一种基于湍流模型的水下图像复原方法
【专利说明】-种基于溫流模型的水下图像复原方法 所属技术领域
[0001] 本发明设及计算机视觉领域中的图像复原技术，尤其是设及针对水下摄像机拍摄 得到的降质图像可视质量提高技术。
【背景技术】
[0002] 海洋覆盖了地球表面的71%，它蕴藏着巨量的矿产资源、生物资源和能源和能源。 我国是个海洋大国，拥有1. 8万公里长的海岸线和300万平方公里的海洋国±，对海洋的开 发和海洋规律的探索对我国的国民经济和军事都有重要的意义和价值。
[0003] 自主式水下机器人（AUV)的研究也越来越受到众多国家和地区的关注，AUV不仅 可用于海上资源的勘探开发（铺设管道、海底考察、钻井支援、海底施工、海上钻井平台等 水下设备的维护与维修等）和海洋生态监测；在军事领域则可用于侦察、布雷、灭雷、援潜 救生等。现在的自主式水下机器人大多都配备了图像处理识别系统，图像成为AUV的主要 信息来源。
[0004] 水下图像的典型特点表现如下；（1)水下成像的最本质直接的物理特性即水体对 光线的吸收导致光能量衰减W及水分子和水中杂质引起的散射现象对光线的偏移，该些情 况导致水下图像采集到的信息弱而模糊不清；（2)水下介质对各个波段的散射和吸收特性 不一致，通常红波段衰减最为严重，该导致水下图像颜色失真（偏绿或偏藍）。
[0005] 水下图像普遍质量较差，在对图像进行目标识别、图像分割等分析与处理之前，需 要对其进行预处理，增强图像的对比度，突出感兴趣的细节及特征，改善图像的视觉效果， 提供直观、清晰、适合于分析的图像。因此，图像复原技术对于水下图像尤为重要，而水下图 像复原算法的研究也有很强的实际应用价值。
[0006] 国内外有部分学者改进了 W上图像增强算法并用于水下图像的清晰化处理。 Trucco等W中提出一种基于一个化ffe-McGlame巧成像模型的简化形式的自适应复原滤 波。该方法仅考虑了水下成像中前向散射对图像质量的影响，忽略了后向散射噪声，因此 该方法并不适用于水质浑池的近海区域所得到的水下图像复原。Amlreas等在水下成 像模型的基础上提出了水下图像综合预处理的框架，其中后向散射光成分的估计利用了高 斯函数卷积法，该算法的问题之一就是散射光的估计太费时。Schechner等W提出了一种 基于模型的水下图像复原算法，采用偏振滤波器估计介质散射光并去除，但却需要在同一 场景内摄取两幅W上的图像作为先验知识，该会限制视频观测的实时性。国内方面，Liu等 W采用暗原色通道理论近似估计水下环境的景深信息，然后根据水下成像模型进行复原处 理，算法的局限性不适合场景目标与背景光颜色相似时的情况。张赫等人W提出了一种基 于大气瑞流模型来获取水下退化函数的方法，并结合维纳滤波方法对水下图像进行复原处 理。国内发明专利方面，陈名松等人w(申请号CN201310628073)提出了一种基于同态滤 波和双正交小波阔值滤波法相结合水下图像增强技术。他们首先借助同态滤波技术降低光 照不均匀情况的影响，然后双正交小波阔值滤波法去除图像的噪声。李一兵等人W (申请 号CN201310628073)提出了一种基于Retinex理论的水下图像增强方法。他们首先将水下 图像转换到HSV颜色空间，采用S分量用于去噪，采用V分量进行Retinex增强。
[0007] 参考文献
[0008] [1] E. Trucco, A. Olmos, Self-tuning underwater image restoration,IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2006, 31(2), pp. 511-519.
[0009] [2]A. B. Anreas, J. P. Malkasset, K. Gilles. Tpwards a model-free denoising of underwater optical images, in Proceeding ofOceas European an Conference on Propagation and Systems, 2005, 15-18.
[0010] [3] Y. Y. Schechner, N. Karpel. Clean underwatervision, in Proceedings of CVPR, 2004, 536-543.
[0011] [4]C. Liu, M. Wang. Removal of water scattering. In Proceedings of the 2010 International Conference on Computer Engineering and Technology, 2010, 235-239.
[0012] [引张赫，徐玉如，万磊，等.水下退化图像处理方法[J].天津大学学 报，2010, 43 巧）：827-834.
[0013] [6]陈名松，秦琳，康艳梅，等，水下图像增强处理方法，中国发明专利，申请 号；CN201310628073
[0014] [7]李一，付强，叶方，等基于HSV色彩空间结合Retinex的水下图像增强方法， 【申请号】CN201210359018
[001引 閒林福宗，《多媒体技术基础》（第3版），2009年，清华大学出版社
[0016] [9]赵剣，张怡，许东，基于总变分规整化的端流退化图像复原化算法，中北大 学学报（自然科学版），2007, 28 (1)，PP: 69-73.
