專利名稱：基于散射模型的水下圖像復(fù)原方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種水下退化圖像的復(fù)原方法。
背景技術(shù)：
視覺圖像噪聲的濾除方法可以概括為兩種圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原。圖像增強(qiáng)從像 素灰度在空域或頻域的關(guān)系或特征出發(fā)，直接對(duì)像素本身進(jìn)行各種變換而達(dá)到去除圖像模 糊、增加圖像細(xì)節(jié)的目的；圖像復(fù)原(圖像恢復(fù))則研究光線在介質(zhì)中傳播的物理過程，建 立光的傳播模型(退化模型)，反演退化過程即可得到退化前圖像。前者因效果顯著、實(shí)施 簡便，在一般圖像去噪場合應(yīng)用頗為廣泛，但它僅根據(jù)像素灰度這一表象增強(qiáng)圖像，在退化 嚴(yán)重的情況作用有限。而后者因?yàn)榭剂苛嗽斐赡：嘶谋举|(zhì)原因，對(duì)惡劣天氣、水下等退 化嚴(yán)重的情況可能有顯著效果，但實(shí)施起來比圖像增強(qiáng)要復(fù)雜?；趥鞑ツＰ偷膱D像復(fù)原 又包括多種，主要是建立的傳播模型不同，有二分散射模型，即將接收光看作光源前向散射 光和后向散射自然光之和；含偏振效應(yīng)的二分散射模型，一般認(rèn)為光源前向散射光為非偏 振光，只考慮后向散射自然光的偏振；以上模型均為單次散射模型，此外還有更貼近真實(shí)的 多次散射模型。目前基于模型的圖像復(fù)原研究基本上都是針對(duì)大氣圖像的。Narasimhan等研究了 基于大氣退化模型的惡劣天氣圖像理解，包括圖像復(fù)原和結(jié)構(gòu)分析。針對(duì)遠(yuǎn)距離、近距離霧 天、夜晚等不同天氣狀況對(duì)大氣退化模型作一定近似或變形，從而由一幅或兩幅或更多幅 圖像獲得景物的深度(cbpth)或相對(duì)深度(relative depth)或量化深度(scaled depth)； 由不同天氣狀況下拍攝的兩幅相同場景圖像可恢復(fù)出任意天氣狀況下的同一場景圖像；使 場景光線分別通過兩個(gè)偏振方向互相垂直的起偏器成像計(jì)算偏振度進(jìn)而得出自然光分量， 去除大氣對(duì)圖像的噪聲影響。董慧穎等研究了一種基于二色大氣模型的退化天氣圖像復(fù)原 方法。深度啟發(fā)法只需要一幅受天氣影響的圖像和用戶提供少量的額外信息，即可去除天 氣影響。張瑞平研究了基于深度分割的局部直方圖均衡化和基于精確深度的大氣散射模型 兩種算法對(duì)霧天退化圖像進(jìn)行恢復(fù)。而針對(duì)水下圖像的噪聲濾除研究還較少。曹念文等研究了水下自然光照下的偏振 成像技術(shù)，指出使用線偏振器或圓偏振器成像可以提高圖像清晰度，并且清晰度的提高與 圓偏振器旋光方向有關(guān)。Yoav Y. Schechner等人研究了基于偏振成像的圖像恢復(fù)算法，該 方法有效地增加了攝像機(jī)在水下的可視范圍。毫無疑問，采用特殊的成像技術(shù)對(duì)提高水下 能見度，擴(kuò)大視域很有效果。但另一方面從后處理角度提高圖像清晰度也是很值得研究的， 特別是從光的物理傳播路徑角度，建立水下光傳播模型，反演傳播過程得到退化前圖像。 