CN109118441B - 一种低照度图像及视频增强方法、计算机装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低照度图像及视频增强方法、计算机装置及存储介质，所述低照度图像增强方法中包括以下步骤：将图像进行反转并划分为若干大小相等的矩形子块，引入适应度因子和邻域暗通道池化操作，计算出透射率，各个子块透射率的计算采用多线程进行；采用基数排序法估计图像的大气光值，获取前百分之0.1的高亮度像素值，作为大气光值的估计；根据前述透射率和大气光值，对图像进行图像增强处理。本发明通过结合多线程处理、透射率计算和基数排序等处理方案，有效地提高了低照度图像和视频的增强处理速度，满足了低照度增强处理的实时性需求。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种低照度图像及视频增强方法、计算机装置及存储介质。
背景技术
弱照明度、夜间或者背光环境下造成拍摄的图片和视频图像质量差，亮度低，清晰度低等问题，影响了图像和视频的视觉效果。在智能监控与模式识别领域，低照度图像或视频往往会严重降低识别的精度，针对低照度图像的增强处理成为识别系统必不可少的环节，低照度图像增强算法对于智能系统识别精度的提高具有重大的作用和意义。而且，对有低照度图像的增强处理具有广阔的应用前景，可应用于夜间的拍摄、航拍、遥感、户外监控、智能交通甚至是军事用途等。经过低照度增强处理的图像和视频更具有实用价值，有利于众多领域的图像理解，计算机视觉应用，图像分类，图像/视频检索，遥感和视频分析和识别，给人们的生活带来更多的便利。
目前，在计算机图像处理领域，主要有基于空域的低照度图像增强方法、基于Retinex的低照度图像增强方法、基于仿生学的低照度图像增强方法、基于去雾理论的低照度图像增强方法等。空域低照度图像增强方法通过将一已知灰度值概率密度分布的图像经过某种变换变成一幅具有均匀灰度概率密度分布的图像，但是这种方法需要将彩色图像变换为灰度图像后才可进行处理，丢失了一部分原彩色图像的信息。基于Retinex的低照度图像增强方法可以有效地保持景物的边缘信息，然而该方法有计算量大、颜色失真、对比度较低、有光晕现象等缺陷。基于仿生学的低照度图像增强方法从模拟人眼视觉系统机制出发，可以有效地提高图像的对比度，但是仍存在计算量大和颜色失真的问题。基于去雾理论的低照度图像增强方法通过将低照度图像反转，然后对反转后的图像采用去雾的理论进行处理，最后将处理后的图像再反转回来。但该方法在图像分辨率高时，所需运算量大，无法做到高分辨率低照度视频的实时增强，限制了其应用范围。因此，亟需一种可实时处理的低照度图像及视频增强方法。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种低照度图像及视频增强方法、计算机装置及存储介质，用于提高低照度图像及视频增强算法的实时性。
具体方案如下：
一种低照度图像增强方法，包括以下步骤：
S110：采集图像Iinit(x)，将该图像Iinit(x)进行反转I(x)＝255-Iinit(x)，其中x为像素点，Iinit(x)表示原始图像，I(x)表示反转后的图像，将反转后的图像I(x)划分为大小相同的矩形子块，设子块为Is(x)，其中下标s为子块序号，以下步骤中对子块的处理均采用多线程方式；
S120：分别计算每个子块的透射率ts(x)，其中下标s为对应的子块Is(x)的子块序号；
所述透射率ts(x)的计算方法如步骤S121-S126所示：
S121：根据公式
计算子块中每个像素点的暗通道值，得到该子块的暗通道图像，其中
为第x像素点的暗通道值，
为第x像素点在c∈{R,G,B}通道的值；
S122：将暗通道图像进行边缘补255；
S123：计算子块中每个像素点在边缘补255后的暗通道图像中的邻域最小值，所述邻域最小值为像素点x在Ω(x)的邻域中暗通道值的最小值，其中Ω(x)表示以像素点x为中心的方形邻域，其计算公式为：
S124：利用公式
计算每个像素点的池化值ds(x)，根据池化值将暗通道图像转换为池化图像ds；
S125：根据公式
计算池化图像中每个像素点的均值，其中|Ω(x)|为第x像素点的邻域个数，xi表示第x像素点的周围邻域像素点，rs(x)第x像素点的均值；
S126：根据公式
计算每个像素点的透射率，其中ts(x)为第x像素点的透射率，
是适应度因子；
S130：采用基数排序法计算子块Is(x)的大气光值Ac；
S140：根据公式Js(x)＝(Is(x)-Ac)/max(ts(x),t0)+Ac进行图像增强处理，获得增强后的子块Js(x)，其中t0为透射率阈值；
S150：对增强后的子块Js(x)进行拼接并对拼接边缘进行平滑处理，得到处理后的图像J(x)；
S160：对图像J(x)进行反转：Z(x)＝255-J(x)，得到增强后的图像Z(x)。
进一步的，步骤S126中所述适应度因子的取值范围为[0-0.1]。
进一步的，步骤S130中所述基数排序法的计算步骤为：
S131：设置队列数组T[256]，用来依序存储暗通道值为0～255的像素点；
S132：取出占总数0.1％的最亮的暗通道像素点存储在L数组中；
S133：根据公式
计算大气光值Ac。
进一步的，步骤S140中所述透射率阈值t0的取值范围为[0-0.1]。
一种低照度视频增强方法，基于本发明实施例一所述低照度图像增强方法，包括以下步骤：
