[發明專利]一種基于不同顏色空間自適應直方圖拉伸的水下圖像增強方法

有效

• 申請號: 201710739280.1
• 申請日: 2017-08-25
• 公開（公告）號: CN107507145B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發明（設計）人: 黃冬梅;宋巍;王龑;王振華;賀琪;杜艷玲
• 申請（專利權）人: 上海海洋大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06T5/40;G06T7/90
• 代理公司: 上海卓陽知識產權代理事務所(普通合伙) 31262
• 代理人: 周春洪

本發明涉及一種基于不同顏色空間自適應直方圖拉伸的水下圖像增強方法，對GB兩通道進行基于Gray?World理論的均衡化，初步得出調整后水下圖像。然后分析水下圖像RGB通道的分布特性，以及RGB三通道在水中傳播時的衰減情況，提出在RGB顏色空間進行基于自動參數獲取的自適應直方圖拉伸的方法并對三個通道采用雙邊濾波器以減少噪聲的影響。接下來，將RGB顏色空間轉換到CIE?Lab顏色空間，并對‘L’，‘a’和‘b’三個分量分別進行自適應直方圖拉伸。最終，經增強后的水下圖像呈現出高對比度、均衡的飽和度和亮度。本發明的圖像增強計算復雜度較低，主要適用于包括水下生物、海底考古、水下捕撈和目標檢測等多種水下圖像。

技術領域

本發明涉及水下圖像增強技術領域，具體地說，是一種基于不同顏色空間自適應直方圖拉伸的水下圖像增強方法。

背景技術

海洋世界蘊含著大量的資源，在陸地人口暴增、資源日趨枯竭、環境急劇惡化等問題下，開發和保護海洋是一項重要的、具有戰略意義的選擇。海洋信息的傳輸、獲取和處理等理論實踐對合理開發和保護海洋生態、海洋資源、海洋多樣性都起到了關鍵作用。

水下圖像是海洋信息的重要載體，然而與自然環境下的圖像相比，水下圖像的成像原理更加復雜、對比度低、可視性差。這些因素都對海洋生態、海洋資源、海洋多態性等研究帶來阻礙。還原清晰、真實的水下圖像對于海洋世界的研究具有重要意義。造成水下圖像退化的原因主要有以下幾個方面。1)光在水中傳播呈指數衰減并且不同波長的光在水中傳播時具有不同的衰減率，這些原因造成圖像對比度低、模糊不清和顏色失真等問題。2)受水下懸浮顆粒和水中溶解的有機質的影響，拍攝的水下圖像具有較大的噪聲。3)為了提高水下成像范圍，人造光源往往會被當作輔助光源，會給圖像引入非均勻光照，導致拍攝的水下圖像中心具有明亮的光斑、四周光照不足。

目前，水下圖像清晰化技術大致可以分為兩類：水下圖像增強方法和水下圖像復原方法。水下圖像增強方法并不考慮水下成像原理,主要通過調整圖像中的像素值來調整對比度和顏色,從而獲得水下圖像更多的信息和細節。水下圖像復原方法通常是基于水下成像物理模型，分析水下圖像退化機理，估計成像模型參數并以反補償等方式恢復出清晰自然的水下圖像。近幾年來水下圖像清晰化技術已經取得了顯著的效果，并且受到了廣泛的應用。

水下圖像增強方法往往不考慮圖像的成像機制只關注于調整圖像的像素值來實現圖像增強效果。2003年，Chambah等人提出一種具有較好的非監督性和魯棒性的水下圖像顏色修正方法。實驗表明該方法實際應用于水下圖像分割和特征提取時，可以取得較好的效果。2005年，Torres-Mendez等人使用馬爾可夫隨機場描述顏色失真的水下圖像和對應真實圖像之間的關系，從統計先驗的角度恢復水下圖像的真實顏色，并且從不同水下場景中獲得的實驗數據驗證了該方法的可行性和有效性。2007年，Iqbal等人提出一種簡單有效的水下圖像增強算法，該方法基于直方圖拉伸算法。針對水下圖像顏色衰減和對比度丟失的問題，首先在RGB顏色空間拉伸衰減嚴重的紅綠色分量直方圖，之后在HSI顏色空間拉伸圖像的飽和度和亮度，從而提高水下圖像的對比度和顏色。2010年，Iqbal等人提出一種基于顏色平衡和對比度修正的非監督水下圖像增強算法。Iqbal等人提出的這兩種算法至今仍被廣泛研究和使用。2013年，Henke等人通過分析經典彩色恒常算法應用于水下圖像時遇到的問題，提出一種基于特征的彩色恒常假設算法來修正水下圖像的顏色偏差。該方法基于灰度世界假設條件，首先分離水下圖像的前景和背景，并采用白平衡算法僅針對前景區域進行相應處理。2015年，Ghani等人在Iqbal等人提出的水下圖像增強算法的基礎上，對其進行修正和改進。改進方法與多種水下圖像增強算法進行定性和定量的比較，比較結果具有較大的優勢。