专利名称：一种随意光照下彩色数字图像增强和去噪方法
技术领域：
本发明涉及一种随意光照下彩色数字图像增强和去噪方法。
背景技术：
迄今为止，随意光照条件下彩色数字图像处理仍然是没有成熟解决方案的难题。 复杂的光线条件极大地增加了彩色图像处理的难度，特别是在照明环境很差的情况下，由 于缺少足够的光子到达感光元件，图像成像质量很差。例如在夜晚，即使应用闪光灯，也无 法触及远距离的自然景物，更不用说不允许使用闪光灯的场所，如博物馆。此外，摄影时一 些不恰当的操作(如曝光不当)也会降低图像的质量。低照度图像有着动态范围低且噪声 大的特点，这些特点不只影响视觉感官，对以后一系列后续的图像处理工作(如图像分割、 特征提取、目标跟踪等)都会造成致命的障碍。提高图像亮度/对比度的同时保持颜色恒常性、提高图像信噪比的同时保留更多 的细节和纹理信息是低照度彩色数字图像增强技术力求达到的目标。彩色图像的R、G、B分 量具有很强的相关性，增强时在RGB空间对三个通道分别处理会带来严重的颜色失真，因 此通常情况下需要将图像转换到具有低通道相关性的颜色空间。即便如此，颜色信息仍然 会有一定程度的损失。如 Heechul Han, Kwanghoon Sohn 在 2009 年 IEEE Transactions on Consumer Electronics期干丨J上发表的"Automatic Illumination and Color Compensation Using Mean Shift and Sigma Filter”论文，在复杂光照条件下，彩色图像增强质量较高。 不过，该方法得到的增强后的图像仍然易出现颜色失真现象。现有的保持颜色恒常性的解 决方案主要为(1)满足W-P假设的方法。如2007年，E. Provenzi, M. Fierro, A. Rizzi, 等在"IEEE Trans. Image Processing，，期干丨J 上发表的"Random Spray Retinex :A New Retinex Implementation to Investigate the Local Properties of the Model，，论文， 提出了一种新的Retinex模型实现方案。采用该方法增强后的图像具有良好的色彩饱和 度，但是会丢失较多细节信息。(2)满足G-W假设的方法。如2004年，A. Rizzi, C. Gatta, 禾口 D. Marini 在"J. Electronic Imaging，，期干Ij上发表的"From Retinex to Automatic Color Equalization :Issues in Developing a New Algorithm for Unsupervised Color Equalization”论文。该方法与具有边缘保持特性的双边滤波技术类似，增强后的图像能够 保留较多细节信息，但是色彩比较平淡。Retinex模型由Land和McCann于1971年提出，认为观察结果只依赖于表面的 反射特性，而与光照条件无关。Retinex算法的基本目的是将输入图像分解为反射图像和光 照图像，其可以简单描述为S(x, y) = R(x, y) XL(x, y)(1)式中，S(x，y)为输入图像在第χ行第y列的像素值，反射图像R(x，y)对应于输入 图像中的高频信息，主要是边界、纹理等来自物体的信息，而光照图像L(x，y)则对应于图 像中来自场景环境影响的低频信息。Retinex理论认为，输入图像S(x，y)可以不受光照图 像L(x，y)影响，直接由反射图像R(x，y)表达。因此，实现Retinex的过程，即是通过计算1^(17)，从而推导出1 0^7)的过程。这就为新的能自适应处理低照度彩色图像的方案提供 了可能。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研制一种以Retinex模型为基础的自适应彩色数 字图像拉伸去噪框架，以智能地提高随意光照条件下、特别是低照度条件下的图像质量。本 发明采用的技术手段如下一种随意光照下彩色数字图像增强和去噪方法，其特征在于包括如下步骤步骤1将原始图像从RGB空间转换到YCbCr空间进行图像去噪处理对Cb通道、Cr 通道先采用高斯滤波器去除高斯分布噪声，再采用中值滤波器去除椒盐噪声获取新的Cbmw 和Crnew，Y通道保持不变；步骤2同时将原始图像从RGB空间转换到HSI空间，进行如下步骤的处理1)图像亮度/对比度拉伸处理①图像亮度/对比度拉伸处理对于亮度通道，选用双边滤波器对其进行分解，
得到Base图层像素值、，再用原始输入亮度分量Xi除以Base图层像素值，得到Detail图
—
层像素值，即
9②然后采用公式1 = (l+Xd)log(Xi+l)-l0g(l0gUb+l)+l)，得到亮度补偿结果1， 经标准化处理得到Γ ；③基于1'构造直方图限制函数g =尽)+尽式中:ES是亮度补偿后1'的均值，&是期望图像的均
