一种基于相对辐射校正的水下主动光学影像亮度校正方法

1.本发明涉及图像复原技术领域，尤其是一种基于相对辐射校正的水下主动光学影像亮度校正方法。


背景技术：

2.以太阳作为光源的自然光线在海水中的穿透深度，在大洋i类水体中为数十米，在近岸ii类水体中仅在几米以内。因此，在深度超过几十米尤其是百米以上大洋海底探测时，太阳光非常微弱甚至消失，只能利用主动光源进行照拍摄明。由于点光源在制造、装配、使用及维护上有很大的优势，因而应用上多采用点光源作为照明光源，用于水下主动光学成像探测。但是当照明光接触到海底地面物体反射，传播返回到相机传感器时，整个成像区域背景光强度不均匀变化，以光源最强点为中心向四周衰减。使得成像的四周出现暗角，导致拍摄图像的整体亮度不均匀，而在水下探测任务中这类图片大量存在。因而，对水下图像质量改善算法研究有助于优化水下图像视觉效果，提高水下观测效率，对水下勘探及后续应用有重要意义。
3.目前已经发展了直方图变换、变换频域操作、retinex理论等多种方法。直方图变换法具有算法简便、效率高等优势，通过设定直方图灰度变换函数，使得直方图具有特定分布，从而改善图像质量。虽然对水下图像视觉质量有所改善，但由于某些区域的过度增强常常会出现明显的伪影区域，放大图像中的噪声。变换频域操作将图像作傅里叶变换，将实数域转换到频率域中进行处理，再转换回空间域得到输出。变换域法能有效提升图像高频分量从而改善水下图像质量，但是成像环境难以精准测量光学参数，水下图像质量主要受到光的散射效应、吸收作用和噪声影响为主，变换域方法解决图像退化的问题具有一定局限性。以retinex理论从观察图像中分离出照射分量和反射分量，或者根据具体的处理目标和需求通过消除光照的影响，改变光照分量与反射分量之间的关系，从而特定地增强图像。虽然retinex理论对图像整体亮度、对比度有一定提升，但是恢复的图像往往存在光晕、不自然等问题。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于相对辐射校正的水下主动光学影像亮度校正方法，能够有效消除各通道内部因光源不均、光程不同等因素造成的辐射畸变，使得图像中心和边缘具有相对一致的亮度。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于相对辐射校正的水下主动光学影像亮度校正方法，包括如下步骤：
6.步骤1、对于输入图像f(x，y)分离得到三通道fr(x，y)、fg(x，y)、fb(x，y)；
7.步骤2、采用多项式对各通道图像fn(x，y)，n∈{r，g，b}的亮度分别进行曲面拟合；
8.步骤3、用ηn(x，y)表示参考图像的亮度拟合曲面；选取拟合曲面ηn(x，y)的顶点(即最大亮度所在点)的衰减量为0，以该点为参考点进行单点校正；
9.步骤4、获得每个像素的亮度补偿量之后，直接将补偿量按像素位置直接增加到原始图像上，输出亮度补偿后的图像gn(x，y)，计算方式如下：
10.gn(x，y)＝fn(x，y)+δn(x，y)；
11.步骤5、得到各通道亮度校正后的图像，再次合成为rgb三通道图像g(x，y)。
12.优选的，步骤2中，多项式曲面拟合计算公式如下：
[0013][0014]
其中设定q可以指定多项式的次数，a
ij
为一般多项式的系数项，(x，y)代表图像中的像元位置。
[0015]
优选的，步骤3中，用ηn(x，y)表示参考图像的亮度拟合曲面；选取拟合曲面ηn(x，y)的顶点(即最大亮度所在点)的衰减量为0，以该点为参考点进行单点校正具体为：设拟合曲面最大亮度值为i
max
，假定过曲面顶点的平面γn(x，y)与相机光轴垂直，那么图像上每个像素的亮度补偿量δn(x，y)定义为该像素在拟合曲面上的值ηn(x，y)与在平面γn(x，y)之间的差，计算公式如下：
[0016]
δn(x，y)＝γn(x，y)-ηn(x，y)。
[0017]
优选的，对于灰度图像，则跳过步骤1，直接对单通道实施步骤2至步骤5。
