[發(fā)明專利]基于顏色線模型的水下圖像質(zhì)量提升方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811346758.5
• 申請(qǐng)日: 2018-11-13
• 公開（公告）號(hào): CN110135434B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周圓;閆康明;咸良;吳瓊;李綽
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)青島海洋技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G06V10/98
• 分類號(hào): G06V10/98;G06V10/56;G06V10/77;G06V20/05;G06T5/00
• 代理公司: 青島致嘉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 37236
• 代理人: 張曉艷

1.基于顏色線模型的水下圖像質(zhì)量提升方法，其特征在于：具體方案為：

1水下圖像光學(xué)成像模型

散射過程是指光線在介質(zhì)中傳播時(shí)，不均勻介質(zhì)中的細(xì)微顆粒以其物理性質(zhì)使光線偏離入射方向，是導(dǎo)致圖像模糊和背景噪聲的重要原因；散射介質(zhì)中的成像模型采用以下公式：

其中，為傳感器捕捉到的圖像的亮度值，即輸入圖像；為目標(biāo)物體表面反射光，即真實(shí)場景輻射光的亮度值；為圖像全局一致的環(huán)境光矢量，是介質(zhì)透射率，用于描述未被散射的最終到達(dá)攝像頭的光與原始輻射光的比率；散射介質(zhì)中的圖像復(fù)原的任務(wù)是從單幅圖像中求得、和；可見，為去霧問題增加約束是去霧方法的關(guān)鍵問題；

水下圖像受水介質(zhì)對(duì)光線的吸收作用和散射作用影響，呈現(xiàn)的降質(zhì)現(xiàn)象主要有對(duì)比度低、模糊、藍(lán)綠色色偏；根據(jù)先驗(yàn)理論，水下圖像的降質(zhì)模型為：

指某一波長范圍內(nèi)的各種顏色的光；是攝像機(jī)捕捉到的像素值，而則反映了從物體表面輻射出的光線強(qiáng)度；被定義為歸一化剩余能量比，它表示一個(gè)特定波長范圍的衰減率，和水體特性有關(guān)；是水的深度，是相機(jī)到物體表面的距離；?是指背景光，其方向和大小與介質(zhì)的顏色和厚度有關(guān)；上式表示為：

其中，，記為像素點(diǎn)x處的透射率，表示到達(dá)鏡頭的光線強(qiáng)度與物體表面反射出的光線強(qiáng)度的比值；

2顏色線模型

2.1?自然圖像的Color-line先驗(yàn)理論

顏色信息是最基本的圖像信息之一，顏色線理論的主要內(nèi)容為在自然圖像中存在一種一般規(guī)律：在一小塊圖像塊中，像素點(diǎn)的灰度值在RGB空間中的映射分布在一條直線附近，即大部分自然圖像的圖像塊符合如下物體表面輻射光的分解式：

在該方程中，是場景的亮度值，是像素坐標(biāo)，標(biāo)量表示輻射的大小，光的模值，而向量表示物體表面的色度向量；

2.2?水下場景的顏色線模型

將顏色線模型帶入到散射介質(zhì)退化模型?，用顏色線的觀點(diǎn)來描述退化問題，每個(gè)小圖像塊的像素值仍然沿著RGB空間中的一維線分布，然而，這個(gè)退化的圖像塊的顏色線不再經(jīng)過原始圖像，相反，它出現(xiàn)了的偏移，這種降解過程即散射介質(zhì)影響下的圖像塊顏色線模型；經(jīng)過原點(diǎn)的綠顏色實(shí)線為真實(shí)圖像塊中各個(gè)像素點(diǎn)的亮度值匯總而成的射線，也就是沒有退化的真實(shí)景物圖像塊的顏色線；藍(lán)色的箭頭矢量是背景光矢量，藍(lán)顏色的虛線為對(duì)應(yīng)的像素位置在背景光矢量正方向上位移后擬合得到的直線，也就是退化后的顏色線；退化的圖像塊的顏色線與背景光向量在在處相交，已知了就確定；

3基于顏色線先驗(yàn)的水下圖像復(fù)原方法

首先將輸入圖像分成若干n×n大小的圖像塊，為符合顏色線模型適用條件的圖像塊生成Color-line直線；得到背景光矢量的估計(jì)后，建立求解水下圖像的局部透射率的最優(yōu)化方程，同步求解局部透射率t和局部場景深度d；最后，將求得的量代入散射介質(zhì)退化模型中，對(duì)水下圖像的降質(zhì)過程進(jìn)行反演，得到復(fù)原的圖像；

3.1?求圖像塊的顏色線

采用PCA主成分分析法對(duì)圖像塊中像素點(diǎn)的亮度值在RGB空間中形成的直線進(jìn)行擬合；為避免離群值的影響，將PCA方法操作兩次：第一次使用圖像塊中全部像素點(diǎn)的亮度值，第二次將圖像塊中距離擬合得到的直線最遠(yuǎn)的20%的像素點(diǎn)舍棄，再次進(jìn)行PCA方法得到估計(jì)的直線；

3.2水下圖像局部透射率估計(jì)

估計(jì)背景光矢量后，根據(jù)輸入圖像圖像塊生成的顏色線的斜率和偏移量參數(shù)求得背景光與顏色線的交點(diǎn)，得到透射率t的值；設(shè)圖像塊的顏色線上兩點(diǎn)x1，x2，得到直線的表達(dá)式：其中，D=x1-x2代表線的方向，V=x1為直線提供偏移量，1為伸縮量，使I代表直線上的任何一點(diǎn)；代表的方向，可視作；求解該顏色線與背景光矢量的交點(diǎn)得出透射率，在真實(shí)場景中，三維空間中的兩條線不太可能完全相交；所以，顏色線與估計(jì)背景光矢量的交點(diǎn)是基于優(yōu)化理論計(jì)算的，這個(gè)問題用如下優(yōu)化問題闡述：

用最小二乘法求解線性最優(yōu)化問題，而水下透射率和和場景的深度以及不同波長的光線衰減有關(guān)，即，，確定水下場景的局部深度并不是一個(gè)簡單的線性求極值的問題，這個(gè)問題被更直接地表達(dá)為：

用交替迭代法計(jì)算和，得到透射率后，采用引導(dǎo)圖像濾波的方法進(jìn)行透射率圖的細(xì)化；

3.3基于波長補(bǔ)償?shù)念伾謴?fù)

由水下退化成像模型，中間結(jié)果可被下式計(jì)算：

通過給定的輸入圖像確定了背景光和在每個(gè)像素的傳輸透射率，因此，獲取，此外，因?yàn)椋匀恍枰烙?jì)水的深度來獲取最終的結(jié)果；

對(duì)于自然光源，有：，即灰度世界假設(shè)，把這個(gè)灰度世界假設(shè)擴(kuò)展到水下環(huán)境中，在水深為的地方，場景的光照強(qiáng)度會(huì)降低到：

其中，表示具有較低傳輸透射率的像素的平均像素值，然后，計(jì)算水的深度；選擇三個(gè)方程計(jì)算出來的的中值作為估計(jì)的水深，即；得到中間結(jié)果和水深信息?，恢復(fù)出真實(shí)清晰場景。