一种基于单尺度Retinex方法的水下图像匀光算法技术

本发明专利技术公开了一种基于单尺度Retinex方法的水下图像匀光算法，通过不同的步长计算图像各通道的EME值；将该值作为构造高斯滤波器的自适应截止频率；获取水下图像RGB各通道的像素值强度总和总和占三通道像素强度总和之比；量化时通过上述比例作为三个通道的权重，以修正原生Retinex方法所引入的色偏问题。本发明专利技术的有益效果是匀光效果更好、免去人工调参、矫正了色偏现象。

An underwater image smoothing algorithm based on single scale retex method

【技术实现步骤摘要】
一种基于单尺度Retinex方法的水下图像匀光算法
本专利技术属于水下图像处理
，涉及一种通过EME方法改进的基于单尺度Retinex方法的水下图像匀光算法。
技术介绍
水下图像处理作为数字图像处理中的一个分支，一直是图像处理技术中较为复杂的一种技术。由于水下图像具有光对比度大、色彩失真严重、图像噪声大、雾化效应严重等问题，水下图像的处理与增强相比较其它的图像增强技术显然更加复杂。本专利技术涉及的方法，主要致力于解决水下图像的光比度过大的问题，称之为匀光算法。常见的水下匀光算法有Mask匀光算法、Retinex匀光算法、Wallis匀光算法和同态滤波法。其中Retinex匀光算法应用较为广泛。1963年，E.Land根据人类视觉的亮度和颜色感知的模型提出了一种颜色恒常知觉的计算理论，即Retinex理论。Retinex是一个合成词，它是由retina(视网膜)和cortex(皮层)这两个单词构成的。40多年来，工作在IS&T、NASA的J.J.McCann和D.J.Jobson、Zia-UrRahman、G.A.Woodell等人模仿人类视觉系统发展了Retinex算法，从单尺度Retinex算法(singlescaleretinex,SSR)改进成多尺度加权平均的Retinex算法(multi-scaleretinex,MSR)，再发展成带彩色恢复的多尺度Retinex算法(multi-scaleretinexwithcolorrestoration,MSRCR)。Retinex匀光算法的基本方法是：首先，将待匀光图像当成是由入射光部分和反射光部分之间的乘积，这里反射光部分对应于图像的原始外貌，入射光部分对应于图像中的噪声部分。然后采用特定方式求算出入射光部分，并从待匀光图像中除去入射光部分，得到反射分量，进而恢复图像的原始外貌，完成对图像的匀光处理。D.J.Jobson、Zia-UrRahman和G.A.Woodell等人提出了单尺度的Retinex算法(SSR)和多尺度的Retinex(MSR)算法，使用中心环绕的思想来估算图像的入射部分，后来又改进出带色彩恢复的MSR(MultiScalesRetinexwithColorRestoration)方法。单尺度Retinex(SSR)只能处理灰度图，匀光适用范围有局限性，并且不能自适应调整参数，导致匀光效果差。多尺度Retinex(MSR)仍只能处理灰度图，但实现了基本的自适应，匀光效果强于人工设定滤波参数。带色彩通道(RGB图像)的Retinex(MSR)可以处理灰度图以及色彩图，使算法适应性得到极大改善。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于单尺度Retinex方法的水下图像匀光算法，本专利技术的有益效果是匀光效果更好、免去人工调参，并矫正了色偏现象。本专利技术所采用的技术方案如下步骤：步骤一：获取输入图像，输入图像I(w，h，3)是一个大小为w×h×3的三维矩阵，w表示宽，h表示高，3表示图像的通道数，通常为图像的RGB三个通道，其中每个通道可以提取出大小为w×h的二维矩阵，表示源图像中每个通道中所蕴含的空间信息；步骤二：首先取源图像中的任一通道，这里以R通道为例，记为IR(x，y)，用于计算；步骤三：规定三个步长值分别为s1，s2，s3，步长值用于计算不同尺度下的EME值。EME值全称为图像增强测度(MeasureofImageEnhancement)，描述了图像的动态范围：EME值越大，表示图像的平均动态范围越大。将图像IR(x，y)按照以s1×s1的大小切分为k1×k2块，则计算EME1值的方法为：式(1)中的Imax|m，n和Imax|m，n分别指代第(m，n)个区域内的像素强度的最大值和最小值；步骤四：分别将图像IR(x，y)按照s2×s2和s3×s3的大小切分，并计算对应的EME2和EME3；步骤五：则R通道图像IR(x，y)的最终EME值为EMER＝avg(EME1+EME2+EME3)(2)步骤六：以EMER值作为截止频率构造高斯滤波器FR，将R通道图像IR(x，y)与该高斯滤波器FR进行卷积操作，得到入射光图像BR(x，y)；步骤七：在对数域作差，求得R通道图像RI(x，y)的反射图像R(x，y)，R(x，y)＝log(RI(x，y))-log(BR(x，y))(3)步骤八：按照步骤三到步骤七的方法，分别计算G通道和B通道的反射图像G(x，y)和B(x，y)；步骤九：对原始图像的三个通道分别计算其像素强度的权重：该权重反映了在初始图像内三个色彩通道所占的大致比例，确定了原始图像的主色调，因而通过此权重可以抑制原生Retinex方法所产生的图像色差；步骤十：将wRR(x，y)，wGG(x，y)，wBB(x，y)分别作为最终图像的三个通道，拼接它们，并将像素强度归一化到[0,255]的范围，得到最终图像输出。进一步，步骤三：规定三个步长值分别为s1，s2，s3，其中存在约束关系为S3≥2S2且S2≥2S1。进一步，步骤三至步骤五中，使用了先三种步长s1，s2，s3对图像进行切割后再进行EME值计算、再取算术平均值的方法计算最终自适应参数。进一步，步骤六中，将计算得到的EME值作为σ值生成高斯滤波器，高斯滤波器的σ值，即标准差描述了整个滤波器在二维平面上的离散程度：σ越大，滤波器越离散，对图像的整体把控越好；σ越小，滤波器越集中，对图像的细节把控越好，用EME值作为滤波器的自适应参数σ时：当EME值越大，图像的平均动态范围越大，越需要在整体上对整个图像的对比度进行修订，即需要更大的σ值；当EME值越小，图像的平均动态范围越小，则滤波时可以通过减小σ值以保留更多图像的细节信息。进一步，步骤九中，通过计算原始图像中每个通道中的像素强度之和占总和的比例计算通道权重wR，wG，wB，用以描述在原始图像中各个通道的整体强度之对比，进而纠正在匀光过程中由于对数运算而带来的信息丢失而导致的色偏现象，在上述匀光算法过程中，由于对数运算，导致最终计算出的三个通道的像素值大致上处于同一水平，这和水下图像中B通道像素强度通常占优产生了不一致，故而会导致色差，引入的权重可以在一定程度上描述原始图像中各个通道的整体强度对比，将其引入最终的拼接图像中则可以抑制上述的色偏现象。进一步，步骤九中，由于将输出通道的像素强度整体赋予了通道权重wR，wG，wB，因而会导致图像整体亮度偏低，但这里不能通过简单的拉伸将图像的亮度范围调整至[0,255]，因为做过匀光之后的图像，其各通道内的像素强度分布未必覆盖了整个[0,255]的像素强度轴，选择用权重归一化的方法优化所述权重，即使得：w′K＝wK/max(wR，wG，wB)(8)式(8)中，K分别为R,G,B，经过优化的权重可以避免出现图像整体亮度过低的问题。附图说明图1为本专利技术算法本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于单尺度Retinex方法的水下图像匀光算法，其特征在于按照以下步骤进行：/n步骤一：获取输入图像，输入图像I(w，h，3)是一个大小为w×h×3的三维矩阵，w表示宽，h表示高，3表示图像的通道数，通常为图像的RGB三个通道，其中每个通道可以提取出大小为w×h的二维矩阵，表示源图像中每个通道中所蕴含的空间信息；/n步骤二：首先取源图像中的任一通道，这里以R通道为例，记为I