S210：获取视频的第一帧图像；
S220：将图像按照权利要求1-4任一所述低照度图像增强方法进行图像增强处理以获得增强后的图像，判断是否存在下一帧图像，如存在，获取下一帧图像，进入S230，否则，进入S250；
S230：利用步骤S220计算得的透射率ts(x)和大气光值Ac，将该帧图像通过步骤S140、S150和S160的方法进行图像增强以获得增强后的图像；
S240：判断是否存在下一帧图像，如存在，获取下一帧图像，返回S220，否则，进入S250；
S250，输出增强后的视频。
一种计算机装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例一所述方法的步骤。
一种计算机装置，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例二所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例一所述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例二所述方法的步骤。
本发明采用如上技术方案，并具有有益效果：本发明较于暗通道先验法，结合多线程处理、透射率计算和基数排序等处理方案，有效地提高了低照度图像和视频的增强处理速度，满足了低照度增强处理的实时性需求，可以应用于实时监控的智能交通监控中。
附图说明
图1所示为本发明实施例一的流程示意图。
图2所示为本发明实施例二的流程示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例一：
参考图1所示，本发明提供了一种低照度图像增强方法，其为一种基于暗通道先验法而改进的方案，主要是在透射率及大气光的计算上进行了算法速度的提升,主要包括以下步骤：
S110：采集图像Iinit(x)，将该图像Iinit(x)进行反转I(x)＝255-Iinit(x)，其中x为像素点，Iinit(x)表示原始图像，I(x)表示反转后的图像，将反转后的图像I(x)划分为大小相同的矩形子块，设子块为Is(x)，其中下标s为子块序号，以下步骤中对子块的处理均采用多线程方式。
需要说明的是，对子块的处理均采用多线程方式，可以提高算法的实时性。
S120：分别计算每个子块的透射率ts(x)，其中下标s为对应的子块Is(x)的子块序号。
所述子块的透射率ts(x)的计算方法如下面步骤S121-S126所示：
S121：根据公式
计算子块中每个像素点的暗通道值，得到该子块的暗通道图像，其中
为x像素点的暗通道值，
为第x像素点在c∈{R,G,B}通道的值。
具体说明如下：比如C＝R，那么
表示x像素点在R通道的值；x像素点的暗通道
则等于x像素点在R、G、B三个通道中的最小值。该实施例中，设某子块有9个像素点，表示为x1、x2、x3、…、x9，这个子块的R、G、B三个通道的值
分别为：
| 120 | 200 | 110 |
| 100 | 160 | 220 |
| 130 | 230 | 250 |
| 220 | 125 | 127 |
| 120 | 140 | 121 |
| 135 | 150 | 118 |
| 160 | 221 | 167 |
| 110 | 190 | 175 |
| 230 | 210 | 165 |
根据暗通道计算公式
计算，该子块中9个像素点的暗通道值分别为：
组成的暗通道图像
为：
| 120 | 125 | 110 |
| 100 | 140 | 121 |
| 130 | 150 | 118 |
S122：将暗通道图像进行边缘补255。
该实施例中，上述的暗通道图像
补255后为：
| 255 | 255 | 255 | 255 | 255 |
| 255 | 120 | 125 | 110 | 255 |
| 255 | 100 | 140 | 121 | 255 |
| 255 | 130 | 150 | 118 | 255 |
| 255 | 255 | 255 | 255 | 255 |
S123：计算子块中每个像素点在补255后的暗通道图像中的邻域最小值，所述邻域最小值为像素点x在Ω(x)的邻域中暗通道值的最小值，其中Ω(x)表示以像素点x为中心的方形邻域，其计算公式为：
该实施例中，x1的暗通道值为20，即：
设定Ω(x)为3*3的方形邻域，则Ω(x1)为x1的3*3的方形邻域，具体为：
| 255 | 255 | 255 |
| 255 | 120 | 125 |
| 255 | 100 | 140 |
则像素点x1的邻域最小值为：
x5的暗通道值为140，即：
Ω(x5)为x5的3*3方形邻域，具体为：
| 120 | 125 | 110 |
| 100 | 140 | 121 |
| 130 | 150 | 118 |
则像素点x5的邻域最小值为：
S124：利用公式
计算每个像素点的池化值ds(x)，根据池化值将暗通道图像转换为池化图像ds。
该实施例中，x1的暗通道值为120，即：
步骤S123已计算
则
x5的暗通道值为140，即：
步骤S123已计算
则
依次论推，池化图像ds中的9个像素点的值分别为：ds(x1)＝20，ds(x2)＝25，ds(x3)＝0，ds(x4)＝0，ds(x5)＝40，ds(x6)＝11，ds(x7)＝30，ds(x8)＝50，ds(x9)＝0。
