[發明專利]一種基于變分框架的水下圖像顏色校正方法及系統

有效

• 申請號: 202010014743.X
• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111192222B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 付先平;丁雪妍;王穎;王輝兵
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06T5/10;G06T7/90
• 代理公司: 大連至誠專利代理事務所(特殊普通合伙) 21242
• 代理人: 涂文詩;鄧珂

1.一種基于變分框架的水下圖像顏色校正方法，其特征在于，包括：

S1、獲取水下圖像采樣數據；

S2、基于所述水下圖像采樣數據，創建初始的水下圖像顏色校正模型，所述水下圖像顏色校正模型包含水面至物體階段的第一傳播模型以及物體至相機階段的第二傳播模型；

S3、給定所述水下圖像顏色校正模型對應的目標函數，所述目標函數是基于所述水下圖像采樣數據的圖像信息所給定的變分函數；

S4、求解所述目標函數以獲取水下圖像的顏色校正圖和顏色衰減圖；所述S2中的初始的水下圖像顏色校正模型對應的模型公式為：

S_λ(x)＝I_λ(x)·W_λ(x)＝(J_λ(x)·T_λ(x)+(1-T_λ(x))·B_λ)·W_λ(x)

上述公式中，S_λ表示采樣獲取的水下圖像，I_λ(x)表示物體至相機階段的第二傳播模型，其被看作是初始的顏色校正圖像，W_λ(x)表示水面至物體階段的第一傳播模型，其被看作是初始的顏色衰減圖；

其中，I_λ(x)＝J_λ(x)·T_λ(x)+(1-T_λ(x))·B_λ，x表示所述水下圖像中任意一個像素點，λ表示光線波長，且λ∈{red,green,blue}，其對應于水下RGB圖像的三個顏色通道，T_λ(x)表示透射率圖，B_λ表示背景光圖像，J_λ(x)表示從物體反射的光圖像，即未經“物體-相機”衰減的待復原圖像；其中，W_λ(x)＝e^-α(λ)D(x)，α(λ)是光在水中傳播的吸收系數，D(x)表示水深；所述S3中的目標函數為：

其中α、γ、β表示預先給定的權重參數，▽表示差分算子，其包含垂直和水平兩個方向，k表示系數矩陣，C_λ表示飽和約束矩陣；所述S4中的求解所述目標函數的過程包括：

S41、在所述目標函數中引入中間變量，即引入輔助變量d和誤差b，得到以下公式

其中，φ表示權重參數；

S42、通過迭代更新每個變量求解目標函數的局部最小值，同時將其他變量視為常數，則獲取顏色衰減圖與顏色校正圖的第j次迭代的解的過程包括：S421、初始化誤差矩陣，即令b⁰＝0,則獲得S422、初始化并固定系數矩陣，即令S423、初始化并固定飽和約束矩陣C_λ；其中，首先獲取觀測圖像S_λ的各個顏色通道的平均值M_λ，并根據M_λ從大到小排列，得到序列{λ₁,λ₂,λ₃}，最后基于飽和限制策略公式求解C_λ；其中，所述飽和限制策略公式為S424、更新輔助變量d，即固定誤差b，消去顏色校正圖I_λ和顏色衰減圖W_λ中的與d無關的正則項，將引入中間變量的目標函數改寫為

利用下式公式對上式進行求解，即

S425、更新顏色校正圖I_λ即固定誤差b，消去輔助變量d和顏色衰減圖W_λ中與I_λ無關的正則項，并將轉化成同時將引入中間變量的目標函數改寫為

對該式中的I_λ求導得到的閉式解為：

其中，是快速傅里葉變換算子，是的共軛轉置，是傅里葉逆變換，ε₀是正數，1是單位矩陣；S426、更新誤差矩陣b，對應的公式為且設定當時，停止對d，b，I_λ的更新；S427、更新顏色衰減圖W_λ即固定誤差b，消去輔助變量d和顏色校正圖I_λ公式中與W_λ無關的正則項，并將轉化成將引入中間變量的目標函數中改寫為通過對W_λ求導，得到的閉式解，對應的公式為且設定當時，停止對W_λ的更新。

