專利名稱：一種暗原色和白平衡相結(jié)合的水下彩色圖像增強方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種暗原色和白平衡相結(jié)合的水下彩色圖像增強方法。
背景技術(shù)：
二十一世紀是海洋開發(fā)時代，海洋覆蓋了地球表面的71%，是全球生命支持系統(tǒng)的一個基本組成部分，它蘊藏著巨大的資源和能源，人類社會的發(fā)展必然會越來越多的依賴海洋；同時國際安全和沿海地區(qū)的安全，大多數(shù)都與海洋息息相關(guān)。因此開展水下圖像處理方法的研究，具有重要的意義和價值。
在海洋環(huán)境下，海水一直模糊著人們的視線，使得景物的能見度大幅降低，給觀看者和研究者帶來了嚴重的影響。隨著計算機視覺與圖像處理技術(shù)的發(fā)展，水下視覺系統(tǒng)的研究不斷深入，應用范圍不斷擴大，如水下勘測、水下機器人等。這些視覺系統(tǒng)需要以水下圖像為基本處理對象，通過計算機視覺、圖像處理等技術(shù)準確檢測輸入圖像的特征。然而在惡劣的水下條件下，水下彩色圖像的對比度和顏色都會發(fā)生改變或退化，圖像中蘊含的許多特征都被覆蓋或模糊，導致這些視覺系統(tǒng)無法正常工作。
水下圖像增強處理通常的方法是單獨對光的散射進行補償處理，或者單獨對水下圖像的顏色進行修正處理。對光的散射進行補償處理的方法有2004年，Schechner等運用物理模型為基礎(chǔ)，使用極化濾波器來補償退化的水下圖像的能見度；2007年，ff. Hou等使用聯(lián)合點擴散函數(shù)和調(diào)制傳遞函數(shù)降低水下圖像的模糊效應；2010年，L. Chao等運用圖像去模糊的方法來提高水下圖像的清晰度。雖然上述的方法在一定程度上，可以增強水下圖像的對比度和可見度，以及修復由波長衰減引起的圖像模糊等，但是卻仍然沒有涉及到顏色失真問題的改善方法。事實上，在水下環(huán)境下，圖像的顏色發(fā)生了一定的變化。2007年， A. Yamashita等利用顏色變化相關(guān)性技術(shù)估計水下環(huán)境參數(shù)，這些參數(shù)是由光的衰減引起的彩色配準構(gòu)成的；2010年，K. Labal等分別在RGB空間和HIS空間使用直方圖均衡化來平衡圖像的亮度分布。2011年，Norsila等指出水下圖像的視覺顏色有時并不代表現(xiàn)實中的真實顏色，光的吸收和散射作用會降低圖像的清晰度，為了提高水下圖像的可見度，根據(jù)直方圖分布提出了一種手動調(diào)控的顏色校正方法，達到增強圖像的效果。一個系統(tǒng)的研究方法需要把這些因素都要考慮到，其中包括光的散射、顏色失真等。
本發(fā)明提出的暗原色和白平衡相結(jié)合的方法可以有效地增強水下圖像的可見度和恢復水下圖像的顏色平衡，提高圖像的清晰度和顏色的保真度且該方法具有較快的運算速度。專利檢索及對國內(nèi)外各種科技文獻的最新檢索表明，尚未有一種暗原色和白平衡相結(jié)合的水下彩色圖像增強方法見諸文獻。發(fā)明內(nèi)容
針對水下圖像的低對比度、顏色失真的特點，本發(fā)明目的是在于提供一種暗原色和白平衡相結(jié)合的水下彩色圖像增強方法，對水下彩色圖像先進行暗原色先驗處理，復原水下圖像，然后進行自動白平衡處理，實現(xiàn)顏色校正，從而實現(xiàn)水下圖像的增強。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，其處理步驟依次為(O建立水下彩色圖像的成像模型，該模型由入射光衰減模型和大氣光線成像模型兩部分組成，其表達式為 = J(Sr, y)i(x, y) + ^4(x,j)[l -1 (χ,χ)]。
(2)根據(jù)暗原色的先驗規(guī)律，對水下彩色圖像ζ求其暗原色通道值，確定水下彩色圖像成像模型中水下大氣光成分3。
(3)計算水下彩色圖像/成像模型中介質(zhì)傳播函數(shù)(U)。
(4)依據(jù)水下大氣光成分j和介質(zhì)傳播函數(shù),確定水下彩色圖像J的復原圖像
(5)根據(jù)白平衡理論，對復原圖像J進行顏色修正。將圖像J的顏色空間轉(zhuǎn)換為rqc;顏色空間，以便確定一個由一系列參考白點組成的接近白色區(qū)域。
(6)計算接近白色區(qū)域的參考白點。
(7)根據(jù)參考白點的平均值和整幅圖像亮度的最大值，分別計算三通道增益。
(8)判斷圖像J在空間中紅色分量所占比重，修正通道增益。
(9)根據(jù)Km 模型來調(diào)整圖像，使其達到白平衡的效果。
(10)輸出增強后的圖像。
本發(fā)明綜合利用一種基于暗原色和白平衡相結(jié)合的水下彩色圖像增強方法，可以有效去除由光的散射引起的失真并修正顏色變化，有效地增強水下圖像的可見度和恢復水下圖像的顏色平衡，解決了水下圖像模糊和偏色的問題，且具有較快的運算速度。


圖1為本發(fā)明的可見光在水下環(huán)境的傳播成像原理示意圖。
