CN113411554A - 水下图像色彩还原方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种水下图像色彩还原方法，该方法包括：S1：获取水下图像在RGB色彩格式下的各色彩通道的全局强度；S2：根据各色彩通道的全局强度的相对关系确定至少一个补偿通道，并结合水下图像的每个像素在补偿通道的像素值对该像素在对应的补偿通道进行增益补偿；其中，各色彩通道的全局强度由各色彩通道的像素值确定。与现有技术相比，本发明根据水下图像的各色彩通道的全局强度的相对关系来对水下图像中的每个像素按特定的步骤进行了色彩还原处理，使得水下画面的偏色程度相对统一，解决了现有技术中无法正确区分水下的前景物体和背景的水和/或使得前景物体的红色通道容易溢出等问题。

Description

水下图像色彩还原方法和装置
技术领域
本申请涉及图像处理技术领域，具体涉及一种水下图像的色彩还原方法、装置及计算机可读存储介质。
背景技术
水下视觉不仅广泛运用于海洋探测、水下工程监测等的科学研究活动，也是广大摄影爱好者的重要拍摄素材来源，因此，获取真实的水下图像尤为重要。
市面上的数码相机在水下拍摄常常遇到偏色问题。由于不同波长的光在水中衰减率不同，其中波长较长的红光在水下传播衰减最为明显，水下拍摄画面中的物体普遍红色信息缺失，导致画面整体偏蓝或者偏绿。此时，相机的自动白平衡在此特殊的光照条件下容易失效，进一步导致画面色彩失真。
现有对水下拍摄的视频或图片的后期处理过程中，主要依靠人力对视频色彩进行手动调整，比如可以使用后期编辑软件对偏色视频或图片使用手动白平衡修正、通道混合器、色彩查找表去修正，在一定程度上可以还原出真实的水下色彩，但手动调整操作繁琐，而且当画面中的拍摄物体到相机的距离发生变化，或者拍摄的环境的水深发生较大变化时，画面偏色情况也会相应的改变，此时往往需要重新调色，费时费力。
针对上述问题，中国专利公开号为CN112348904A、发明名称为“水下图像及水下视频色彩还原方法和装置”公开了一种水下图像色彩还原方法，该方法通过将水下图像的各像素的由8位RGB像素值转换线性sRGB空间上进行调整处理，再将调整后的像素值转换至8位RGB像素值，然后将获取的8位RGB像素值与调整后的像素值进行融合，进而得到还原后的水下图像。但上述专利的技术方案存在以下缺陷：1、该方案需要计算一个权重值来表示衰减的程度。但是由于水下环境多变，计算衰减程度往往不准，进而无法正确区分水下的前景物体和背景的水。2、该方案主要通过计算通道增益去补偿水下的颜色，但是由于红色很少，所以算得红色增益较大，使得前景物体的红色通道容易溢出。
因此，有必要对现有的水下图像色彩还原方法进行改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水下图像色彩还原方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，旨在解决现有一种水下图像的复原方法存在的缺陷。
第一方面，本发明提供了一种水下图像色彩还原方法，该方法包括：
S1：获取水下图像在RGB色彩格式下的各色彩通道的全局强度；
S2：根据各色彩通道的全局强度的相对关系确定至少一个补偿通道，并结合水下图像的每个像素在补偿通道的像素值对该像素在对应的补偿通道进行增益补偿；
其中，各色彩通道的全局强度由各色彩通道的像素值确定。
第二方面，本发明提供了一种水下图像色彩还原装置，该装置包括：
全局强度获取模块，用于获取水下图像在RGB色彩格式下的各色彩通道的全局强度；
补偿模块，用于根据各色彩通道的全局强度的相对关系确定至少一个补偿通道，并结合水下图像的每个像素在补偿通道的像素值对该像素在对应的补偿通道进行增益补偿；
其中，各色彩通道的全局强度由各色彩通道的像素值确定。
第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括：
存储器，所述存储器存储有计算机程序；
处理器，所述处理器用于执行所述计算机程序以实现上述的水下图像色彩还原方法。
第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的以实现上述的水下图像色彩还原方法。
与现有技术相比，本发明根据水下图像的各色彩通道的全局强度的相对关系和单个像素在各色彩通道的像素值来对水下图像中的每个像素按特定的步骤进行了色彩还原处理，使得水下画面的偏色程度相对统一，解决了现有技术中无法正确区分水下的前景物体和背景的水和/或使得前景物体的红色通道容易溢出等问题。
附图说明
图1是本发明实施例1中的水下图像色彩还原方法的流程图。
图2是本发明实施例1中的步骤S1的流程图。
图3是本发明实施例1中的步骤S2的流程图。
图4是本发明实施例2中的水下图像色彩还原装置的结构框图。
图5是本发明实施例3中的电子设备的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例1
如图1所示，本实施例揭示了一种水下图像色彩还原方法，包括以下步骤：
S0：检测水下图像是否为RGB色彩格式，如果不是则将其转换为RGB色彩格式。
水下图像是指拍摄装置（如相机或手机）的镜头在水中拍摄的照片或视频帧，水下图像可以是任意像素色彩格式（如BGR、RGB、YUV等），如果水下图像不是RGB色彩格式，则需要将其转换为RGB色彩格式。图像的不同色彩格式之间的转换为现有技术，本实施例中不再详细说明。