则上述的暗通道图像
经池化后为池化图像ds：
| 20 | 25 | 0 |
| 0 | 40 | 11 |
| 30 | 50 | 0 |
ds
S125：根据公式
计算池化图像中每个像素点的均值，其中|Ω(x)|为第x像素点的邻域个数，xi表示第x像素点的周围邻域像素点，rs(x)第x像素点的均值。
该实施例中，Ω(x)为3*3的邻域，因此|Ω(x)|＝9，rs(x)＝19.56。
S126：根据公式
计算每个像素点的透射率，其中ts(x)为第x像素点的透射率，
是适应度因子。
适应度因子取值范围为[0-0.1]，具体的
值可以根据经验和实验结果确定。
S130：采用基数排序法计算子块Is(x)的大气光值Ac，
本实施例中采用的基数排序法的具体步骤如下：
S131：设置队列数组T[256]，用来依序存储暗通道值为0～255的像素点。
具体的，暗通道值为0的像素点存储在队列T[0]，暗通道值为1的像素点存储在队列T[1]，…，暗通道值为255的像素点存储在队列T[255]。
S132：取出占总数0.1％的最亮的暗通道像素点存储在L数组中。
该实施例中，经过上述步骤的基数排序后，可知暗通道灰度值最亮的像素点存储在队列T[255]中，次之存储在T[254]中。
S133：将L数组中像素点对应的反转图像中像素点的最大通道值进行累加求平均，则为大气光值Ac，即根据公式
计算大气光值Ac。
本领域技术人员根据上述可知，L数组中像素点对应的图像中像素点的最大通道值，本领域人员也可以采用其他的排序方式提取最亮的像素点。
S140：根据公式Js(x)＝(Is(x)-Ac)/max(ts(x),t0)+Ac进行图像增强处理，获得增强后的子块Js(x)，其中t0为透射率阈值。
透射率阈值t0取值范围为[0-0.1]，具体的阈值t0可以根据经验和实验结果确定。
S150：对增强后的子块Js(x)进行拼接并对拼接边缘进行平滑处理，得到处理后的图像J(x)。
S160：对图像J(x)进行反转：Z(x)＝255-J(x)，得到增强后的图像Z(x)。
实施例二
本领域技术人员可知，视频实际上有若干帧具有顺序关系的图像组合而成，而低照度视频中的每一帧低照度图像都可以利用本发明的低照度图像增强方法进行增强处理。因此，本发明的低照度图像增强方法可用于视频的增强处理。
如图2所示，本发明提供了一种低照度视频增强方法，基于实施例一中的低照度图像增强方法，包括以下步骤：
S210，获取视频的第一帧图像。
需要说明的是，本步骤开始前还包括通过无线方式或者网线接口或者HDMI接口或者DVI接口或者VGA接口等方式来接收视频。
S220，将图像按照实施例一中所述方法进行图像增强处理以获得增强后的图像，判断是否存在下一帧图像，如存在，获取视频的下一帧图像，进入S230，否则，进入S250。
S230：利用步骤S220中计算得的透射率ts(x)和大气光值Ac，将该帧图像通过实施例一种步骤S140的方法进行图像增强，S150的方法进行图像平滑，S160的方法进行图像反转，以获得最后增强后的图像。
因透射率的计算需耗费大量计算时间，且前后帧图像相差不大，因此使相邻的两帧图像之间共享相同的透射率和大气光值，这样计算的速度可以得到提高。
S240：判断是否存在下一帧图像，如存在，获取视频的下一帧图像，返回S220，否则，进入S250。
S250：输出增强后的视频。
所述输出为通过视频输出接口输出，所述输出接口可以为无线方式、网线接口、HDMI接口、DVI接口和VGA接口等。
实施例三：
本发明还提供一种计算机装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明实施例一的上述方法实施例中的步骤。为了实现图像的输入和输出，所述计算机装置还可以额外包括用于接收图像/视频的输入模块和用于输出图像/视频的输出模块。
进一步地，作为一个可执行方案，所述的用于低照度图像/视频增强的计算机装置可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述计算机装置可包括但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述计算机装置的组成结构仅仅是一种示例，并不构成对具体所采用的计算机装置硬件条件的限定，可以包括比上述更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述用于低照度图像/视频增强的计算机装置还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等，本发明实施例中对此不做限定。
进一步地，作为一个可执行方案，所述输入模块可以包括无线方式或有线方式输入，其中无线方式可以采用5G或4G网络或WIFI网络，有线方式则可以采用网线接口、DVI接口、HDMI接口或VGA接口。所述输出模块也可以包括无线方式或有线方式输出，其中无线方式可以采用5G或4G网络或WIFI网络，有线方式则可以采用网线接口、DVI接口、HDMI接口或VGA接口。
