[發明專利]基于偏振和波長衰減聯合優化的水下偏振圖像復原方法

在審

• 申請號: 202010707591.1
• 申請日: 2020-07-21
• 公開（公告）號: CN112070683A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 趙永強;戴慧敏
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06T7/90
• 代理公司: 西安維賽恩專利代理事務所(普通合伙) 61257
• 代理人: 劉春

1.基于偏振和波長衰減聯合優化的水下偏振圖像復原方法，其特征在于，包括以下內容：

S1、通過工業相機和線偏振片采集水下場景對應的彩色圖像以及4幅偏振圖像，結合水下成像模型對后向散射光和目標信息光進行估計，進而根據后向散射光估計出基于偏振信息的場景深度圖；

S2、依據所述場景深度圖的深度信息對局部鄰域進行約束，由此估計出局部空間平均顏色并實現對目標信息光衰減系數的粗略估計；

S3、結合水下成像模型，將初步估計到的衰減系數反饋至模型中，推導出基于波長衰減信息的場景深度信息，結合波長衰減信息與偏振信息實現對局部鄰域的聯合優化進而完成對衰減系數的精確估計，實現最終清晰水下圖像的恢復。

2.如權利要求1所述的基于偏振和波長衰減聯合優化的水下偏振圖像復原方法，其特征在于，所述步驟S1中，水下成像模型表示為：

I_c＝D_c+B_c (1)，

I_c＝J_ce^-βz+B_∞(1-e^-βz),c∈{r,g,b} (2)，

公式(1)中I_c表示退化的水下圖像，D_c表示目標信息光，B_c表示后向散射光，公式(2)中J_c表示場景中目標無衰減的輻照度，即所要求解的無色彩畸變的清晰圖像，β表示衰減系數，z表示目標到相機的距離，e^-βz表示目標信息光的衰減，B_∞表示無窮遠處的后向散射光，c表示圖像的三個顏色通道，r表示紅色通道，g表示綠色通道，b表示藍色通道。

3.如權利要求1或2所述的基于偏振和波長衰減聯合優化的水下偏振圖像復原方法，其特征在于，所述步驟S1中，去除后向散射光的方法為：

獲取水下場景最亮時的圖像I_max和最暗時的圖像I_min，同時考慮后向散射光以及目標的偏振度p_scat和p_obj，則：

公式(3)中B₁表示由偏振方法求得的后向散射光，(x,y)表示像素在視場內的坐標位置；

通過在場景中選擇特定區域對后向散射光和目標偏振度進行估計后利用上式即可估計出場景中的后向散射光；

得到后向散射光后，進一步計算場景的深度圖：

式中z₁表示經由偏振信息估計出的深度圖。

4.如權利要求1或2所述的基于偏振和波長衰減聯合優化的水下偏振圖像復原方法，其特征在于，所述步驟S2中，計算局部空間平均顏色時，利用深度信息對局部鄰域內的像素點進行篩選；

設置閾值δ，在局部鄰域內選擇與中心像素距離不大于閾值δ的連接像素，根據這些像素估計局部空間平均顏色：

公式(5)中，表示與中心像素深度之差小于閾值δ的像素集合，(x',y')表示局部鄰域內深度與中心像素深度之差小于閾值δ的其他像素點，||·||表示計算兩個像素深度之差，z₁(x,y)表示中心像素與相機的距離，z₁(x',y')表示局部鄰域內非中心像素的像素點與相機的距離；

公式(6)中，表示每一次迭代計算估計出的局部空間平均顏色，表示集合內像素點的局部空間平均顏色。公式(7)中表示通過迭代計算估計出的局部空間平均顏色，參數p描述了計算平均值的區域，其大小取決于圖像的大小；

估計出局部空間平均顏色后則可以對場景中的整個照度進行估計：

公式(8)中，參數f是一個縮放因子；

則目標信息光的衰減系數則可以表示為：

5.如權利要求1或2所述的基于偏振和波長衰減聯合優化的水下偏振圖像復原方法，其特征在于，所述步驟S3中，根據以及水下成像模型對場景深度信息z₂再次進行估計：

計算局部空間平均顏色時，對其局部鄰域進行聯合優化處理：

公式(11)中，表示一個像素集合，其中的像素點與中心像素的深度之差在先后兩次計算的深度圖中均小于閾值δ，(x',y')表示集合內像素點，z₂(x,y)表示第二次估計的深度圖中中心像素與相機的距離，z₂(x',y')表示局部鄰域內非中心像素的像素點與相機之間的距離；

在優化后的局部鄰域上通過迭代計算求得局部空間平均顏色：

公式(12)中，表示每一次迭代計算時的局部空間平均顏色，表示集合內每個像素點的局部空間平均顏色。公式(13)中表示通過迭代計算得到的局部空間平均顏色；

進而對場景照度以及衰減系數進行精確的估計：

公式(15)中，β表示最終估計出的目標信息光的衰減系數，結合已經去除后向散射光的圖像D_c，最終可以求得無衰減的水下圖像J_c：