[0018]
本发明的有益效果为：(1)利用拟合参数对水下图像分通道进行补偿，对原始图像进行分通道亮度均匀性校正，消除光程差和光源非均匀性造成的图像辐射畸变，恢复各通道图像相对一致的照度，具有良好的适应性和实用性，复原效果明显，可广泛适用于水下图像的复原；(2)在变换过程中，依据图像自身的特性自动计算相关变换参数，从而保证了本发明方法对不同图像的适应性。
附图说明
[0019]
图1为本发明的方法流程示意图。
[0020]
图2为本发明的一幅水下图像。
[0021]
图3为使用本发明方法的结果图。
具体实施方式
[0022]
如图1所示，一种基于相对辐射校正的水下主动光学影像亮度校正方法，包括如下步骤：
[0023]
步骤1、对于输入图像f(x，y)分离得到三通道fr(x，y)、fg(x，y)、fb(x，y)；
[0024]
步骤2、采用多项式对各通道图像fn(x，y)，n∈{r，g，b}的亮度分别进行曲面拟合，多项式曲面拟合计算公式如下：
[0025][0026]
其中设定q可以指定多项式的次数，a
ij
为一般多项式的系数项，(x，y)代表图像中的像元位置，i，j分别是多项式指数；
[0027]
步骤3、用ηn(x，y)表示参考图像的亮度拟合曲面；选取拟合曲面ηn(x，y)的顶点(即最大亮度所在点)的衰减量为0，以该点为参考点进行单点校正，设拟合曲面最大亮度值为imax
，假定过曲面顶点的平面γn(x，y)与相机光轴垂直，那么图像上每个像素的亮度补偿量δn(x，y)定义为该像素在拟合曲面上的值ηn(x，y)与在平面γn(x，y)之间的差，计算公式如下：
[0028]
δn(x，y)＝γn(x，y)-ηn(x，y)；
[0029]
步骤4、获得每个像素的亮度补偿量之后，直接将补偿量按像素位置直接增加到原始图像上，输出亮度补偿后的图像gn(x，y)，计算方式如下：
[0030]gn
(x，y)＝fn(x，y)+δn(x，y)；
[0031]
步骤5、得到各通道亮度校正后的图像，再次合成为rgb三通道图像g(x，y)。
[0032]
步骤2中，利用多项式拟合衰减量曲面；本发明采用多项式对各通道图像的亮度分别进行曲面拟合。为了探究合适的多项式次数，我们进行了系列实验，分别使用二次、三次、四次和五次多项式对基准参考图像中各通道的亮度进行曲面拟合。通过实验，我们发现采用五次多项式时的拟合效果最好。但由于高次多项式计算复杂度高，四次多项式与五次多项式的拟合结果很相近，且在多次不同的实验中四次多项式均可以获得很好的拟合效果，故采用四次多项式的进行曲面拟合。多项式拟合公式如下：
[0033][0034]
其中设定q可以指定多项式的次数，a
ij
为一般多项式的系数项，(x，y)代表图像中的像元位置。
[0035]
步骤3中，利用拟合曲面亮度校正；用η表示参考图像的亮度拟合曲面，它描述了水下光学图像不同位置上各种因素造成的衰减量的相对分布。由于参考基准图像的下垫面是同一种物质形成的均一表面，当入射光强相同时，其图像应具有相同的亮度。为了获得海水对下行和上行光的总衰减量，我们选取拟合曲面的顶点(即最大亮度所在点)的衰减量为0，以该点为参考点进行单点校正。设拟合曲面最大亮度值为i
max
，假定过曲面顶点的平面γ与相机光轴垂直，那么图像上每个像素的亮度补偿量δ(x，y)定义为该像素在拟合曲面上的值η(x，y)与在平面γ(x，y)之间的差，即：
[0036]
δ(x，y)＝γ(x，y)-η(x，y)
[0037]
获得每个像素的亮度补偿量之后，可以直接将补偿量按像素位置直接增加到原始图像上，获得亮度补偿结果。
[0038]
图2所示是参考图像，图3同批次图像的亮度校正结果，与原图对比可发现，补偿后的图像亮度整体均匀，消除了因总光程不同而形成的亮度衰减，特别是距离原始图像光照中心较远的四角区域的亮度也得到了很好的补偿，图像细节得以凸显，很显然采用本发明公开的算法处理后的效果是最好。它为水下图像质量自动复原处理，提供了一种有效的方法。