本申請(qǐng)屬于圖像處理領(lǐng)域，是一種基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法

背景技術(shù)：

1、超透鏡是一種由超表面構(gòu)成的透鏡。超表面由一層亞波長(zhǎng)尺度的納米結(jié)構(gòu)單元陣列組成，這些單元可以精確控制光的相位、振幅和偏振狀態(tài)。通過(guò)設(shè)計(jì)這些納米結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和排列方式，超透鏡能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光波前的定制化控制，從而替代傳統(tǒng)的折射透鏡進(jìn)行聚焦、成像和光束整形等光學(xué)功能。

2、超透鏡作為一種新型光學(xué)元件，以其超薄、輕便、設(shè)計(jì)靈活性高、方便大規(guī)模量產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，成為縮減紅外光學(xué)系統(tǒng)重量以及成本的理想選擇。然而，其固有的色散問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致色差，以及透過(guò)率低的問(wèn)題，顯著降低成像質(zhì)量，特別是在分辨率、對(duì)比度、幾何形狀和細(xì)節(jié)方面。這些問(wèn)題限制了超透鏡在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛使用。

3、現(xiàn)有方法中有學(xué)者通過(guò)深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)紅外超透鏡圖像進(jìn)行增強(qiáng)，但此類(lèi)方法需要大量的配對(duì)數(shù)據(jù)集，推理時(shí)間長(zhǎng)，不具備實(shí)時(shí)性，且難以集成部署到硬件設(shè)備中。因此本發(fā)明提出使用基于暗通道先驗(yàn)的方法進(jìn)行超透鏡紅外圖像增強(qiáng)，有效地去除圖像模糊，能夠單幀實(shí)時(shí)的增加圖像的清晰度和對(duì)比度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對(duì)紅外超透鏡圖像存在由于超透鏡的色散和低透過(guò)率產(chǎn)生的模糊噪聲問(wèn)題。首先，使用輸入的紅外超透鏡圖像計(jì)算其暗通道圖，并以此估算超透鏡的散射光強(qiáng)和計(jì)算超透鏡透射率，然后利用我們建立的超透鏡圖像退化模型反算出增強(qiáng)后的紅外超透鏡圖像，得到目標(biāo)強(qiáng)度均勻的去模糊圖像，最后再采用我們的結(jié)合原圖信息的亮度增強(qiáng)技術(shù)對(duì)增強(qiáng)后的紅外超透鏡圖像進(jìn)行亮度恢復(fù)，提升了紅外超透鏡圖像的清晰度和對(duì)比度。

2、本發(fā)明在以上基礎(chǔ)上提供了一種基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法，包括以下技術(shù)方案：

3、步驟1.計(jì)算輸入圖像的暗通道圖；

4、步驟2.估算超透鏡的散射光強(qiáng)；

5、步驟3.建立超透鏡的圖像退化模型；

6、步驟4.計(jì)算超透鏡的透射率；

7、步驟5.利用超透鏡的圖像退化模型增強(qiáng)圖像；

8、步驟6.對(duì)增強(qiáng)圖像進(jìn)行亮度恢復(fù)得到輸出圖像。

9、優(yōu)選的，所述步驟1具體包括：

10、作為本發(fā)明所述的基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法的一種優(yōu)選方案，其中所述的計(jì)算輸入圖像的暗通道圖包括，選擇圖像的最小通道，應(yīng)用最小值濾波器：

11、其計(jì)算暗通道圖的公式為：

12、

13、其中，idark(x)為暗通道圖；

14、ic(y)為輸入圖像的某個(gè)通道；

15、ω(x)為像素x的鄰域。

16、優(yōu)選的，所述步驟2具體包括：

17、作為本發(fā)明所述的基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法的一種優(yōu)選方案，其中所述的估算超透鏡散射光強(qiáng)包括，找到暗通道圖中最亮的前n％的像素，在原圖中找到這些亮度最高的像素，選擇這些像素中亮度最高的像素，作為散射光強(qiáng)a。

18、優(yōu)選的，所述步驟3具體包括：

19、作為本發(fā)明所述的基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法的一種優(yōu)選方案，其中所述的建立超透鏡的圖像退化模型包括,

20、所述的超透鏡的圖像退化模型公式為：

21、i(x＝j(luò)(x)t(x)+a(1-t(x))(1-j(x))?(2)

22、其中i(x)為歸一化的退化紅外超透鏡圖像；

23、t(x)為透射率；

24、j(x)為歸一化的理想紅外超透鏡圖像；

25、a為散射光強(qiáng)。

26、優(yōu)選的，所述步驟4具體包括：

27、作為本發(fā)明所述的基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法的一種優(yōu)選方案，其中所述的計(jì)算超透鏡的透射率包括，利用暗通道圖和估算的散射光強(qiáng)計(jì)算透射率，應(yīng)用引導(dǎo)濾波使用原圖作為引導(dǎo)圖對(duì)透射率進(jìn)行優(yōu)化。

28、作為本發(fā)明所述的基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法的一種優(yōu)選方案，其中所述的利用暗通道圖和估算的散射光強(qiáng)計(jì)算透射率包括，

29、其計(jì)算透射率的公式為：

30、

31、其中，t(x)為透射率；

32、idark(x)為計(jì)算得到的暗通道圖；

33、a為估算的散射光強(qiáng)；

34、ω∈(0,1)。

35、作為本發(fā)明所述的基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法的一種優(yōu)選方案，其中所述的應(yīng)用引導(dǎo)濾波使用原圖作為引導(dǎo)圖對(duì)透射率進(jìn)行優(yōu)化包括，計(jì)算局部系數(shù)，使用引導(dǎo)濾波優(yōu)化:

36、所述的局部系數(shù)計(jì)算公式如下：

37、

38、其中，t(x)是粗略透射率圖；

39、i是引導(dǎo)圖；

40、cov(i,p)是i和p的協(xié)方差；

41、是i的方差；

42、∈是正則化參數(shù)，避免除零；

43、和分別是t(x)和i的均值；

44、所述的引導(dǎo)濾波公式如下：

45、

46、其中，是優(yōu)化后的透射率圖；

47、i是引導(dǎo)圖；

48、ai和bi是局部線(xiàn)性系數(shù)；

49、w是局部窗口，大小為r×r；

50、w是窗口的大小(即像素?cái)?shù))。

51、優(yōu)選的，所述步驟5具體包括：

52、作為本發(fā)明所述的基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法的一種優(yōu)選方案，其中所述的利用超透鏡的圖像退化模型增強(qiáng)圖像包括，將估算的散射光強(qiáng)a和優(yōu)化的透射率圖帶入超透鏡的圖像退化模型公式中反求出增強(qiáng)圖像：

53、所述的反求的增強(qiáng)圖像計(jì)算公式為：

54、

55、其中，j(x)為增強(qiáng)的圖像；

56、為優(yōu)化的透射率；

57、a為散射光強(qiáng)；

58、i(x)為歸一化的原圖；

59、t0為設(shè)定的透射率下界。

60、優(yōu)選的，所述步驟6具體包括：

61、作為本發(fā)明所述的基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法的一種優(yōu)選方案，其中所述的對(duì)增強(qiáng)圖像進(jìn)行亮度恢復(fù)得到輸出圖像包括，一種結(jié)合原圖信息的亮度增強(qiáng)技術(shù)，

62、其公式為：

63、

64、其中，為最終亮度恢復(fù)后的結(jié)果；

65、j(x)為修改后的模型增強(qiáng)結(jié)果；

66、α為線(xiàn)性亮度恢復(fù)系數(shù)。

67、本發(fā)明的有益效果：

68、增強(qiáng)紅外超透鏡圖像的清晰度和對(duì)比度：本發(fā)明針對(duì)由于超透鏡色散和透過(guò)率低導(dǎo)致的圖像模糊，建立超透鏡圖像的退化模型。使用暗通道先驗(yàn)和建立的模型增強(qiáng)紅外超透鏡圖像，使得增強(qiáng)后的紅外超透鏡圖像在去除模糊的同時(shí)具有均衡的目標(biāo)強(qiáng)度，并采用結(jié)合原圖信息的亮度增強(qiáng)技術(shù)增加去模糊后的紅外超透鏡圖像，提高了紅外超透鏡圖像的清晰度和對(duì)比度。

技術(shù)特征：

1.一種基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，所述步驟1中的計(jì)算輸入圖像的暗通道圖包括，選擇圖像的最小通道，應(yīng)用最小值濾波器；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，所述步驟2中的估算超透鏡的散射光強(qiáng)包括，找到暗通道圖中最亮的前n％的像素，在輸入圖像中找到亮度最高的像素，選擇像素中亮度最高的像素，作為散射光強(qiáng)a。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，所述步驟3中建立超透鏡的圖像退化模型包括，

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，所述步驟4中的計(jì)算超透鏡的透射率包括，利用暗通道圖和估算的散射光強(qiáng)計(jì)算超透鏡的透射率，應(yīng)用引導(dǎo)濾波使用原圖作為引導(dǎo)圖對(duì)透射率進(jìn)行優(yōu)化。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，所述的利用暗通道圖和估算的散射光強(qiáng)計(jì)算超透鏡的透射率包括，

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，所述的應(yīng)用引導(dǎo)濾波使用輸入圖像作為引導(dǎo)圖對(duì)透射率進(jìn)行優(yōu)化包括，計(jì)算局部系數(shù)，使用引導(dǎo)濾波優(yōu)化；

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，所述步驟5中利用超透鏡的圖像退化模型增強(qiáng)圖像包括，將估算的散射光強(qiáng)a和優(yōu)化的透射率圖帶入超透鏡的圖像退化模型公式中反求出增強(qiáng)圖像：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法，其特征在于，所述步驟6對(duì)增強(qiáng)圖像進(jìn)行亮度恢復(fù)得到輸出圖像包括，結(jié)合原圖信息的亮度增強(qiáng)技術(shù)，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于暗通道先驗(yàn)的紅外超透鏡圖像增強(qiáng)方法，涉及圖像增強(qiáng)技術(shù)領(lǐng)域；本發(fā)明首先計(jì)算紅外超透鏡圖像對(duì)應(yīng)的暗通道圖；利用上述暗通道圖估算超透鏡的散射光強(qiáng)；建立超透鏡的圖像退化模型；然后根據(jù)上述的模型、散射光強(qiáng)和暗通道圖計(jì)算超透鏡的透射率；再將散射光強(qiáng)和透射率代入上述的模型得到增強(qiáng)圖像；最后結(jié)合輸入圖像信息對(duì)增強(qiáng)后的圖像目標(biāo)亮度進(jìn)行恢復(fù)，得到最終的輸出圖像。利用本發(fā)明提出的方法，可以實(shí)現(xiàn)單幀實(shí)時(shí)提升紅外超透鏡圖像的清晰度和對(duì)比度，且易于集成到硬件設(shè)備中部署。

技術(shù)研發(fā)人員：段輝高,賈紅輝,唐勇,胡躍強(qiáng),龍莉超,潘紅安
受保護(hù)的技術(shù)使用者：湖大粵港澳大灣區(qū)創(chuàng)新研究院（廣州增城）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26