[發明專利]一種基于分層加權融合的水下圖像增強方法

在審

• 申請號: 201710121611.5
• 申請日: 2017-03-02
• 公開（公告）號: CN106971379A
• 公開（公告）日: 2017-07-21
• 發明（設計）人: 徐巖;孫美雙;曾祥波
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06T5/50
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 李林娟

技術領域

本發明涉及圖像融合的水下圖像增強領域，尤其涉及一種基于分層加權融合的水下圖像增強方法。

背景技術

近些年來，海洋信息獲取、傳輸和處理等理論技術越來越受到人們的關注，無論是在海洋開發、工程應用，還是軍事中，水下視覺技術都具有及其重要的戰略地位。但是由于水下成像過程中水體對光的散射和吸收效應帶來的非線性影響，造成水下圖像質量不理想，圖像對比度低、紋理模糊，圖像質量明顯下降?，F如今的水下圖像增強技術尚不成熟，需要進一步的深入研究。

Bazeille等人[1]提出了一種水下圖像預處理算法，它能夠降低水下擾動，并提高了圖像質量。該算法首先通過同態濾波的方法修正非均勻照明，然后利用小波去噪并采用非均勻濾波對邊緣進行增強，最后通過均衡RGB通道來調整顏色。Petit等人[2]提出了一種基于四元法的水下圖像增強算法，該算法主要用于提高水下圖像的顏色顯示和景物的對比度，首先用四元法對圖像顏色空間進行壓縮變換，然后基于光衰減逆求解出最終的顏色向量。經過該算法處理后的圖像背景區域的像素點顏色變為灰色或低飽和顏色，而景物區域的像素點顏色則被保持。Fattal等人[3]利用圖像表面陰影和大氣傳遞函數在局部不相關的假設來估計場景的透射度復原水下圖像。Xueyang Fu[4]等人提出了一種在變分框架下基于Retinex理論的水下圖像增強方法。該算法根據圖像自身的先驗信息，在基于Retinex的變分框架下構造出一種新的目標函數，并采用交替優化的算法求解目標函數。

Ancuti等[5]提出了一種基于融合的水下圖像增強算法。該算法主要是對輸入圖像和權重圖的選取并通過多分辨率融合達到增強水下圖像的目的。水下圖像突出的特點是顏色失真和對比度下降，針對這一特點，Ancuti提出分別對每一個特點進行處理得到兩幅輸入圖和權重圖，再經過多分辨率融合恢復水下圖像。首先，不同波長的光在傳輸過程中會被不同程度的吸收，導致圖像的顏色偏移，而顏色恒常性算法是對偏移顏色的校正方法，針對水下圖像的上述特點，Ancuti利用傳統的Gray-World[6]方法對降質的圖像處理得到輸入圖像I₁，其中，對光照度進行了調整：

μ_I＝0.5+λμ_ref(1)

其中，μ_ref是亮度平均值，μ_I是亮度估計值(在Gray-World中得到的值)。光線衰減后，圖像的全局對比度明顯減弱，為了得到清晰的圖像，Ancuti采用傳統的直方圖均衡化的方法提高全局對比度，得到輸入圖像I₂。

在得到顏色校正和全局對比度提高的兩幅輸入圖之后，考慮到退化的圖像在顯著性、局部和全局對比度以及曝光方面還有很多欠缺，因此，輸入圖像的權重將由以下四個權重因子決定：

(1)拉普拉斯對比度權重是通過對每一個亮度通道應用拉普拉濾波器，并計算其絕對值得到全局對比度的權重圖。

(2)局部對比度權重由每個像素及其鄰域像素獲得：

W_LC(x,y)＝||I^k-I^k_whc||(2)

其中，I^k是輸入圖像的亮度通道，I^k_whc是經過低通濾波器處理后的通道。

(3)圖像的主要信息只集中在少數的關鍵區域中，而人們所關注的也通常集中在圖像輪廓曲度最大或輪廓方向突然改變的區域，這些信息由顯著圖來體現，顯著性權重圖由Achanta[7]得到。

(4)曝光度權重用來衡量像素的曝光程度，它由一個高斯模型獲得：

其中，I^k(x,y)代表在(x,y)處的亮度值；σ為0.25。

為了得到良好的效果，該方法對四幅權重圖進行歸一化得到兩幅權重圖，如下所示：

其中，n_W_Li，n_W_LCi，n_W_Si和n_W_Ei(i＝1,2)分別是歸一化的拉普拉斯權重，局部對比度權重，顯著性權重和曝光度權重。最后，將兩幅輸入圖和兩幅權重圖用拉普拉斯金字塔多分辨率融合的方法處理，得到增強后的圖像：

其中，L{I}是輸入圖像的拉普拉斯金字塔，是權重的高斯金字塔。

發明內容