对均值和标准差最小的块进行下一轮分块操作；

步骤8：根据步骤3中式(5)的水下成像模型并利用背景光估计和三通道透射率估计得到清晰图像J^RCP(x)。