Jose P. Queiroz-Neto將霧天大氣中光的退化模型引入水下，利用它提高了場景結(jié)構(gòu)重建 的精度，但并未真正提出實(shí)用的水下圖像復(fù)原方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能提高水下圖像對(duì)比度，突出圖像紋理細(xì)節(jié)，從而提高圖像質(zhì)量的基于散射模型的水下圖像復(fù)原方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的(1)、對(duì)所考慮的水域的水下光線傳播散射模型進(jìn)行標(biāo)定，即拍攝η幅標(biāo)定板圖像，分別采用線性擬合法和平均值法標(biāo)定模型中的兩個(gè)未知參數(shù)；(2)、獲取相同水域中的一幅場景的退化圖像；(3)、計(jì)算所獲取的退化圖像的統(tǒng)計(jì)直方圖，即f(rk) = nk，k = 0，1，2，· · ·，L-I ;L 為圖像所占灰度級(jí)數(shù)，rk為其中第k個(gè)灰度級(jí)，nk為圖像中rk灰度級(jí)出現(xiàn)的頻次；(4)、根據(jù)統(tǒng)計(jì)直方圖確定多級(jí)離散d值，構(gòu)建符合約束條件的分段映射函數(shù)；(5)、根據(jù)生成的分段映射函數(shù)進(jìn)行圖像復(fù)原。本發(fā)明還可以包括所述對(duì)所考慮的水域的水下光線傳播散射模型進(jìn)行標(biāo)定的方法為1)在空氣中拍攝一定距離的標(biāo)定板圖像作為退化前圖像，分別求取標(biāo)定板上白底 區(qū)域和黑點(diǎn)區(qū)域的平均灰度值Eb、Ew ；2)將攝像機(jī)和標(biāo)定板同時(shí)沒入水中，改變相對(duì)距離，拍攝η幅不同距離的目標(biāo)圖 像作為退化圖像；3)分別計(jì)算η幅退化圖像上黑點(diǎn)區(qū)域和白底區(qū)域的平均灰度值Ebi'和Ewi‘，i =
1,2,3,......, η ；根據(jù)光線在空氣中無衰減傳播的假設(shè)將1)中拍攝的圖像看作η幅退化
-M-β .
Ehi ‘ = Ehe 1 +￡oo(l-e l)
圖像共同的退化前圖像，由公式& b一％得到η個(gè)二元方程組，未知量為
Ewi ‘ = Ewe 1 +Em(l-e ‘)
E…β ；4)由上述η個(gè)二元方程組解得η個(gè)點(diǎn)(屯，β成)，i = 1，2，3，......，η，β(1隨深
度增加成近似線性增長，采用線性擬合方法估計(jì)β值，并用求平均法得到所述根據(jù)統(tǒng)計(jì)直方圖確定多級(jí)離散d值，構(gòu)建符合約束條件的分段映射函數(shù)的方 法為1)首先得到退化圖像的統(tǒng)計(jì)直方圖，直方圖上存在η個(gè)極大值點(diǎn)，映射折線至少 包含η個(gè)線性映射區(qū)間，且每個(gè)極大值點(diǎn)及其鄰域都處于同一線性映射區(qū)間內(nèi)；2)首尾兩個(gè)區(qū)間的頻率密度分別指定為Ε0 = 0和EO = 255 ；3)確定最大d值直方圖上最大值點(diǎn)所在映射區(qū)間對(duì)應(yīng)的d值是所有d取值中的 最大值，此最大值由場景先驗(yàn)信息得到，取為場景平均深度的粗略估計(jì)值；4)初步確定其他d值從最大值點(diǎn)所在映射區(qū)間向兩邊d值依次遞減，在直方圖 頻率密度較大的區(qū)間，此遞減量Ad取值較小，反之Ad取值較大，0< Ad <0.2;5)對(duì)d值進(jìn)行微調(diào)在初步確定好d值后，驗(yàn)證所得分段映射函數(shù)在各分界點(diǎn)處 是否滿足單調(diào)不減性，有跳躍的話，跳躍幅度是否滿足不太大的要求，如果不滿足，則對(duì)分 界點(diǎn)前后段的d值進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。本發(fā)明的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在1、水下光線散射模型對(duì)水下圖像的形成建模。在水下，到達(dá)CXD感光元的光由主要兩部分組成，即來自 場景的直接光和來自水面的自然光。建立這兩種光的散射模型就可以很好地近似水下圖像 的成像機(jī)制。水下光線散射模型可以表示為
