一种基于局部直方图拉伸的偏振图像复原方法与流程

本发明涉及图像去雾复原方法，尤其涉及一种基于局部直方图拉伸的偏振图像复原方法。

背景技术

偏振信息作为光波的基本物理信息之一，它可以提供其它光波信息所不能提供的被测物信息。偏振成像技术便是基于此思想发展起来的新型光学探测技术，尤其是在强散射环境下，基于偏振成像技术的目标是探测和识别具有其它成像方式无法比拟的独特优势和特殊应用。

直方图拉伸是一种简单有效的图像对比度增强的数字方法，但传统的直方图拉伸方法对于彩色三通道的散射介质成像复原有局限性，特别是对于强散射介质效果一般。基于偏振成像和局部直方图拉伸的图像复原技术可有效弥补传统方法的不足。

技术实现要素：

为了克服传统的直方图拉伸方法对于彩色三通道的散射介质成像复原技术中存在的不足，本发明提出一种基于局部直方图拉伸的偏振图像复原方法，针对主动照明的偏振成像系统，通过对彩色正交偏振图像的三个通道分别进行局部直方图拉伸和偏振度关联，实现散射介质环境下的偏振图像复原。

本发明的一种基于局部直方图拉伸的偏振图像复原方法，适用于散射介质环境下的含雾图像复原，该方法具体包括以下步骤：

步骤1、获取正交偏振状态i||和i⊥下的两次彩色三通道光强图，并计算得到原始光强图i和偏振度p；

i＝i||+i⊥

步骤2、计算i⊥状态下对应的彩色三通道直方图h(i⊥)，计算公式为h(i⊥)＝[h(x1),h(x2),…,h(xn)],其中s(xi)表示像素xi的个数；选取所述彩色三通道直方图中的局部拉伸部分[i⊥-low,i⊥-high]，针对i⊥状态下的光强图进行灰度值拉伸，拉伸后的灰度空间涵盖整个灰度空间；

步骤3、对选取的局部直方图进行拉伸，得到拉伸修正后的光强图i⊥-str：

其中，i⊥-low、i⊥-high分别表示偏振光强图i⊥对应的彩色三通道直方图中选取的拉伸上、下界；

步骤4、根据偏振度p得到处理后的i||状态下的光强图i||-str：

步骤5、将处理后的正交偏振图i⊥-str和i||-str进行求和，得到复原光强图istr：

istr＝i||-str+i⊥-str

步骤6、对复原光强图istr进行色彩校正得到最终复原图ipro。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

1、本发明方法将局部直方图拉伸和正交图像偏振关联相结合，应用到图像去雾复原领域。在直方图拉伸的过程中不是对全空间进行拉伸，而是对三通道的直方图进行拉伸上下限进行选取，然后进行局部拉伸。处理后的正交偏振图像与传统复原方法相比，图像质量提升明显，可显著提高复原图像的清晰度；