圖2為本發(fā)明的在高透明度水體，可見光的衰減與水微粒的關(guān)系示意圖。
圖3為本發(fā)明方法的流程圖。
圖1中，I為大氣光，2為照相機，3為水中懸浮微粒，4為水下光源，5為拍攝的物體，6為反射光線,7為水域環(huán)境,8為散射光線。
圖2中，11為紅色光，12為橙色光，13為黃色光，14為綠色光，15為青色光，16為藍色光，17為紫色光，18為照相機,19為水下光源,20為拍攝的物體。
具體實施方式
為使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實施方式
，進一步闡述本發(fā)明。
如圖1中，水下光源4照射到水下物體5上，反射光線6通過媒介水體7和水下懸浮微粒3后，成為光線8投射到水下照相機2的圖像傳感器進行成像，其中，反射光線6通過媒介水體7和水下懸浮微粒3會發(fā)生散射效應。大氣光I會投射到水中，出現(xiàn)白色光區(qū)域。由此,建立水下光學成像模型,表達式為，Au) = AX沖(u)+』(u)[U(u)]。其中I(U)為拍攝到的水下彩色圖像。我U)為水下大氣光成分； (Χ.ν)為反射光線6通過媒介透射到照相機2的過程中未被散射的部分。取fAx,y)為反射光線在透射媒介7和懸浮顆粒3中經(jīng)衰減后的剩余強度8。AX j)[1-^Xj)]為由于散射引起的，會導致景物顏色偏移的大氣光部分。
在高透明度水體，可見光的衰減與水微粒的關(guān)系示意圖如圖2所示如圖2中，顯示了可見光的衰減與水微粒的相互關(guān)系。日光是一種復合光，它是由紅、 橙、黃、綠、青、藍、紫七種不同波長的單色光復合而成的。光在水中的傳播過程中會因為水的吸收作用致使強度逐漸減弱，而水對光的吸收作用與各單色光的波長有關(guān)。在圖2中，單色光為紅色光11、橙色光12、黃色光13、綠色光14、青色光15、藍色光16、紫色光。水對紅色光11和橙色光12吸收最多；黃色光13、紫色光17和綠色光14次之，而對藍色光16、青色光15吸收最少。圖1中顯示出紅色I在水下50厘米處很明顯地消失；大多數(shù)顏色光在 25米深處被吸收，所以，在水下看到的光色通常是偏藍綠色。
基于以上原因，水下照相機19拍出來的彩色圖像20都是藍綠色的；而且，隨著光在水中傳輸距離和水深的增加，這種偏色現(xiàn)象就愈加嚴重。正是因為顏色失真會隨水深增加而愈加嚴重，所以對水下圖像進行顏色校正是十分必要的。
圖3為本發(fā)明方法的流程圖，本發(fā)明一種暗原色和白平衡相結(jié)合的水下彩色圖像增強方法，基于可見光在水下環(huán)境的傳播成像原理，運用暗原色先驗規(guī)律復原圖像，使圖像清晰化；基于在水下看到的光色通常是藍綠色分量，而紅色分量大幅衰減的情況，應用白平衡理論知識，將復原后的圖像，進行顏色校正，解決水下圖像顏色失真的問題，增強圖像色彩和細節(jié)。為更詳細的對本發(fā)明的方法進行說明，如圖3所示，該方法的具體步驟依次為(I)根據(jù)光學模型，水下圖像的成像模型由入射光衰減模型和大氣光線成像模型兩部分組成，表達式為取}O = J(λ-,y)+。其中(U)為圖像中像素的坐標位置，Ku)為拍攝到的水下彩色圖像。為水下大氣光成分。為光線通過媒介透射到照相機過程中未被散射的部分，稱為透射率，O < (υ) <1。J(^y)為對水下彩色圖像進行復原后的圖像，即所要求取的圖像。為物體光線在透射媒介中經(jīng)衰減后的剩余強度。戎υ)[ι-《U)]為由于散射引起的，會導致景物顏色偏移的大氣光部分。
(2)由拍攝到的水下彩色圖像/，根據(jù)暗原色的先驗規(guī)律，對水下彩色圖像I求其暗原色通道值，表達式為(U) = mm(尸(Xj))，ceiXG,B}。其中尸表示圖像I的紅、綠、藍RGB空間的一個顏色分量。是指彩色圖像；中每個像素點R、G、B 3 個顏色通道上的最小亮度值,即為暗原色圖像/^(^0。
(3)根據(jù)所求取的彩色圖像J的暗原色通道值Ztot(U)，確定圖像/的成像模型中水下大氣光成分J，暗原色通道值(U)中的最大亮度值即為圖像I的成像模型中的水下大氣光成分2。
(4)根據(jù)所確定的水下大氣光成分2，計算圖像./成像模型中介質(zhì)傳播函數(shù) 表達式為 = I—。其中 )利用中值
權(quán)利要求