E(d，λ) = Ed(d，X)+En(d，λ)= Ε0(λ )e"a ai^E00 (λ) (l-e"MA)d) (1)其中E(d，λ )是到達(dá)(XD的總光強(qiáng)，Ed (d，λ )、En(d，λ)分別為到達(dá)CXD的場景 直接光和水面自然光，E0(A)是場景發(fā)出的直接光，E00(A)為無窮遠(yuǎn)處自然光，α (λ)、 β (λ)都是反映水介質(zhì)散射特性的參數(shù)，d為傳播距離，λ為光波長。對(duì)于黑白攝像機(jī)在近 距離情況下，光波長對(duì)光線傳播的影響可以忽略，上述公式中的E00 (λ)、α (λ)和β (λ) 都變?yōu)槌?shù)。因α和β均是反映水介質(zhì)散射特性的參數(shù)，可以將上述公式進(jìn)一步簡化為 (2)式，本發(fā)明將采用如(2)式所示的模型。E = Ecie-0tVEoo (l-e-0d) (2)2、模型參數(shù)標(biāo)定 公式(2)所示模型中的β在同一水域可近似取固定值，E00會(huì)隨環(huán)境光線的改變 而改變，但在天氣穩(wěn)定時(shí)的短時(shí)間內(nèi)或室內(nèi)恒定燈光下也可近似認(rèn)為是定值。使用散射模 型恢復(fù)圖像之前必須首先標(biāo)定β和E00值。由于β和E00對(duì)水體和環(huán)境光線的依賴性，必 須保證標(biāo)定環(huán)境和復(fù)原圖像環(huán)境一致。這在室內(nèi)水池恒定燈光照明下是容易實(shí)現(xiàn)的。在數(shù) 米的范圍內(nèi)，假定光線在空氣中是無衰減傳播的。采用白底黑點(diǎn)的平面平板作為目標(biāo)場景， 始終保持平板與攝像機(jī)鏡頭平行。在室內(nèi)水池中按下述步驟進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)(1)在空氣中拍攝一定距離的標(biāo)定板圖像作為退化前圖像(見附圖1(a))，分別求 取標(biāo)定板上白底區(qū)域和黑點(diǎn)區(qū)域的平均灰度值Eb、Ew;(2)將攝像機(jī)和標(biāo)定板同時(shí)沒入水中，改變相對(duì)距離，拍攝η幅不同距離的目標(biāo)圖 像作為退化圖像(見附圖1(b))；(3)分別計(jì)算η幅退化圖像上黑點(diǎn)區(qū)域和白底區(qū)域的平均灰度值Ebi'和Ewi ‘，i
=1,2,3,......，η ；根據(jù)光線在空氣中無衰減傳播的假設(shè)將(1)中拍攝的圖像看作η幅退
-β .-Pdi
Ehi ‘ = Eue 1 +Eoo(l-e 1)
化圖像共同的退化前圖像，由公式~ b _β 得到η個(gè)二元方程組，未知量
Ewi 1 = Ewe ‘ +￡oo(l-e ‘)
^jE00, β ；(4)由上述η個(gè)二元方程組解得η個(gè)點(diǎn)(屯，β ^i)，i = 1，2，3，......，η，β d隨深