所称处理器可以是中央处理单元(Centran Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digitan Signan Processor，DSP)、专用集成电路(Appnication Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Fiend-Programmabne Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述用于低照度图像/视频增强的计算机装置的控制中心，利用各种接口和线路连接其他的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述用于低照度图像/视频增强的计算机装置的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart MediaCard,SMC)，安全数字(Secure Digitan,SD)卡，闪存卡(Fnash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明实施例上述方法的步骤。
所述用于低照度图像/视频增强的计算机装置集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Onny Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)以及软件分发介质等。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种低照度图像增强方法，其特征在于，包括以下步骤：
S110：采集图像Iinit(x)，将该图像Iinit(x)进行反转I(x)＝255-Iinit(x)，其中x为像素点，Iinit(x)表示原始图像，I(x)表示反转后的图像，将反转后的图像I(x)划分为大小相同的矩形子块，设子块为Is(x)，其中下标s为子块序号，以下步骤中对子块的处理均采用多线程方式；
S120：分别计算每个子块的透射率ts(x)，其中下标s为对应的子块Is(x)的子块序号；
所述透射率ts(x)的计算方法如步骤S121-S126所示：
S121：根据公式
计算子块中每个像素点的暗通道值，得到该子块的暗通道图像，其中
为像素点x的暗通道值，
为像素点x在c∈{R,G,B}通道的值；
S122：将暗通道图像进行边缘补255；
S123：计算子块中每个像素点在边缘补255后的暗通道图像中的邻域最小值，所述邻域最小值为像素点x在Ω(x)的邻域中暗通道值的最小值，其中Ω(x)表示以像素点x为中心的方形邻域，其计算公式为：
其中，xj表示以像素点x为中心的方形邻域Ω(x)中的像素点；
S124：利用公式
计算每个像素点的池化值ds(x)，根据池化值将暗通道图像转换为池化图像ds；
S125：根据公式
计算池化图像中每个像素点的均值，其中|Ω(x)|为像素点x的邻域个数，xi表示像素点x的周围邻域像素点，rs(x)表示像素点x的均值；
S126：根据公式
计算每个像素点的透射率，其中ts(x)为像素点x的透射率，
是适应度因子；
S130：采用基数排序法计算子块Is(x)的大气光值Ac；
S140：根据公式Js(x)＝(Is(x)-Ac)/max(ts(x),t0)+Ac进行图像增强处理，获得增强后的子块Js(x)，其中t0为透射率阈值；
S150：对增强后的子块Js(x)进行拼接并对拼接边缘进行平滑处理，得到处理后的图像J(x)；
S160：对图像J(x)进行反转：Z(x)＝255-J(x)，得到增强后的图像Z(x)。
2.根据权利要求1所述的低照度图像增强方法，其特征在于：步骤S126中所述适应度因子
的取值范围为[[0-0.1]。
3.根据权利要求1所述的低照度图像增强方法，其特征在于：步骤S130中所述基数排序法的计算步骤为：
S131：设置队列数组T[256]，用来依序存储暗通道值为0～255的像素点；
S132：取出占总数0.1％的最亮的暗通道像素点存储在数组L中；
S133：根据公式
计算大气光值Ac。
4.根据权利要求1所述的低照度图像增强方法，其特征在于：步骤S140中所述透射率阈值t0的取值范围为[0-0.1]。
5.一种低照度视频增强方法，基于权利要求1-4任一所述低照度图像增强方法，其特征在于，包括以下步骤：
S210：获取视频的第一帧图像；
S220：将图像按照权利要求1-4任一所述低照度图像增强方法进行图像增强处理以获得增强后的图像，判断是否存在下一帧图像，如存在，获取下一帧图像，进入S230，否则，进入S250；
S230：利用步骤S220计算得的透射率ts(x)和大气光值Ac，将该帧图像通过步骤S140、S150和S160的方法进行图像增强以获得增强后的图像；
S240：判断是否存在下一帧图像，如存在，获取下一帧图像，返回S220，否则，进入S250；
S250，输出增强后的视频。
6.一种计算机装置，其特征在于：包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1～4任一所述方法的步骤。
7.一种计算机装置，其特征在于：包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求5所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～4任一所述方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求5所述方法的步骤。
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