強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下區(qū)域化圖像恢復(fù)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下區(qū)域化圖像恢復(fù)方法，該方法能夠區(qū)分由于非均勻光照所造成的不同圖像區(qū)域中光學(xué)信息組成成分上的差異，分別建立不同圖像區(qū)域所對(duì)應(yīng)的成像模型及模型解析方法。針對(duì)非均勻光照下的圖像，在區(qū)域化的成像模型基礎(chǔ)上研究有圖像區(qū)域針對(duì)性的去光幕光噪聲及色彩信道補(bǔ)償?shù)膱D像恢復(fù)算法。公開(kāi)了能夠有效辨識(shí)成像光線成分差異的亮原色先驗(yàn)知識(shí)模型實(shí)現(xiàn)圖像區(qū)域化，引入并推廣現(xiàn)有強(qiáng)散射環(huán)境中的暗原色先驗(yàn)知識(shí)模型實(shí)現(xiàn)區(qū)域化的背景光估計(jì)和視距估計(jì)方法，最終通過(guò)成像模型的反變換形成區(qū)域化的圖像恢復(fù)方法。
【專利說(shuō)明】強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下區(qū)域化圖像恢復(fù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于提高圖像的質(zhì)量的圖像恢復(fù)方法，具體是一種強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下區(qū)域化圖像恢復(fù)方法，屬于圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]自然界中普遍存在強(qiáng)衰減光學(xué)成像環(huán)境，如，水介質(zhì)及其中懸浮顆粒對(duì)水下光線的散射，霧天氣象條件下的空氣中懸浮顆粒對(duì)大氣中光線的散射，井下礦井環(huán)境中空氣中的懸浮顆粒對(duì)其中光線的散射等，由于強(qiáng)散射光學(xué)環(huán)境中較為嚴(yán)重的光強(qiáng)衰減，通常采用人工光補(bǔ)光成像技術(shù)以補(bǔ)償光線在傳播過(guò)程中能量的衰減。然而，在強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中采用人工補(bǔ)光照射成像場(chǎng)景，會(huì)形成了一種非均勻光照現(xiàn)象。然而，盡管采用人工補(bǔ)光技術(shù)，在強(qiáng)散射、強(qiáng)衰減光學(xué)環(huán)境中所獲得圖像質(zhì)量仍然較低。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，首先，光線的散射作用會(huì)顯著降低圖像的分辨率和對(duì)比度，造成圖像的模糊。其次，圖像中的色彩信息會(huì)受到介質(zhì)光譜選擇性吸收的影響而發(fā)生畸變。此外，在補(bǔ)償能量衰減的同時(shí)，大功率可見(jiàn)光補(bǔ)光會(huì)顯著污染場(chǎng)景內(nèi)的光學(xué)環(huán)境，主要表現(xiàn)在非均勻化光幕光噪聲和圖像信息的畸變上。因此，在人工補(bǔ)光成像條件下，圖像噪聲更加強(qiáng)烈并且會(huì)表現(xiàn)出圖像信息及噪聲強(qiáng)度的非均勻分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:針對(duì)強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下恢復(fù)方法無(wú)法解決非均勻光照對(duì)圖像所形成的影響這一問(wèn)題，本發(fā)明提供一種能夠區(qū)分圖像不同區(qū)域中成像光線成分及組成的區(qū)域化的圖像恢復(fù)方法，利用區(qū)域化的光學(xué)成像模型對(duì)圖像進(jìn)行恢復(fù)。
[0004]技術(shù)方案:一種強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下區(qū)域化圖像恢復(fù)方法，包括如下步驟:
[0005]( I)建立自然光照和人工補(bǔ)光兩種條件下的成像模型，并同圖像表征進(jìn)行對(duì)應(yīng)，建模模擬圖像數(shù)據(jù)非均勻分布狀態(tài)。利用大數(shù)量自然圖像統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)得到的亮信道先驗(yàn)，根據(jù)亮信道先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?jì)算圖像中每個(gè)像素的亮信道特征。