度增加成近似線性增長(見附圖2)，采用線性擬合方法估計(jì)β值，并用求平均法得到E_3、分段映射概念的引入標(biāo)定好退化模型參數(shù)后，通過反演該模型就可以進(jìn)行圖像恢復(fù)，該模型的反函數(shù) 見(3)式。但還有一個(gè)重要參數(shù)，即距離d需要確定。如果可以精確計(jì)算待恢復(fù)圖像上每 一個(gè)像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度值，則可以通過(3)式恢復(fù)圖像。另一種解決方法是深度啟發(fā)法，它避 開了精確計(jì)算深度圖，而根據(jù)一定的先驗(yàn)信息粗略估算深度圖，目前僅應(yīng)用在大氣圖像去 噪領(lǐng)域。E0 = e 0dE+(I-G0d)Eoo (3)本發(fā)明變換一種角度看問題，將圖像恢復(fù)的過程看作從退化圖像到真實(shí)圖像的映 射。拋開d作為距離的物理意義，而將d看作帶有約束條件的映射參數(shù)。從映射本身的約 束條件及距離先驗(yàn)信息導(dǎo)出映射參數(shù)d。由模型函數(shù)恢復(fù)圖像的過程是一個(gè)從實(shí)測像素灰度E到真實(shí)灰度EO的映射。退化 圖像的全體像素灰度值為定義域，以E表示，恢復(fù)后的真實(shí)像素灰度值為值域，以EO表示，則應(yīng)有五[仏，￡0。^/0，( = W，255])。此映射應(yīng)滿足下述基本約束條件(1)單調(diào)不減映射，即有a>6 = RO)2:R(6)，a，b e Ε, R( ·)為映射函數(shù)；⑵EO 為 UO 的子集，即對(duì)于Vae 五，有 R(a) eUO，且有 R(O) =0，R(255) = 255。附圖3繪制了 d取不同值時(shí)的一簇E-EO映射關(guān)系曲線(E00= 115，β =0.6)。由 圖看到· d取恒值時(shí)，映射曲線是直線；· d越大，映射直線的斜率越大；· d變化時(shí)，所有映射直線都經(jīng)過點(diǎn)(Ε μ E ^0)；· d取大于O的任意值時(shí)，映射直線斜率均大于1，且當(dāng)E = 255時(shí)EO > 255，E = O 時(shí)，EO < O。這一方面表明，E到EO的映射是灰度區(qū)間拉伸的映射，也是對(duì)比度增強(qiáng)的映射， 當(dāng)d取恒值時(shí)，對(duì)不同像素落差的對(duì)比度增強(qiáng)作用是一致的，d越大這種對(duì)比度增強(qiáng)作用越 強(qiáng)。另一方面也表明，d取恒值的線性映射必然不能滿足上述基本約束條件(2)。d必須取 一系列變化值。但若d取連續(xù)變化值又將使求解復(fù)雜化，因此考慮采用離散d值，即采用分 段線性映射來表示從退化圖像像素灰度到真實(shí)像素灰度的映射。4、分段映射的全面約束條件統(tǒng)計(jì)直方圖是一種重要的圖像處理方法，它能直觀地顯示圖像灰度級(jí)的組成成 分。附圖4是圖像在退化前后的統(tǒng)計(jì)直方圖，比較可以發(fā)現(xiàn)它們之間的一個(gè)重要聯(lián)系退化 前的直方圖與退化后直方圖經(jīng)拉伸延展后的結(jié)果近似相同。這一線索表明，在恢復(fù)圖像時(shí)， 要在保持外形輪廓大體不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行灰度級(jí)延拓。由此得到構(gòu)建分段映射函數(shù)的全面 約束條件(1)整個(gè)分段映射函數(shù)為單調(diào)不減函數(shù)，且有R(O) =0，R(255) = 255;(2)為使圖像在盡可能大范圍得到最大程度的增強(qiáng)，就要使最高頻率的灰度成分 的對(duì)比度增強(qiáng)作用達(dá)到相對(duì)最強(qiáng)；(3) 一般地直方圖上存在多個(gè)極大值點(diǎn)，應(yīng)使每個(gè)極大值點(diǎn)的相鄰灰度區(qū)間落入 同一線性映射子區(qū)間內(nèi)，以保證該極值點(diǎn)處的輪廓線大體不變；(4)盡量保證各相鄰映射線段的斜率變化均勻，分界點(diǎn)處可以有跳躍，但跳躍幅度 不應(yīng)太大。