【发明内容】
[0017] 本发明提出一种可W提高水下降质图像的可视质量的方法。本发明的技术方案如 下：
[0018] 一种基于端流模型的水下图像复原方法，包括下列的步骤：
[0019] 1)首先将输入的彩色水下图像由RGB空间转换到YCb化颜色空间，变换后的颜色 空间中，R、G、B W及Y、Cb、化S颜色分量的取值范围是[0, 1]，其中，Y是颜色的亮度成分， 称之为灰度分量，Cb和化则表示藍色和红色的分量偏移量；
[0020] 2)采用双边滤波法对灰度分量进行平滑处理，用Y許日Y H分别表示双边滤波处理 后的低频概貌成分和高频细节成分；
[002U 3)用Y^x，y)表示退化后的水下图像灰度分量，（X，y)为像素点坐标，将其变换为 傅里叶变换域，并用Y^u，V)表示；
[0022] 4)根据Y^u，v)，利用全盲迭代复原算法求得未退化的水下图像F(u，v);
[0023] 5)求取基于端流模型的退化图像G(u，v) =H(u，v)F(u，v)，得到复原结果，式中， 大气端流的频域退化系数H (U，V) = exp {-k (u2+v2) 5勺，其中，k是描述端流强度的参数；
[0024] 6)将复原结果重新变换回空间域，处理结果用Y\表示；
[00巧]7)对于Cb和Cr两色度分量图，用Cb(x, y)和Cr(x, y)表示两色度分量图，用Mb 和Mf分别表示C b (X，y)和Ct (X，y)的均值，采用下式对Cb和化两分量进行颜色校正，用 Cb' (x，y)和C/ (x，y)表示校正处理结果，则有
[0026]
【主权项】
1. 一种基于湍流模型的水下图像复原方法，包括下列的步骤： 1) 首先将输入的彩色水下图像由RGB空间转换到YCbCr颜色空间，变换后的颜色空间 中，R、G、B以及Y、Cb、Cr三颜色分量的取值范围是[0, 1]，其中，Y是颜色的亮度成分，称之 为灰度分量，Cb和Cr则表示蓝色和红色的分量偏移量； 2) 采用双边滤波法对灰度分量进行平滑处理，用\和YH分别表示双边滤波处理后的 低频概貌成分和高频细节成分； 3) 用Yjx，y)表示退化后的水下图像灰度分量，（x，y)为像素点坐标，将其变换为傅里 叶变换域，并用\(u，v)表示； 4) 根据\(u，v)，利用全盲迭代复原算法求得未退化的水下图像F(u，v); 5) 求取基于湍流模型的退化图像G(u，v) =11(11^汗(11^)，得到复原结果，式中，大气 湍流的频域退化系数H(u，v) =exp{-k(u2+v2)5/6}，其中，k是描述湍流强度的参数； 6) 将复原结果重新变换回空间域，处理结果用表示； 7) 对于Cb和Cr两色度分量图，用Cb(x，y)和C,(x，y)表示两色度分量图，用Mb和M,分 别表示Cb(x，y)和C；(x，y)的均值，采用下式对Cb和Cr两分量进行颜色校正，用Cb'（x，y) 和C」（x.v)衷示柃iH々卜理结里，_有
8) 重构复原图像。
2. 根据权利要求1所述的复原方法，其特征在于，步骤2)中，双边滤波过程中，参数S^ 用来衡量邻域 内各像素点到中心点之间的距离权重，距离越远，权重越小；参数用来衡量邻域内 各像素点的灰度 值到中心点灰度值差别的权重，差别越大，权重越小；取ss= 3,ss= 0. 1。
3. 根据权利要求1所述的复原方法，其特征在于，步骤5)中，k取值为0. 00025。
4. 根据权利要求1所述的复原方法，其特征在于，步骤8)中，将经复原处理后的亮度低 频成分Y'j卩高频成分YH重新组合成新的亮度分量，再结合经颜色校正处理后的两色度 分量C'b和C'p重新变换回RGB空间。
【专利摘要】本发明涉及一种基于湍流模型的水下图像复原方法，包括：首先将输入的彩色水下图像由RGB空间转换到YCbCr颜色空间；采用双边滤波法对灰度分量进行平滑处理，用YL和YH分别表示双边滤波处理后的低频概貌成分和高频细节成分；用YL(x,y)表示退化后的水下图像灰度分量，将其变换为傅里叶变换域，并用YL(u,v)表示；利用全盲迭代复原算法求得未退化的水下图像F(u,v)；求取基于湍流模型的退化图像，得到复原结果；将复原结果重新变换回空间域；进行颜色校正；重构复原图像。本发明的处理方法使得水下图像在对比度、噪声和颜色偏色情况都得到了显著改观。
【IPC分类】G06T5-00
【公开号】CN104616268
【申请号】CN201510086152
【发明人】王建, 郑佳, 庞彦伟, 宋占杰
【申请人】天津大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月17日