1.一種基于暗原色和白平衡相結(jié)合的水下彩色圖像增強方法，其具體步驟為 (1)建立水下彩色圖像的成像模型，該模型由入射光衰減模型和大氣光線成像模型兩部分組成；拍攝到的水下彩色圖像取7)簡稱為/ ,其表達式為I(U) = J(XjMu)+2(u)D-〗(u)];其中，(U)為圖像中像素的坐標位置；戎U)簡稱為』，為水下大氣光成分；如)為光線通過媒介透射到照相機過程中未被散射的部分，稱為透射率，且O < (υ) <1 ；J(r.ry)簡稱為J ,為對水下彩色圖像進行復原后的圖像，即所要求取的復原圖像；為物體光線在透射媒介中經(jīng)衰減后的剩余強度；y)[I—y)]為由于散射引起的，會導致景物顏色偏移的大氣光部分； (2)根據(jù)暗原色的先驗規(guī)律，對水下彩色圖像J，求其暗原色通道值，確定水下彩色圖像I成像模型中水下大氣光成分； (3)計算水下彩色圖像成像模型中介質(zhì)傳播函數(shù),即透射率； (4)依據(jù)水下大氣光成分戎A/)和介質(zhì)傳播函數(shù)<^)，確定水下彩色圖像-的復原圖像J， (5)根據(jù)白平衡理論，對復原圖像/進行顏色修正；將復原圖像的Λ05顏色空間轉(zhuǎn)換為rqc;顏色空間，以便確定一個由一系列參考白點組成的接近白色區(qū)域； (6)計算接近白色區(qū)域的參考白點； (7)根據(jù)參考白點的平均值和整幅圖像亮度的最大值，分別計算i 、G、5三通道增
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下彩色圖像增強方法，其特征是所述步驟(2)中，根據(jù)暗原色的先驗規(guī)律，對水下彩色圖像I求其暗原色通道值，表達式為產(chǎn).t (U) =(U)) ’ C E {R, G5 B};其中 /-■表示圖像 I 的紅、綠、藍 RGB空間的一個顏色分量；mm(r(u))是指彩色圖像I中每個像素點R、G、B 3個顏色通道上的最小亮度值，即為暗原色圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下彩色圖像增強方法，其特征是所述步驟(I)中，水下彩色圖像的成像模型中的水下大氣光成分或Λ力為暗原色通道值(U)中的最大亮度值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的水下彩色圖像增強方法，其特征是水下彩色圖像成像模型 、中介質(zhì)傳播函數(shù)#^ ，表達式為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下彩色圖像增強方法，其特征是所述步驟(4)中，水下彩色圖像的復原圖像的表達式為rCu)=—[與-P.二異'+J ；
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下彩色圖像增強方法，其特征是所述步驟(6)中，計算接近白色區(qū)域的所有像素點，其公式為I(略+ A Xsign(MJ) |< 1.5x 1 、
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下彩色圖像增強方法，其特征是所述步驟(7)中，分別計算i 、G、S三通道增益，其公式為
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下彩色圖像增強方法，其特征是所述步驟(8)中，判斷圖像J在及GS空間中紅色分量A所占比重，修正通道增益；計算、分量分別與G分量‘分量所占比重，其表達式為， 若 R(U)mhJ)>U 貝IJ Nr = Nr+!；若貝IJ 風=洱+1;K^KI ; 若及(ifJ)/G(W)>l,則凡=巧 + 1 ;若5(^)/邵,力<1,則巧=巧 + 1 ;krg = Nr f Ng ； 若& ,同時滿足<h , A1和七是判斷圖像J中的紅色分量是否嚴重偏少的閾值；若滿足條件，則修正通道增益系數(shù)=I。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水下彩色圖像增強方法，其特征是:所述步驟(9)中，根據(jù)Knes模型來調(diào)整圖像，該調(diào)整的公式為0R = R- ”& = *JG,0S = B_ '*J2 ； 其中，J' Js、戶分別是圖像’在RGB空間的三個顏色通道值，Or、Og、0&分別是增強后的圖像O在RGB空間的三個顏色通道值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種暗原色和白平衡相結(jié)合的水下彩色圖像增強方法，屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。在水下環(huán)境下，光的散射和衰減導致水下彩色圖像對比度低、顏色失真，圖像質(zhì)量嚴重下降；建立水下光學成像模型，根據(jù)暗原色先驗規(guī)律估算出水下的透射率和大氣光成分，復原水下彩色圖像，使其清晰化；依據(jù)白平衡理論對復原后的圖像進行顏色校正，實現(xiàn)水下彩色圖像的增強。本發(fā)明提供的方法針對水下彩色圖像成像特點，可以更好地增強圖像細節(jié)，色彩豐富，且具有較快的運算速度。
文檔編號G06T5/00GK102982514SQ201210525548
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月10日
發(fā)明者束代群, 李慶武, 盛惠興, 張偉, 霍冠英, 朱浩, 糜靖峰 申請人:河海大學常州校區(qū)