這可以保證直方圖被均勻拉伸。5、分段映射函數(shù)構(gòu)建3小節(jié)中已經(jīng)確定d為一系列離散變化值，每一個(gè)d值對(duì)應(yīng)分段映射函數(shù)的一段。 由上述約束條件確定這一組d值、進(jìn)而構(gòu)建整個(gè)分段映射函數(shù)的方法是(1)首先得到退化圖像的統(tǒng)計(jì)直方圖，直方圖上存在η個(gè)極大值點(diǎn)，映射折線至少 包含η個(gè)線性映射區(qū)間，且每個(gè)極大值點(diǎn)及其鄰域都處于同一線性映射區(qū)間內(nèi)；(2)首尾兩個(gè)區(qū)間的頻率密度分別指定為Ε0 = 0和EO = 255 ；(3)確定最大d值直方圖上最大值點(diǎn)所在映射區(qū)間對(duì)應(yīng)的d值是所有d取值中 的最大值，此最大值由場景先驗(yàn)信息得到，取為場景平均深度的粗略估計(jì)值；(4)初步確定其他d值從最大值點(diǎn)所在映射區(qū)間向兩邊d值依次遞減，在直方圖 頻率密度較大的區(qū)間，此遞減量Ad取值較小，反之Ad取值較大，0< Ad <0.2;(5)對(duì)d值進(jìn)行微調(diào)在初步確定好d值后，驗(yàn)證所得分段映射函數(shù)在各分界點(diǎn)處是否滿足單調(diào)不減性，有跳躍的話，跳躍幅度是否滿足不太大的要求，如果不滿足，則對(duì)分 界點(diǎn)前后段的d值進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。


圖l(a)_(b)是模型參數(shù)標(biāo)定中使用的圖像，其中圖1(a)是空氣中圖像；圖1 (b)是水池中圖像之一；圖2是尺度化深度β d隨深度變化圖；圖3E到Etl的映射曲線簇；圖4(a)_(b)退化前后圖像統(tǒng)計(jì)直方圖對(duì)比，其中圖4(a)為退化后直方圖；圖5是本發(fā)明的框圖；圖6分段映射曲線圖；圖7 (a)-(b)兩種恢復(fù)方法的比較，其中圖7(a)深度啟發(fā)法，圖7 (b)分段映射法；圖8(a)_(d)分段映射法圖像復(fù)原，其中圖8(a)原圖1，圖8(b)復(fù)原圖1，圖8(c) 原圖2，圖8(d)復(fù)原圖2。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合附圖5本發(fā)明的基于散射模型的水下圖像復(fù)原方法，為光線從場景出發(fā)，經(jīng) 過水介質(zhì)微粒散射，到達(dá)攝像機(jī)感光元的傳播過程建立模型，所涉及恢復(fù)方法是基于反演 此散射模型得到的。具體包括如下步驟第一步在所考慮的水域中標(biāo)定水下光線傳播散射模型拍攝η幅標(biāo)定板圖像，分 別采用線性擬合法和平均值法標(biāo)定模型中的兩個(gè)未知參數(shù)；第二步在相同水域中獲取一幅場景的退化圖像；第三步計(jì)算該退化圖像的統(tǒng)計(jì)直方圖，即f(rk) =nk，k = 0，1，2，...，L_1。L為 圖像所占灰度級(jí)數(shù)，rk為其中第k個(gè)灰度級(jí)，nk為圖像中rk灰度級(jí)出現(xiàn)的頻次；第四步根據(jù)統(tǒng)計(jì)直方圖確定多級(jí)離散d值，構(gòu)建符合約束條件的分段映射函數(shù)；第五步根據(jù)生成的分段映射函數(shù)進(jìn)行圖像復(fù)原。第一步按如下方法實(shí)現(xiàn)(1)在空氣中拍攝一定距離的標(biāo)定板圖像作為退化前圖像，以標(biāo)定板上黑點(diǎn)和白 底清晰可分為佳，拍攝距離可取為工作范圍的中間值。分別求取標(biāo)定板上白底區(qū)域和黑點(diǎn) 區(qū)域的平均灰度值Eb、Ew;(2)將攝像機(jī)和標(biāo)定板同時(shí)沒入水中，改變相對(duì)距離，拍攝η幅不同距離的目標(biāo)圖 像作為退化圖像。注意這η個(gè)不同距離都是已知的；(3)分別計(jì)算η幅退化圖像上黑點(diǎn)區(qū)域和白底區(qū)域的平均灰度值Ebi'和Ewi ‘，i
