[发明专利]一种基于电磁波能量剩余比以及背景光估计的水下图像清晰化方法

说明书

本发明提供一种基于电磁波能量剩余比以及背景光估计的水下图像清晰化方法。本发明根据波长‑散射系数线性关系式估计其他通道的散射系数并计算其透射率，依据背景光形成原理对水体背景光进行精确的估计。针对色偏严重这一问题，本发明根据电磁波剩余能量比以及最小二乘法确定目标与水面间距离D，以此估计水面到水深D处的能量衰减量，实现对复原图像色彩的补偿。本发明方法可以有效的估计出背景光及各通道的传输系数以及能量衰减，对图像实现复原。实验结果表明，本发明复原效果十分明显，色彩还原度非常高，效果要优于其它传统方法。

技术领域

本发明涉及图像复原技术领域，具体涉及一种基于电磁波能量剩余比以及背景光估计的水下图像清晰化方法。

背景技术

散射和色彩失真是水下摄影降质的两个主要来源。光散射是由于光线在入射到相机之前被水中的粒子多次反射。由于散射效应从而降低了捕获的图像的可见度和对比度。色彩失真则对应于不同波长的光线在水下传输时衰减不同，R、G、B三个通道能量剩余产生差异而引起的变化。R通道能量衰减最严重，B通道能量衰减最少，这使得呈现是显示周围的水下环境以蓝色为主色彩。目前几乎所有水下处理技术，都无法做到十分有效的将水下图像复原。

传统上，水下图像的处理仅着重于去除光散射或色彩调整。针对去除光散射畸变的水下图像处理算法包括基于水下图像去雾来恢复水下图像的清晰度，还有结合点扩展函数和调制传递函数去除模糊效应，利用极化效应来补偿能见度降低的图像。尽管上述方法增强了相对于图像的可见性，但由于波长衰减差异即颜色变化而引起的失真依然存在。另一方面，色彩变化校正的算法一般通过考虑光衰减的色彩配准来估计水下环境参数，采用RGB和HSI色彩空间的均衡化均衡色彩的亮度分布，并以距离依赖的方式动态地混合物体的照明使用可控的多色光源来补偿色彩损失。尽管色彩平衡得到了改善，但这些方法对于消除由光散射造成的图像模糊效果很有效。因此，需要同时考虑散射和不同波长的颜色通道能量衰减不同这两个问题。针对电磁波在水下传输时产生的散射及衰减现象，应更深入的细化水下成像模型，从而可以获取质量更高的复原图像。现有技术中，水下图像的复原主要基于以下原理：

1、水下成像模型

Jaffe-McGlamery模型假设目标是理想的朗伯体，可以通过几何光学来实现直接照射光分量的估计。前向散射分量是由小角度散射到达成像设备的反射光，可由上述的点扩展函数卷积运算来计算。后向散射光是由大角度散射到达成像设备的反射光。该模型显示成像设备与目标物体间的距离会影响采集的水下图像的质量。随着距离的增加，散射效应的影响会越来越大。由Jaff-McGlamery模型可知，在水下环境中，摄像机接收到的光强可表示为直接光J_d、前向散射光J_f、后向散射光J_b。到达相机的总辐照度I是这三部分的线性叠加，可由下面的公式表示：

I＝J_d+J_f+J_b (13)

1.1直射光

成像设备接收到的目标本身反射的光线称为折射光，表达式为：

式中J(x,λ)代表目标物体反射的光强，J_d(x,λ)代表目标反射光经衰减后被成像设备接收的光强，α_λ和β_λ分别表示吸收系数和散射系数，λ表示波长，对应图像的RGB三个通道，因为水体对不同波长的光的吸收程度不同，因此衰减系数会随通道波长的变化而变化，d(x)表示物体与摄像机之间的距离。

1.2后向散射光

后向散射光不含目标反射光，是周围环境光被水中物体(如悬浮颗粒等)散射后进入摄像机的光，表达式为：

式中B(λ)称之为背景光。

忽略前向散射的影响，则总光强可表示为：