2.一種基于變分框架的水下圖像顏色校正系統，其特征在于，包括：

圖像采集單元，其能夠獲取水下圖像采樣數據；

圖像模型創建單元，其能夠基于所述水下圖像采樣數據，創建初始的水下圖像顏色校正模型，所述水下圖像顏色校正模型包含水面至物體階段的第一傳播模型以及物體至相機階段的第二傳播模型；

圖像處理單元，其能夠給定所述水下圖像顏色校正模型對應的目標函數，所述目標函數是基于所述水下圖像采樣數據的圖像信息所給定的變分函數；

圖像獲取單元，其能夠求解出所述目標函數以獲取水下圖像的顏色校正圖和顏色衰減圖；所述圖像模型創建單元中的初始的水下圖像顏色校正模型對應的模型公式為：

S_λ(x)＝I_λ(x)·W_λ(x)＝(J_λ(x)·T_λ(x)+(1-T_λ(x))·B_λ)·W_λ(x)

上述公式中，S_λ表示采樣獲取的水下圖像，I_λ(x)表示物體至相機階段的第二傳播模型，其被看作是初始的顏色校正圖像，W_λ(x)表示水面至物體階段的第一傳播模型，其被看作是初始的顏色衰減圖；

其中，I_λ(x)＝J_λ(x)·T_λ(x)+(1-T_λ(x))·B_λ，x表示所述水下圖像中任意一個像素點，λ表示光線波長，且λ∈{red,green,blue}，其對應于水下RGB圖像的三個顏色通道，T_λ(x)表示透射率圖，B_λ表示背景光，J_λ(x)表示從物體反射的光，即未經“物體-相機”衰減的待復原圖像；

其中，W_λ(x)＝e^-α(λ)D(x)，α(λ)是光在水中傳播的吸收系數，D(x)表示水深；

；所述圖像處理單元中的目標函數為：

其中α、γ、β表示預先給定的權重參數，表示差分算子，其包含垂直和水平兩個方向，k表示系數矩陣，C_λ表示飽和約束矩陣；所述圖像獲取單元中的求解所述目標函數的過程包括：

S41、在所述目標函數中引入中間變量，即引入輔助變量d和誤差b，得到以下公式

其中，φ表示權重參數；

S42、通過迭代更新每個變量求解目標函數的局部最小值，同時將其他變量視為常數，則獲取顏色衰減圖與顏色校正圖的第j次迭代的解的過程包括：S421、初始化誤差矩陣，即令b⁰＝0,則獲得S422、初始化并固定系數矩陣，即令S423、初始化并固定飽和約束矩陣C_λ；其中，首先獲取觀測圖像S_λ的各個顏色通道的平均值M_λ，并根據M_λ從大到小排列，得到序列{λ₁,λ₂,λ₃}，最后基于飽和限制策略公式求解C_λ；其中，所述飽和限制策略公式為S424、更新輔助變量d，即固定誤差b，消去顏色校正圖I_λ和顏色衰減圖W_λ中的與d無關的正則項，將引入中間變量的目標函數中改寫為

利用下式公式對上述公式進行求解，即

S425、更新顏色校正圖I_λ即固定誤差b，消去輔助變量d和顏色衰減圖W_λ中與I_λ無關的正則項，并將轉化成同時將引入中間變量的目標函數改寫為

對該式中的I_λ求導得到的閉式解為：

其中，是快速傅里葉變換算子，是的共軛轉置，是傅里葉逆變換，ε₀是正數，1是單位矩陣；S426、更新誤差矩陣b，對應的公式為且設定當時，停止對d，b，I_λ的更新；S427、更新顏色衰減圖W_λ即固定誤差b，消去輔助變量d和顏色校正圖I_λ公式中與W_λ無關的正則項，并將轉化成將引入中間變量的目標函數中改寫為通過對W_λ求導，得到的閉式解，對應的公式為且設定當時，停止對W_λ的更新。