=1,2,3,......，η。根據(jù)光線在空氣中無衰減傳播的假設(shè)將(1)中拍攝的圖像看作η幅
退化圖像共同的退化前圖像。由下述公式得到η個(gè)二元方程組，未知量為ETO、β ；Ebi' = Ebe~Pdi +Ex{\-e~Pdi)Ewi' = Ewe~Pdi+E^e~Pdi)
(4)由上述η個(gè)二元方程組可解得η個(gè)點(diǎn)Wi，β ^i)，i = l，2，3，......，η。β(1
隨深度增加成近似線性增長，采用線性擬合方法估計(jì)β值，并用求平均法得到第四步按如下方法實(shí)現(xiàn)(1)首先得到退化圖像的統(tǒng)計(jì)直方圖，設(shè)直方圖上存在η個(gè)極大值點(diǎn)，則映射折線 至少包含η個(gè)線性映射區(qū)間，且每個(gè)極大值點(diǎn)及其鄰域都處于同一線性映射區(qū)間內(nèi)；(2) 一般地首尾兩個(gè)區(qū)間的頻率密度都較小，此時(shí)可以將它們分別指定為Ε0 = 0 和 EO = 255 ；(3)確定最大d值直方圖上最大值點(diǎn)所在映射區(qū)間對(duì)應(yīng)的d值應(yīng)是所有d取值 中的最大值。此最大值由場景先驗(yàn)信息得到，可取為場景平均深度的粗略估計(jì)值；(4)初步確定其他d值從最大值點(diǎn)所在映射區(qū)間向兩邊d值依次遞減，在直方圖 頻率密度較大的區(qū)間，此遞減量Ad取值較小，反之Ad取值較大。經(jīng)驗(yàn)表明一般情況下 0 < Ad < 0. 2 ；(5)對(duì)d值進(jìn)行微調(diào)在初步確定好d值后，驗(yàn)證所得分段映射函數(shù)在各分界點(diǎn)處 是否滿足單調(diào)不減性，有跳躍的話，跳躍幅度是否滿足不太大的要求。如果不滿足，則要對(duì) 分界點(diǎn)前后段的d值進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。實(shí)例1 對(duì)附圖1(b)的退化圖像分別進(jìn)行深度啟發(fā)法復(fù)原和分段映射法復(fù)原。深度啟發(fā) 法通過輸入場景深度的近似趨勢(比如深度增加的方向)來估計(jì)場景點(diǎn)的深度，目前主要 應(yīng)用在大氣圖像去噪領(lǐng)域。嘗試將深度啟發(fā)法用于水下圖像復(fù)原。用如下方法定義深度變 化的方向首先將消隱點(diǎn)設(shè)在圖像深度最小值處，見附圖1(b)所示，景點(diǎn)深度與他們到圖 像消隱點(diǎn)的距離成正比。然后輸入近似的最小距離dmin和最大距離dmax，則場景點(diǎn)深度可表 示為d = dfflin+a (dfflax-dfflin) (4)α e
是像點(diǎn)到消隱點(diǎn)的相對(duì)距離，當(dāng)d = dmax時(shí)，α = 1 ;當(dāng)d = dmin時(shí)，α =0。對(duì)附圖1(b)進(jìn)行深度啟發(fā)法恢復(fù)的結(jié)果如附圖7(a)所示?？梢钥吹綇?fù)原圖像上有 很多黑斑。其形成的直接原因是恢復(fù)后的像素灰度級(jí)超出數(shù)域Utl的范圍。