2、本发明方法针对于各类散射介质环境下的图像去雾复原问题，特别是强散射介质，可弥补传统方法在强散射环境下效果差的不足，适用范围更加广泛；

3、本发明方法只需对正交偏振态的彩色三通道光强的直方图进行局部拉伸预处理，即可实现图像的复原，操作简单、效果明显。

在较高浓度的散射介质环境下，该方法可有效提高散射介质环境下的彩色三通道图像去雾复原质量，实现探测效果的提升，操作简单、适用范围广、复原效果加明显。

附图说明

图1为散射介质环境(以浑浊水下为例)成像系统装置示意图。

图2为本发明的一种基于局部直方图拉伸的偏振图像复原方法模型图；

图3为本发明的一种基于局部直方图拉伸的偏振图像复原方法整体流程图；

图4为散射介质中原始光强图；

图5为两次正交偏振状态下的彩色光强图：(a)水平偏振态(b)垂直偏振态；

图6为垂直偏振态下彩色三通道的直方图；

图7为局部直方图拉伸关联后的正交偏振光强图：(a)水平偏振态(b)垂直偏振态；

图8为局部直方图拉伸关联后的垂直偏振态下彩色三通道的直方图；

图9为低浓度下的实验处理结果：(a)传统方法复原结果(b)局部直方图拉伸结果istr(c)色彩校正后的复原结果ipro。

图10为高浓度下的实验处理结果：(a)原始光强图(b)传统方法复原结果(c)局部直方图拉伸结果istr(d)色彩校正后的复原结果ipro；

附图标记如下：

1、光源，2、起偏器，3、散射介质(浑浊水)，4、被探测目标物体，5、偏振分析器(psa)，6、彩色光强探测器件。

具体实施方式

本发明的理论依据：现有的基于直方图拉伸的含雾图像复原方法大多基于全空间，直接对三通道的像素分布直方图进行拉伸，这种传统的直方图拉伸技术在很多场景中，特别是在高浓度散射介质环境下的图像复原效果一般。这是因为含雾图的三通道直方图中有很多像素值存在数量很少，这样无形中延长了原有直方图的范围，但是这部分像素值对于图像的识别和复原往往效果很小。实际上，如果只针对直方图分布中占主要部分的像素值进行拉伸，理论上可以实现更好的复原效果。

因为正交偏振图像可以调节散射介质的成像质量，特别是i^⊥偏振态下的光强图受散射介质的影响最小，具有更准确的原始目标物体表征，适合作为局部直方图拉伸的对象。然后通过偏振度关联和正交偏振图像求和即可实现简单快速的含雾图像复原。

本发明的一种基于局部直方图拉伸的偏振图像复原方法，该方法首先针对i⊥偏振态下的光强图进行灰度值拉伸，拉伸后的灰度空间涵盖整个灰度空间；拉伸修正后的光强表达式如下：

其中，i⊥-low、i⊥-high分别表示偏振光强图i⊥对应的直方图中选取的拉伸上、下界；

i||状态下的光强图和i⊥状态下的光强图是通过偏振关联得到原始光强图i和偏振度图p，表达式如下：

两种正交偏振状态i||和i⊥下的光强图关联表达式为：

通过偏振度关联，得到修正后的i||状态下的光强图为：

基于修正后的正交偏振光强图，根据传统的偏振复原方法即可得到清晰的去雾复原图istr：

istr＝i||-str+i⊥-str(5)

由于直方图拉伸必然会造成三通道之间颜色的失真，因此需要对上述处理后的光强复原图istr进行色彩校正，例如选择灰度世界算法对原图进行校正，得到最终的复原图ipro。灰度世界算法的执行步骤包括：

(1)计算灰度均值gray：其中分别表示三通道的像素均值；

(2)计算三个通道的增益系数:

(3)对图像中的每个像素c，调整其三通道分量r,g,b，得到调整后的为r',g',b'：

c(r')＝c(r)kr,c(g')＝c(g)kg,c(b')＝c(b)kb

拉伸上下限i⊥-low、i⊥-high的选取由具体的三通道直方图决定，截去两端像素数较少的区域，原则上，舍去的区域的像素数不超过总像素数的1％。

本发明的具体实施例描述如下：

如图1所示，为散射介质环境(以浑浊水下为例)成像系统装置示意图。该装置是本发明方法涉及的一个基于led光源光束入射条件下的浑浊水下成像装置图举例。光源1前放置一个起偏器2，用于产生线偏振光，光强探测器件6前放置一个偏振分析器(psa)5，旋转此偏振分析器(psa)5得到同一幅图像相互正交的两种偏振状态i||和i⊥。用透明水箱作为装水的水槽，在水槽中放入牛奶和清水使其浑浊得到散射介质(浑浊水)3作为产生强散射环境，并将被探测目标物体4放入散射介质(浑浊水)3中，光源1发出的光经过起偏器2后入射到散射介质(浑浊水)3中的被探测目标物体4上，经反射通过偏振分析器(psa)5后进入光强探测器件(彩色ccd相机)。

实际实验中，用彩色塑料魔方作为目标物体放入水箱中，通过旋转ccd相机前的psa正交两种状态得到两种偏振状态i||和i⊥下的彩色光强图和垂直偏振态状态下彩色三通道的直方图，如图5和图6所示。通过对正交偏振态的两幅图进行局部直方图拉伸和偏振度关联得到局部直方图拉伸关联后的正交偏振光强图和局部直方图拉伸关联后的垂直偏振态状态下彩色三通道的直方图，如图7和图8所示。和传统偏振方法的去雾复原对比，如图9所示，为低浓度下的实验处理结果。比较结果表明本发明得到的图像更加清晰，效果更加明显。

如图10所示，为高浓度下的实验处理结果。原始光强图10(a)几乎看不到任何信息，传统的偏振方法的去雾效果如10(b)所示，效果一般。根据该算法得到去雾复原图10(c)和色彩校正以后的图像10(d)可以清晰的辨识图像内容。