值，Ed的取值范围为60 100，percentage的取值范围为100 110 ；④统计上述函数g中每个灰度级出现的频次，得到频数nk;从而计算出新的图像 直方图具体如下Pk = (nk+A XwXh/256)/(l+A) ；k = 0,1...255式中w和h分别表示 图像的宽和高，λ是控制直方图均衡化程度的参数，λ = 1,2,3；⑤根据步骤④获得的直方图，进行图像的整体亮度/对比度拉伸，拉伸后的图像 亮度分量1"再次经过双边滤波器，得到新的亮度分量Inrat ；2)饱和度补偿首先通过公式
η 128-// Xb、Y = max(l,-χ—)
σ X1获得图像的平坦性，式中μ和ο分别是亮度通道的均值与标准差，Xi是输入的 的亮度通道像素值，Xb是图像经过双边滤波器之后的像素值；将上式获得的图像的平坦性参数Y带入下式Snew= (1+Y) XS获得新的图像饱和度Snrat，式中S是原图像的饱和度分量，参数、描述了图像的 平坦性；步骤3融合显示将经过步骤1降噪处理后获取的Cbnew和Crnew及不变的Y转换 到RGB空间，得到图像Iy ；将经过步骤2恢复重建的Inew和增强处理的Snew及不变的H转换
5到RGB空间，得到图像Ih ；最后通过将图像Iy和图像Ih通过I0 = &111+13&运算后，输出最 终图像I。，其中a的取值范围为0. 6 0. 8，b的取值范围为0. 2 0. 4。步骤2中的②步骤所述的标准化处理得到1 ‘具体实现通过如下公式
权利要求
1.一种随意光照下彩色数字图像增强和去噪方法，其特征在于包括如下步骤步骤1将原始图像从RGB空间转换到YCbCr空间进行图像去噪处理对Cb通道、Cr通 道先采用高斯滤波器去除高斯分布噪声，再采用中值滤波器去除椒盐噪声获取新的Cb-和 CrMW，Y通道保持不变；步骤2同时将原始图像从RGB空间转换到HSI空间，进行如下步骤的处理1)图像亮度/对比度拉伸处理①图像亮度/对比度拉伸处理对于亮度通道，选用双边滤波器对其进行分解，得到Base图层像素值、，再用原始输入亮度分量Xi除以Base图层像素值，得到Detail图层像 _ X1素值，即9②然后采用公式1= (1+Xd) log (Xi+1) -log (log (xb+l) +1)，得到亮度补偿结果1，经标 准化处理得到Γ ；③基于Γ构造直方图限制函数g = perc:ge (/'-尾)+尽式中:ES是亮度补偿后1'的均值是期望图像的均值，Ed的取值范围为60 100，percentage的取值范围为100 110 ；④统计上述函数g中每个灰度级出现的频次，得到频数nk；从而计算出新的图像直方 图具体如下Pk= (nk+A XwXh/256)/(l+A) ；k = 0，1. . . 255式中w和h分别表示图像 的宽和高，λ是控制直方图均衡化程度的参数，λ = 1,2,3；⑤根据步骤④获得的直方图，进行图像的整体亮度/对比度拉伸，拉伸后的图像亮度 分量1"再次经过双边滤波器，得到新的亮度分量Inrat ；2)饱和度补偿首先通过公式σ χ,获得图像的平坦性，式中μ和ο分别是亮度通道的均值与标准差，Xi是输入的亮度 通道像素值，Xb是图像经过双边滤波器之后的像素值； 将上式获得的图像的平坦性参数Y带入下式Snew= (i+y)xs获得新的图像饱和度Snrat，式中S是原图像的饱和度分量，参数γ描述了图像的平坦性；步骤3融合显示将经过步骤1降噪处理后获取的Cbnew和Crnew及不变的Y转换到RGB 空间，得到图像Iy ；将经过步骤2恢复重建的Inew和增强处理的Snew及不变的H转换到RGB 空间，得到图像Ih ；最后通过将图像Iy和图像Ih通过Itj = &111+13&运算后，输出最终图像 I。，其中a的取值范围为0. 6 0.8，b的取值范围为0. 2 0.4，且满足a+b = 1。
2.根据权利要求1所述的一种随意光照下彩色数字图像增强和去噪方法，其特征在于 步骤2中的②步骤所述的标准化处理得到Γ具体实现通过如下公式, I-I ./ =-s^x255I -I .max mm式中，Imax和Imin分别是1 (X)的最大值和最小值。
3.根据权利要求1所述的一种随意光照下彩色数字图像增强和去噪方法，其特征在于 步骤2中所提及期望图像的均值&的取值为70。
4.根据权利要求1所述的一种随意光照下彩色数字图像增强和去噪方法，其特征在于 步骤2中所提及控制直方图均衡化程度的参数λ的取值为2。
全文摘要
本发明公开了一种随意光照下彩色数字图像增强和去噪方法，其特征在于包括如下步骤1、图像去噪处理将原始图像从RGB空间转换到YCbCr空间，通过高斯滤波器去除高斯分布噪声和中值滤波去除椒盐噪声；2、图像亮度/对比度拉伸处理将图像从RGB空间转换到HSI空间，通过双边滤波器对其进行分解，再通过改进Retinex模型算法进行处理；再通过饱和度补偿，得到新的图像饱和度；3、最后对上述YCbCr空间去噪后获取的图像和HSI空间处理获取的图像进行融合显示。本发明所述方法能够保持图像的彩色恒常性，较好地提升图像的动态范围，同时也能抑制、去除图像的噪声，损失较少纹理和细节信息。
文档编号G06T5/50GK102129673SQ20111009788
公开日2011年7月20日 申请日期2011年4月19日 优先权日2011年4月19日
发明者印文帅, 孙怡, 林相波 申请人:大连理工大学