進(jìn)一步分析，首 先大氣中成像景深大，距離分辨率低，對(duì)深度估計(jì)的精度要求不高，而水下成像的特點(diǎn)是視 程短，景深小，距離分辨率高，對(duì)深度估計(jì)的精度要求相應(yīng)也高；其次大氣中場景有明顯的 深度增加方向，而水下近距離的場景一般很難找到一個(gè)明確的深度增加方向，因此估計(jì)的 精度更差。再用分段映射法復(fù)原附圖1(b)。附圖6上半部分是退化圖像的灰度直方圖，最高 頻次出現(xiàn)在139的灰度級(jí)，其他的極值點(diǎn)有16、157、191。使斜率最大的映射子函數(shù)跨越灰 度級(jí)139，其他極值點(diǎn)的鄰域除16外也分別落入相同映射子區(qū)間。首尾端映射子線段斜 率為0。模型按前述標(biāo)定結(jié)果，即取E00= 115，β = 0.6，取四級(jí)深度1.0m，1. 13m，1. 15m， 1.2m，則分段映射函數(shù)表達(dá)式見(5)式，分段映射曲線見附圖6下半部分，復(fù)原后圖像見附 圖7(b)。圖中平板區(qū)域的白底和黑點(diǎn)的對(duì)比度得到最明顯的增強(qiáng)。包括水池中的影子以及 水池底的黑斑在內(nèi)的景物邊緣得到明顯增強(qiáng)，圖像清晰度明顯提高。
實(shí)例2 為進(jìn)一步驗(yàn)證分段映射法的適應(yīng)性，又進(jìn)行如附圖8 (a)、(c)所示距離較大、景深 也較大的圖像復(fù)原。圖中(a)、(c)均為在室內(nèi)水池所攝，池深約1米，場景最遠(yuǎn)距離約為4 米到5米。復(fù)原結(jié)果如附圖8(b)、(d)所示。兩幅復(fù)原圖中對(duì)最遠(yuǎn)處的場景恢復(fù)效果最佳， 懸掛的電纜、聲吶設(shè)備等清晰可辨，尤其是室燈投在池壁上的光影也可分辨出來，而且整體 對(duì)比度和亮度都得到提高。但由于復(fù)原的焦點(diǎn)放在遠(yuǎn)處場景細(xì)節(jié)上，近處白底黑點(diǎn)平板區(qū) 域的恢復(fù)效果沒有附圖7(b)好，而且近處池底有些區(qū)域發(fā)白。這說明方法對(duì)場景的恢復(fù)是 有選擇的，即可以通過選擇最大斜率映射子函數(shù)區(qū)間來選擇要突出的場景細(xì)節(jié)。可見分段 映射法除了具有對(duì)一般場景的普遍適應(yīng)性還具有選擇性。
權(quán)利要求
一種基于散射模型的水下圖像復(fù)原方法，其特征是；(1)、對(duì)所考慮的水域的水下光線傳播散射模型進(jìn)行標(biāo)定，即拍攝n幅標(biāo)定板圖像，分別采用線性擬合法和平均值法標(biāo)定模型中的兩個(gè)未知參數(shù)；(2)、獲取相同水域中的一幅場景的退化圖像；(3)、計(jì)算所獲取的退化圖像的統(tǒng)計(jì)直方圖，即f(rk)＝nk，k＝0，1，2，...，L-1；L為圖像所占灰度級(jí)數(shù)，rk為其中第k個(gè)灰度級(jí)，nk為圖像中rk灰度級(jí)出現(xiàn)的頻次；(4)、根據(jù)統(tǒng)計(jì)直方圖確定多級(jí)離散d值，構(gòu)建符合約束條件的分段映射函數(shù)；(5)、根據(jù)生成的分段映射函數(shù)進(jìn)行圖像復(fù)原。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于散射模型的水下圖像復(fù)原方法，其特征是所述對(duì)所考慮 的水域的水下光線傳播散射模型進(jìn)行標(biāo)定的方法為1)在空氣中拍攝一定距離的標(biāo)定板圖像作為退化前圖像，分別求取標(biāo)定板上白底區(qū)域 和黑點(diǎn)區(qū)域的平均灰度值Eb、Ew ；2)將攝像機(jī)和標(biāo)定板同時(shí)沒入水中，改變相對(duì)距離，拍攝η幅不同距離的目標(biāo)圖像作 為退化圖像；3)分別計(jì)算η幅退化圖像上黑點(diǎn)區(qū)域和白底區(qū)域的平均灰度值Ebi'和Ewi‘ ,i = l, 2,3,......