CN108805831B - 深海环境下的图像增强方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了深海环境下的图像增强方法，包括以下步骤：建立深海环境下摄像头、光源和目标的空间模型；把建立的三维空间模型映射到相应的二维平面；在二维平面中测算摄像头与目标的角度；在二维平面中测算摄像头与目标的距离；确定曝光系数；根据曝光系数进行自适应曝光来复原深海环境下的非均匀光照图像。本发明提出了一种基于空间模型的深海图像增强方法，以提高在深海环境下人造光源辅助下拍摄的非均匀光照的图像质量。

Description

深海环境下的图像增强方法
技术领域
本发明属于图像处理领域，涉及一种深海环境下的图像增强方法。
背景技术
随着科学技术的发展，越来越多的人对海洋领域进行探索。但是因为深海探测环境中的光照不足，人造光辅助下拍摄的图像存在非均匀光照的问题，例如亮点和黑暗区域。这些问题不仅影响观察的清晰度，同时影响后续的图像处理过程，如目标识别跟踪，特征点提取等。
为了克服上述问题，该方面的专业人士提出过许多方法。这些方法基本上分为直接图像增强方法和模型方法两种。直接图像增强是直接处理图像，无需物理模型，如基于Retinex的方法，基于小波的方法和基于映射阈值的方法。虽然这些方法可以提高一些图像的质量，但由于缺乏深海检测设备的物理成像模型，将不可避免地出现失真。在人造光源辅助下拍摄的图像，容易出现光源附近的物体过亮，而远离光源的物体较暗，因此需要有一个物理模型来计算光源与目标的距离并用光源调节不均匀的照度。
模型方法是根据成像的特殊原理设计物理模型，然后根据物理模型对图像进行处理。典型的模型方法首先建立水下成像模型，然后提出图像处理框架，该方法使用高斯函数卷积法来估计散射光的组成，具有大量的计算量，而深海勘探环境的特殊性导致了深海勘探设备的计算能力有限，因此该模型无法得到很好的应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明针对传统的经典图像增强方法的缺点，基于深海环境的特殊性，建立了水下空间模型，根据单目测距原理计算目标与光源的距离。本发明不仅建立了深海环境的空间模型，而且还考虑了深海设备的有限计算能力，有效解决深海环境下的光照不均匀问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为一种深海环境下的图像增强方法，包括以下步骤：
建立深海环境下摄像头、光源和目标的空间模型；
把建立的三维空间模型映射到相应的二维平面；
在二维平面中测算摄像头与目标的角度；
在二维平面中测算摄像头与目标的距离；
确定曝光系数；
根据曝光系数进行自适应曝光来复原深海环境下的非均匀光照图像。
优选地，所述建立深海环境下摄像头、光源和目标的空间模型中，通过下式得到目标与光源的距离：
Figure BDA0001676485280000021
其中，D2是T+1时刻摄像头与目标之间的距离，a是目标与摄像头之间的角度，b是摄像头与光源之间的角度，r是摄像头与光源之间的距离，b和r都是安装潜艇检测设备时的已知参数。
优选地，所述T+1时刻摄像头与目标之间的距离D2由下式得到：
Figure BDA0001676485280000022
其中，L是摄像头在T到T+1时刻移动的距离，h1和h2分别是在T、T+1时刻目标的中心与整个深海环境下的非均匀光照图像中心点之间的距离，a2是在T+1时刻摄像头与目标的角度。
优选地，所述在T+1时刻摄像头与目标的角度a2由下式得到：
Figure BDA0001676485280000023
其中，f是摄像头的焦距，S是在T+1时刻整个深海环境下的非均匀光照图像中目标的面积。
优选地，所述确定曝光系数，由下式得到：
s＝k×i×r×dn，
其中，s为曝光系数，k为海水中光的衰减系数，i为亮度，r为反射率，d为光源与目标的距离，n为调节参数，i、r、n皆为常量。
本发明的有益效果如下：
(1)解决深海环境中人造光辅助拍摄的图像存在非均匀光照的问题，例如亮点和黑暗区域。提高了深海环境下非均匀光照图像的质量，方便后续的图像处理过程，如目标识别跟踪，特征点提取等。
(2)解决了直接图像增强方法存在失真的问题，直接图像增强是直接处理图像，没有建立空间模型，在人造光源辅助下拍摄的图像，容易出现光源附近的物体曝光过度，而远离光源的物体较暗，本发明通过建立深海环境中的空间模型来计算光源与目标的距离，通过人造光源与检测目标的距离实现自适应曝光，解决了直接图像方法存在失真的问题，达到复原深海环境中非均匀光照图像的目的。
(3)本发明考虑了深海勘测设备的计算能力有限，克服了通过模型方法复原图像具有大量的计算量的缺点，因此本发明的方法具有普适性。
附图说明
图1为本发明方法实施例的深海环境下的图像增强方法的步骤流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1，为本发明实施例的深海环境下的图像增强方法的步骤流程图，包括以下步骤：
S10，建立深海环境下摄像头、光源和目标的空间模型；