【技术特征摘要】
1.一种基于单尺度Retinex方法的水下图像匀光算法，其特征在于按照以下步骤进行：
步骤一：获取输入图像，输入图像I(w，h，3)是一个大小为w×h×3的三维矩阵，w表示宽，h表示高，3表示图像的通道数，通常为图像的RGB三个通道，其中每个通道可以提取出大小为w×h的二维矩阵，表示源图像中每个通道中所蕴含的空间信息；
步骤二：首先取源图像中的任一通道，这里以R通道为例，记为IR(x，y)用于计算；
步骤三：规定三个步长值分别为s1，s2，s3，步长值用于计算不同尺度下的EME值，将图像IR(x，y)按照以s1×s1的大小切分为k1×k2块，则计算EME值的方法为：



式(1)中的Imax|m，n和Imin|m，n分别指代第(m，n)个区域内的像素强度的最大值和最小值；
步骤四：分别将图像IR(x，y)按照s2×s2和s3×s3的大小切分，并计算对应的EME2和EME3；
步骤五：则R通道图像IR(x，y)的最终EME值为
EMER＝avg(EME1+EME2+EME3)(2)
步骤六：以EMER值作为截止频率构造高斯滤波器FR，将R通道图像IR(x，y)与该高斯滤波器FR进行卷积操作，得到入射光图像BR(x，y)；
步骤七：在对数域作差，求得R通道图像RI(x，y)的反射图像R(x，y)，
R(x，y)＝log(RI(x，y))-log(BR(x，y))(3)
步骤八：按照步骤三到步骤七的方法，分别计算G通道和B通道的反射图像G(x，y)和B(x，y)；
步骤九：对原始图像的三个通道分别计算其像素强度的权重：












该权重反映了在初始图像内三个色彩通道所占的大致比例，确定了原始图像的主色调，因而通过此权重可以抑制原生Retinex方法所产生的图像色差；
步骤十：将wRR(x，y)，wGG(x，y)，wBB(x，y)...

【专利技术属性】
技术研发人员：荣生辉，刘永彬，何波，沈鉞，年睿，冯晨，严天宏，李光亮，李腾跃，曹雪婷，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37