，η ；根據(jù)光線在空氣中無衰減傳播的假設(shè)將1)中拍攝的圖像看作η幅退化圖像-Pdi-β .Ehi ‘ = Eue 1 +E^Cl-e ‘)共同的退化前圖像，由公式& b pd得到η個(gè)二元方程組，未知量為Ewi ‘ = Ewe 1 +￡oo(l-e ‘)β ；4)由上述η個(gè)二元方程組解得η個(gè)點(diǎn)(di，βidi), i = 1,2,3,......,η, β d隨深度增加成近似線性增長，采用線性擬合方法估計(jì)β值，并用求平均法得到E⑴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于散射模型的水下圖像復(fù)原方法，其特征是所述根據(jù) 統(tǒng)計(jì)直方圖確定多級(jí)離散d值，構(gòu)建符合約束條件的分段映射函數(shù)的方法為1)首先得到退化圖像的統(tǒng)計(jì)直方圖，直方圖上存在η個(gè)極大值點(diǎn)，映射折線至少包含η 個(gè)線性映射區(qū)間，且每個(gè)極大值點(diǎn)及其鄰域都處于同一線性映射區(qū)間內(nèi)；2)首尾兩個(gè)區(qū)間的頻率密度分別指定為Ε0= 0和EO = 255 ；3)確定最大d值直方圖上最大值點(diǎn)所在映射區(qū)間對(duì)應(yīng)的d值是所有d取值中的最大 值，此最大值由場景先驗(yàn)信息得到，取為場景平均深度的粗略估計(jì)值；4)初步確定其他d值從最大值點(diǎn)所在映射區(qū)間向兩邊d值依次遞減，在直方圖頻率 密度較大的區(qū)間，此遞減量Ad取值較小，反之Ad取值較大，0 < Ad<0.2 ；5)對(duì)d值進(jìn)行微調(diào)在初步確定好d值后，驗(yàn)證所得分段映射函數(shù)在各分界點(diǎn)處是否 滿足單調(diào)不減性，有跳躍的話，跳躍幅度是否滿足不太大的要求，如果不滿足，則對(duì)分界點(diǎn) 前后段的d值進(jìn)行微調(diào)，直至滿足要求。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種基于散射模型的水下圖像復(fù)原方法。水下退化圖像的復(fù)原過程被看做從退化像素灰度集到原始(退化前)像素灰度集的映射，而映射函數(shù)由水下光線傳播模型推演而來，即基于散射模型的分段映射函數(shù)。主要內(nèi)容包括(1)采用線性擬合法和平均法對(duì)所考慮水域的水下光線傳播散射模型進(jìn)行標(biāo)定；(2)從退化前后圖像的直方圖之間的聯(lián)系總結(jié)出上述映射的全面約束條件；(3)根據(jù)約束條件確定模型中的d值、構(gòu)建出分段映射函數(shù)。這樣就可以利用生成的分段映射函數(shù)進(jìn)行圖像復(fù)原。本發(fā)明可以提高水下圖像對(duì)比度，突出圖像紋理細(xì)節(jié)，從而提高圖像質(zhì)量。為水下視覺的推廣打下基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G06T5/00GK101887579SQ20101020930
公開日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者嚴(yán)浙平, 張偉, 張勛, 徐健, 王曉娟, 邊信黔 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)