S20，把建立的三维空间模型映射到相应的二维平面；
S30，在二维平面中测算摄像头与目标的角度；
S40，在二维平面中测算摄像头与目标的距离；
S50，确定曝光系数；
S60，根据曝光系数进行自适应曝光来复原深海环境下的非均匀光照图像。
本发明首先建立深海环境下的空间模型，模型中包括摄像头、人造光源和检测目标；然后把建立的三维空间模型映射到二维平面，在二维平面中测算摄像头与目标的角度以及摄像头与目标的距离；在距离衰减原理的基础上确定曝光系数；最后根据曝光系数进行自适应曝光，达到复原深海环境下的非均匀光照图像的目的。
具体实施例中，步骤S10中为了在深海环境下复原图像，本发明分析在深海环境中摄像头、检测目标和人造光源位置关系的基础上，构建了深海环境下摄像头、检测目标和人造光源的空间模型。通过深海环境中的空间模型，下式得到目标与光源的距离：
Figure BDA0001676485280000041
其中，D2是T+1时刻摄像头与目标之间的距离，a是目标与摄像头之间的角度，b是摄像头与光源之间的角度，r是摄像头与光源之间的距离，b和r都是安装潜艇检测设备时的已知参数。
通过移动摄像头获得前后两帧中检测目标的图像，分别记为T和T+1图像，再通过SIFT算法测量T和T+1时刻检测目标在成像平面上的位置，为了获得T+1时刻摄像机与目标之间的距离，需要把建立的深海空间模型映射到二维平面，T+1时刻摄像头与目标之间的距离D2由下式得到：
Figure BDA0001676485280000051
其中，L是摄像头在T到T+1时刻移动的距离，h1和h2分别是在T、T+1时刻目标的中心与整个深海环境下的非均匀光照图像中心点之间的距离，a2是在T+1时刻摄像头与目标的角度。
可通过相似三角形原理求出a2：
Figure BDA0001676485280000052
其中，f是摄像头的焦距，S是在T+1时刻整个深海环境下的非均匀光照图像中目标的面积，同理可求出物体和摄像机之间的角度a，即可得到目标与光源之间的距离d。
S50中确定曝光系数，根据距离衰减原理得到曝光系数，距离衰减原理的描述如下：
(1)当其他条件相同时，地理要素的影响与距离的平方成反比。
(2)距离衰减原理分为长距离衰减和近距离衰减。
(3)长距离衰减用于模拟远处的光线或逐渐减弱的主光源效果，模拟自然光随着距离增加衰减的现象。
(4)近距离衰减用于避免光源附近物体太亮，以控制光源与周围物体过近时的情况。
根据距离衰减原理，本发明提出了一种新的自适应曝光算法，根据距离衰减原理可初步确定曝光系数与检测目标和光源之间的距离成幂函数关系。同时考虑深海的勘测环境，最终确定计算曝光系数的公式如下：
s＝k×i×r×dn，
其中，s为曝光系数，k为海水中光的衰减系数，i为亮度，因为是人造光源，所以是一个固定值；r为反射率，因为大部分物体都在深海中，所以物体的反射率几乎相同。d为光源与目标的距离，n为调节参数，即为常量。
通常的曝光算法整张图像使用一个单一的曝光系数，在深海环境下容易出现局部过亮或者过暗，本发明通过建立深海环境空间模型得到人造光源与检测目标的距离，根据距离实现自适应曝光，避免产生局部过亮、过暗现象，达到复原深海环境下的非均匀光照图像目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种深海环境下的图像增强方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立深海环境下摄像头、光源和目标的空间模型；
把建立的三维空间模型映射到相应的二维平面；
在二维平面中测算摄像头与目标的角度；
在二维平面中测算摄像头与目标的距离；
确定曝光系数；
根据曝光系数进行自适应曝光来复原深海环境下的非均匀光照图像；
所述建立深海环境下摄像头、光源和目标的空间模型中，通过下式得到目标与光源的距离：
Figure FDA0003189637650000011
其中，D2是T+1时刻摄像头与目标之间的距离，a是目标与摄像头之间的角度，b是摄像头与光源之间的角度，r是摄像头与光源之间的距离，b和r都是安装潜艇检测设备时的已知参数；
所述T+1时刻摄像头与目标之间的距离D2由下式得到：
Figure FDA0003189637650000012
其中，L是摄像头在T到T+1时刻移动的距离，h1和h2分别是在T、T+1时刻目标的中心与整个深海环境下的非均匀光照图像中心点之间的距离，a2是在T+1时刻摄像头与目标的角度；
所述在T+1时刻摄像头与目标的角度a2由下式得到：
Figure FDA0003189637650000013
其中，f是摄像头的焦距，S是在T+1时刻整个深海环境下的非均匀光照图像中目标的面积。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定曝光系数，由下式得到：
s＝k×i×r×dn，
其中，s为曝光系数，k为海水中光的衰减系数，i为亮度，r为反射率，d为光源与目标的距离，n为调节参数，i、r、n皆为常量。
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