一种基于正交偏振图像的浑浊水下图像复原方法

本发明涉及光场调控和计算机视觉领域，尤其涉及一种基于正交偏振图像的浑浊水下图像复原方法。

背景技术：

1、近年来，对光的偏振特性的研究，特别是在浑浊水下的偏振光学成像应用领域，人们的关注度不断增加。研究发现，通过旋转检偏器可以获取总光强在两个正交方向上的强度分量，并且这可以被看作是目标信息光和背景散射光的非相干叠加。此外，目标信息光和背景散射光可以进一步分解为两个相互正交的部分，从而可以推导出目标信息光的偏振度。在计算机视觉的多种应用中，如边缘感知平滑和细节增强，导向滤波已被证明是一种高效的工具。然而，目前应用导向滤波需要额外的引导图像，而现有的神经网络深度学习方法需要耗费大量的时间和资源来进行模型训练，限制了其在实时性要求较高的场景中的应用。此外，现有的浑浊水下偏振成像方法通常需要手动选择目标物体和背景区域，这也不符合实时性要求。另外，由于背景散射光具有部分偏振特性，这导致了成像质量下降的问题，而且目标物体偏振度的直接计算方案仍然需要进一步研究和改进。

2、为了提升图像对比度和尽可能消除背景散射噪声对成像结果的影响，研究者们特定的方法对原始图像进行处理，利用特定方案对散射光偏振度进行估计。例如，直方图拉伸与偏振相关函数获取更新后的一对偏振图像能够提升原始图像的对比度进而提升复原效果；基于低通滤波器估计偏振度和后向散射光强的空间分布；利用外推法和最小二乘法来估计偏振度和后向散射光强的空间分布等。尽管前述处理方法在提高原始图像质量和估计全局背景散射光偏振度方面已经取得了一些进展，但如何高效地区分整个图像中目标物体的偏振度与背景散射噪声的偏振度，准确求解目标物体的偏振度，并实现快速浑浊水下图像恢复的问题仍然存在。

技术实现思路

1、本发明所要解决的问题是：提供一种基于正交偏振图像的浑浊水下图像复原方法，通过偏振相关型直方图自适应处理、创新的目标物体偏振度计算方法，以及偏振成像与导向滤波的结合，克服了现有偏振成像技术无法广泛应用且无法实现实时图像复原的问题。

2、本发明的技术方案是：一种基于正交偏振图像的浑浊水下图像复原方法，包括如下步骤：

3、s1、采集一对原始正交的偏振图像，对其中一幅图像采用偏振相关型直方图自适应处理方法，增强目标物体的强度值与背景散射噪声的强度值之间的差异，得到更新后的图像；

4、s2、通过偏振相关函数，获取与更新后的图像对应的偏振图像，并计算出参数 pobj；

5、s3、根据背景散射噪声在频域中的低频特性，使用低通滤波器估计原始图像中的背景散射噪声的偏振度，获得全局背景散射噪声偏振度的分布，得到参数 psca；

6、s4、根据传统水下主动偏振成像公式，基于参数 pobj和参数 psca，获得引导图像；

7、s5、将原始图像在引导图像的指导下，经过导向滤波，生成最终的结果图像。

8、进一步地，步骤s1中，基于led和偏振片构成线偏振光作为光源，使用偏振相机，获取原始图像，原始图像为一对正交偏振图像 i0与 i90，获取参数 s0与 s1：

9、;

10、其中，参数 s0用于表示原始强度图像，参数 s1用于表示偏振差分图像。

11、通过直方图自适应处理原始图像 i0，得到更新后的图像 i0_ pro，方法如下：

12、s1.1、计算原始偏振图像 i0的直方图以及其累积分布函数，用 i表示偏振图像 i0，histcounts( i)用于对图像 i0计算其直方图， h( i)表示直方图的计算结果； n表示灰度值的阶数， cdf( i)表示整幅图像强度值的累积分布；表示对整幅图像的强度值的累积分布进行求解，实现第一次调整；

13、s1.2、计算选用的每个局部矩阵元素的新值：对于所选用的局部矩阵，其中的每个元素 k，计算所在块的局部累积分布函数，用表示每个所在块的局部累积分布；

14、s1.3、对局部累积分布函数进行限制，动态调整其范围，实现对原始偏振图像的更新，得到更新后的图像 i0_ pro。

15、进一步地，步骤s2中，通过偏振相关函数，获取与更新后的图像对应的偏振图像 i90_ pro，计算参数 pobj，对于参数 pobj，直接求取参数 pobj的近似值 。

16、进一步地，步骤s3中，获得全局背景散射噪声偏振度的分布，对于原始图像对 i0与 i90，通过低通滤波器估计背景散射噪声，得到图像 i0_ lp与 i90_ lp，计算参数 psca的值，用于表示背景散射光的偏振度。

17、进一步地，步骤s4中，根据传统水下主动偏振成像公式，基于参数 pobj和参数 psca，获得所需的引导图像 s，引导图像 s相对于强度图像 s0提供了另一种目标信息的表达。

18、进一步地，步骤s5中，将原始强度图像在引导图像的指导下，通过导向滤波，差异被最小化，最终产生了所需的结果图像，所述导向滤波，通过引导图像的特征调整待处理图像的强度值，最终实现了图像增强。

19、本发明技术方案还提供了：一种电子设备，包括：一个或多个处理器；

20、存储装置，其上存储有一个或多个程序；

21、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上任一所述的方法。

22、本发明技术方案还提供了：一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时，实现如上任一基于正交偏振图像的浑浊水下图像复原方法中的步骤。

23、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

24、1、本发明基于正交偏振图像的浑浊水下图像复原方法，能够降低不同浑浊度的散射介质对图像质量的影响，同时还允许根据需要复原水下环境中不同材质和纹理特性的目标物体，甚至支持实时的浑浊水下图像恢复，实现了一种广泛适用的、快速恢复浑浊水下图像的方法。

25、2、本发明基于正交偏振图像的浑浊水下图像复原方法提出的方法包括：偏振相关型直方图自适应处理、新型目标物体偏振度计算方法、通过低通滤波估计背景散射噪声偏振度，以及偏振成像结合导向滤波的全面解决方案，能够在复杂的浑浊水下图像修复、海底地貌探测、重要物品回收和环境质量监测等领域都具有广阔的应用前景。