[0006](2)根據(jù)亮信道特征，采用半監(jiān)督方法識(shí)別圖像不同的區(qū)域所對(duì)應(yīng)的不同的成像光線。
[0007](3)針對(duì)人工光照準(zhǔn)區(qū)域，分別估計(jì)該區(qū)域的背景光和視距。
[0008](4)針對(duì)自然光占優(yōu)的區(qū)域，分別估計(jì)該區(qū)域的背景光和視距。
[0009](5)針對(duì)人工光照射和自然光照射的圖像區(qū)域，分別對(duì)成像模型進(jìn)行反變換，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域化的圖像恢復(fù)。
[0010]有益效果:與現(xiàn)有是技術(shù)相比，本發(fā)明提供的強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下區(qū)域化圖像恢復(fù)方法，主要通過(guò)三步實(shí)現(xiàn):首先建立自然光照和人工補(bǔ)光兩種條件下的成像模型，并同圖像表征進(jìn)行對(duì)應(yīng)，建模模擬圖像數(shù)據(jù)非均勻分布狀態(tài)。其次，利用大數(shù)量自然圖像統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)得到的亮信道先驗(yàn)，根據(jù)不同光照的影響(是否受到人工光較強(qiáng)的照射)對(duì)圖像進(jìn)行區(qū)域化分割，每個(gè)區(qū)域均對(duì)應(yīng)于一個(gè)獨(dú)立的成像模型。最后，基于暗信道先驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵来螌?duì)不同圖像區(qū)域中各點(diǎn)視距和背景光進(jìn)行估計(jì)，區(qū)分不同區(qū)域中所對(duì)應(yīng)的成像模型并進(jìn)行反變換計(jì)算。建立了一種區(qū)域化的圖像恢復(fù)方法，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下區(qū)域化圖像方法，結(jié)果顯著優(yōu)于同類方法。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為非均勻光照下區(qū)域化圖像恢復(fù)方法框架圖；
[0012]圖2為區(qū)域化圖像恢復(fù)方法操作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0014]如圖1-2所示，強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下區(qū)域化圖像恢復(fù)方法，包括如下內(nèi)容:
[0015]一，考慮到人工光照射非均勻光照下的圖像區(qū)域化成像建模
[0016]在強(qiáng)散射環(huán)境中所成圖像主要包含成像光線和光幕光兩種信息，并會(huì)在圖像表現(xiàn)出不同的表征。成像光線指的是目標(biāo)輻射出的準(zhǔn)直光線，該部分的光線在傳播過(guò)程中僅發(fā)生能量的衰減而并沒(méi)有發(fā)生光路的變化。另一部分并不源于照準(zhǔn)區(qū)域的光線通常稱為光幕光，該部分光線源于環(huán)境中懸浮顆粒物的多次散射效應(yīng)。自然光照占優(yōu)區(qū)域內(nèi)，目標(biāo)輻射光線是目標(biāo)對(duì)背景光的反射而形成的，成像過(guò)程可以建模為:
[0017]Ix = B P Xexp [- a rj +B (l~exp [- a rj) (I)
[0018]其中Ix為場(chǎng)景中空間X處成像所捕獲的光線，B為場(chǎng)景中的自然背景光，P x為場(chǎng)景中空間X處目標(biāo)表面的反射率，α為介質(zhì)對(duì)光線的衰減系數(shù)，rx為場(chǎng)景中空間X處的成
像距離。
[0019]當(dāng)人工補(bǔ)光光源用于成像時(shí)，環(huán)境光線的分布變得不均勻，此時(shí)圖像不僅僅由自然場(chǎng)景中的背景光線還會(huì)受到發(fā)散的人工光線的影響，對(duì)于人工光照準(zhǔn)圖像區(qū)域，成像過(guò)程可以建模為:
[0020]Ix=(B + Lexp[-ar(])px exp[-a/;] + (Β + ηΙυ )(\-c\p[-arv]) (2)
[0021]其中，Ix為空間X處所接收到的光線，L為人工照準(zhǔn)光線，々^為x點(diǎn)鄰域Ωχ內(nèi)的光線累積，n為對(duì)散射光的調(diào)制系數(shù)，B為場(chǎng)景中的自然背景光，Px為場(chǎng)景中空間X處目標(biāo)表面的反射率，α為介質(zhì)對(duì)光線的衰減系數(shù)，rx為場(chǎng)景中空間X處的成像距離。
