[发明专利]一种基于交替方向乘子法的水下光照不均匀图像增强方法

说明书

本发明公开了一种基于交替方向乘子法的水下光照不均匀图像增强方法，首先，估计初始光照图时，将图像从RGB颜色空间转换到Lab颜色空间，提取亮度分量作为初始光照图；然后基于交替方向乘子法原理，构造一个增广拉格朗日框架的约束优化方程，通过迭代求解优化方程，得到精准光照图；根据Retinex理论，将待处理图像与光照图转换到对数域求取对数域中的反射图像，再进行指数运算即可得到增强图像。最后，利用双边滤波器抑制水下噪声，获得更细致的水下增强图像。本发明提出的方法有效地提高了水下光照不均匀图像的质量，相较于同类方法，在去除光照对水下图像的影响以及保留图像细节方面有更好的性能。

技术领域

本发明属于图像处理技术领域，具体涉及一种水下光照不均匀图像增强方法。

背景技术

水下环境的未知性和复杂性是人类开发海洋资源的一大挑战。相比于声学探测设备，水下视觉传感器能够直观地获取丰富多彩、高分辨率的水下环境和目标特征信息，正被广泛应用于海洋技术开发和科学研究。然而，由于水对光的散射和吸收，水下图像常呈现可见度低、边缘模糊、颜色失真等现象。此外，深海点光源的聚射效应、水面波纹对自然光的折射效应，都会导致水下图像呈现严重的光照不均匀现象。因此，如何解决光照不均匀引起的水下图像模糊和失真问题对实现高效的水下探测、识别和作业等至关重要。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于交替方向乘子法的水下光照不均匀图像增强方法，首先，估计初始光照图时，将图像从RGB颜色空间转换到Lab颜色空间，提取亮度分量作为初始光照图；然后基于交替方向乘子法原理，构造一个增广拉格朗日框架的约束优化方程，通过迭代求解优化方程，得到精准光照图；根据Retinex理论，将待处理图像与光照图转换到对数域求取对数域中的反射图像，再进行指数运算即可得到增强图像。最后，利用双边滤波器抑制水下噪声，获得更细致的水下增强图像。本发明提出的方法有效地提高了水下光照不均匀图像的质量，相较于同类方法，在去除光照对水下图像的影响以及保留图像细节方面有更好的性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：从水下图像中提取初始光照图

步骤2：基于交替方向乘子法原理，构造一个增广拉格朗日框架的约束优化方程，通过迭代求解优化方程，获取精准光照图；再采用Gamma校正方法对精准光照图进行校正，得到校正后的精准光照图；

步骤3：根据Retinex理论对校正后的精准光照图进行增强，得到反射图；再采用双边滤波方法对反射图保边去噪，得到最终的水下增强图像。

进一步地，所述从水下图像中提取初始光照图的方法如下：

将水下图像S(x,y)从RGB颜色空间转换到Lab颜色空间，将Lab颜色空间的亮度分量L作为初始光照图

进一步地，所述获取精准光照图的方法如下：

构造优化方程：

其中，‖·‖_F表示Frobenious范数，‖·‖₁表示L1范数，α是系数，W是权重矩阵，是T的一阶微分，T是精准光照图；

利用交替方向乘子法将优化方程式(1)更新如式(2)：

采用增广拉格朗日乘子方法求解式(2)，构造式(2)的增广拉格朗日目标函数：

其中λ为增广拉格朗日乘子，ρ为增广拉格朗日参数，ρ0，则式(3)的迭代方式如式(4)～式(7)：