[0022]將自然光照?qǐng)D像區(qū)域的成像模型式(I)同人工光照準(zhǔn)區(qū)域的成像模型式(2)進(jìn)行比較后可以看到，在兩種光照條件下的成像光線和噪聲光線的成分顯著不同。人工光補(bǔ)光所照準(zhǔn)的圖像區(qū)域不僅僅表現(xiàn)為具有更高的亮度，更表現(xiàn)為噪聲的復(fù)雜性和多變性。
[0023]總體上，在人工補(bǔ)光的成像環(huán)境中，圖像大體上可以分為兩類區(qū)域。第一類為人工光照準(zhǔn)區(qū)域，這部分區(qū)域受到自然背景光和人工光的照射，其成像模型如式(2)。第二類區(qū)域主要受到自然背景光的照射，由于場(chǎng)景目標(biāo)同人工光主光軸間的角距離較大，該區(qū)域中受到人工光的影響較小，其成像模型如式(I)。假定所選用的人工光源為平行光或近似平行光，則可近似認(rèn)為在人工光照準(zhǔn)區(qū)域中各點(diǎn)所接收的光照射量相同，即照準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)的各點(diǎn)的散射光同該點(diǎn)的空間位置無(wú)關(guān)，
【權(quán)利要求】
1.一種強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下區(qū)域化圖像恢復(fù)方法，其特征在于:首先針對(duì)非均勻光照下圖像不同區(qū)域中不同的光學(xué)信息組成及成分差異，分別建立自然光照?qǐng)D像區(qū)域成像模型和人工光照準(zhǔn)圖像區(qū)域成像模型；其次根據(jù)統(tǒng)計(jì)所得到的亮信道先驗(yàn)知識(shí)模型，區(qū)分不同區(qū)域中光照成分及組成的差異，對(duì)非均勻光照下的圖像進(jìn)行分割，將其分成自然光照?qǐng)D像區(qū)域和人工光照準(zhǔn)圖像區(qū)域；最后在不同成像模型的指導(dǎo)下分別對(duì)兩塊圖像區(qū)域進(jìn)行不同的去模糊化和色彩信道補(bǔ)償處理，實(shí)現(xiàn)圖像恢復(fù)。
2.如權(quán)利要求1所述的強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下區(qū)域化圖像恢復(fù)方法，其特征在于:針對(duì)自然光照準(zhǔn)和人工光照準(zhǔn)兩種條件下的圖像成像過(guò)程提出了一種有區(qū)域針對(duì)性的成像模型； 對(duì)于自然光照準(zhǔn)區(qū)域，成像模型為背景光目標(biāo)反射光模型和背景光散射光幕光模型的組合:IX = Bp Xexp[-a rj+B (l_exp [-a rj),其中Ix為成像時(shí)空間x處所接收到的光線，B為場(chǎng)景中的背景光，Px為空間X處的光反射率，a為水體對(duì)光線的衰減系數(shù)，rx為空間X處的成像距離； 對(duì)于人工光照準(zhǔn)區(qū)域，成像模型為背景目標(biāo)反射光模型、人工光目標(biāo)反射光模型、背景散射光幕光、人工光散射光幕光模型的調(diào)制組合:
Ix = (B+Lexp [- a rj) P Xexp[-a rj + (B+ β ) (l_exp[_a rj)，其中，Ix 為空間 x 處所接收到的光線，L為人工照準(zhǔn)光線，P x為空間X為反射率，β為人工散射光，rx為空間X處的成像距離； 所述成像模型能夠形式化表征不同圖像區(qū)域中由于成像光照差異所形成的光學(xué)信息成分及組成的差異，有助于自然光照區(qū)域和人工照準(zhǔn)光區(qū)域的識(shí)別。
3.如權(quán)利要求2所述的強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下區(qū)域化圖像恢復(fù)方法，其特征在于:在對(duì)大量自然圖像統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種亮信道先驗(yàn)知識(shí)模型，即在清晰的自然圖像中大多的圖像塊中必然包含一些像素點(diǎn)，該點(diǎn)至少對(duì)應(yīng)一個(gè)強(qiáng)度接近飽和的信道:
4.如權(quán)利要求3所述的強(qiáng)散射光學(xué)成像環(huán)境中非均勻光照下區(qū)域化圖像恢復(fù)方法，其特征在于:在對(duì)圖像區(qū)域識(shí)別及建模的基礎(chǔ)上，對(duì)不同圖像區(qū)域中所對(duì)應(yīng)的光幕光成分利用暗信道先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行估計(jì):

【文檔編號(hào)】G06T7/00GK103793885SQ201410015513
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月14日
【發(fā)明者】陳哲, 徐立中, 嚴(yán)錫君, 沈潔, 徐楓 申請(qǐng)人:河海大學(xué)