S1：获取水下图像在RGB色彩格式下的各色彩通道的全局强度。
本实施例的一个具体方案中，步骤S1包括以下子步骤。
S11：获取各像素在各色彩通道的像素值。
本实施例以8位RGB色彩空间为例进行说明，获取的水下图像在每个色彩通道中的像素值在0-255之间。
S12：对各像素值进行归一化处理。
将获取的水下图像的各色彩通道的像素值除以255，使得各像素值变为0-1之间，即完成了各像素值的归一化处理。
S13：根据归一化处理后的在各色彩通道的像素值确定各色彩通道的全局强度。
在本实施例中的一个具体方案中，是通过对水下图像的各像素在各色彩通道的像 素值的平均值来确定各色彩通道的全局强度。具体的，假设水下图像有n个像素，ri、gi、bi分 别代表第i个像素在红色通道、绿色通道和蓝色通道的像素值，则红色通道的像素平均值ra ＝1/n*
Figure 905311DEST_PATH_IMAGE001
，绿色通道的像素平均值ga＝1/n*
Figure 357152DEST_PATH_IMAGE002
，蓝色通道的像素平均值ba＝1/n*
Figure 283520DEST_PATH_IMAGE003
。
在本实施例中的另一可选方案中，是通过对水下图像的各像素在各色彩通道的某个区段内的像素值的平均值来确定各色彩通道的全局强度。具体的，将水下图像的各像素在各色彩通道的像素值按从大到小进行排序，然后取位于中间的一定比例（如50%）的像素值，然后计算这些像素值的平均值。通过这种方式，可以降低水下图片在极端情况下（如曝光不足或水下图像部分区域被遮挡时）对各色彩通道的全局强度的影响。
在本实施例中的其他可选方案中，各色彩通道的全局强度还可以为对水下图像的各像素在各色彩通道的像素值的中位数。
S2：根据各色彩通道的全局强度的相对关系确定至少一个补偿通道，并结合水下图像的每个像素在补偿通道的像素值对该像素在对应的补偿通道进行增益补偿。
一般水下拍摄的图像画面是偏蓝或偏绿。通过比较水下图像的在各色彩通道的像素值的平均值或像素值的中位数的平均值的大小来确定各色彩通道的全局强度，即该色彩通道的像素值的平均值或像素值的中位数的平均值越大，该色彩通道的全局强度越大。本实施例中，步骤S2包括以下子步骤。
S21：判断蓝色通道的全局强度是否大于绿色通道的全局强度，如果是，则进入步骤S22，如果否则进入步骤S23。
在本实施例中，通过直接比较蓝色通道的像素平均值ba和绿色通道的像素平均值ga的大小来判断蓝色通道的全局强度是否大于绿色通道的全局强度。
S22：对水下图像中的每个像素的绿色通道进行增益补偿。
本实施例中，对于水下图像中的任一像素，其经增益补偿后的绿色通道的像素值g'的计算公式如下：
g'=g+wgb*(ba-ga)*(1-g)*b/*ba
其中，g为该像素的在绿色通道的像素值，ga为水下图像的各像素在绿色通道的像素值的平均值或像素值的中位数的平均值，b为该像素的在蓝色通道的像素值，ba为水下图像的各像素在蓝色通道的像素值的平均值或像素值的中位数的平均值，wgb为经验值参数，一般取值范围为0.2-0.8，表示根据该像素的蓝色通道强度去补偿绿色通道强度。
S23：对水下图像中的每个像素的蓝色通道进行增益补偿。
本实施例中，对于水下图像中的任一像素，其经增益补偿后的蓝色通道的像素值b'的计算公式如下：
b'=b+wbg*(ga-ba)*(1-b)*g/*ga
其中，b为该像素的在蓝色通道的像素值，ba为水下图像的各像素在蓝色通道的像素值的平均值或像素值的中位数的平均值，g为该像素的在绿色通道的像素值，ga为水下图像的各像素在绿色通道的像素值的平均值或像素值的中位数的平均值，wbg为经验值参数，一般取值范围为0.2-0.8，表示根据该像素的绿色通道强度去补偿蓝色通道强度。
在本实施例中的其他方案中，在步骤S22或步骤S23中，还可对水下图像中的每个像素的红色通道进行增益补偿。水下图像的红色通道的补偿具体方案如下：对于水下图像中的任一像素，其经增益补偿后的红色通道的像素值r'的计算公式如下：
r'=r+wrb*(ba-ra)*(1-r)*b/*ba+wrg*(ga-ra)*(1-r)*g/*ga
其中，r、b、g分别为该像素在红色通道、蓝色通道及绿色通道的像素值，ra、ba、ga分别为水下图像的各像素在红色通道、蓝色通道及绿色通道的像素值的平均值或像素值的中位数的平均值，wrb、wrg为经验值参数，分别表示根据该像素的绿色通道强度和蓝色通道强度的去补偿红色的强度。
需要说明的是，上述对红色通道的补偿一般在在水下图像的蓝色通道的全局强度或绿色通道的全局强度最大的时候进行。当然，在水下图像的红色通道的全局强度最大时，也可以对红色通道进行补偿，通过上述公式可以得知，在这种情况下，对红色通道的补偿是负补偿，补偿后的红色像素值会变小，使得水下图像中的红色物体变淡。
此外，由于水下拍摄设备的色彩调教不一，即时在同一个水下场景，不同设备拍摄到的画面会也有差异。因此，本领域的一般技术人员可以通过调整四个经验值参数wgb、wbg、wrb、wrg，使得某一型号的相机拍摄的画面色彩更自然。
由上可知，各色彩通道的全局强度由各色彩通道的像素值确定。
在经上述步骤S1和S2的处理后，水下图像的画面偏绿或偏蓝的问题已经解决，但水的颜色从原本的蓝色或绿色变为接近灰色的淡蓝色或淡绿色，一些场景下仍不够真实。为了使水的颜色更接近肉眼所见海水的蓝色，在本实施例的优化方案中，还包括步骤S3：对增益补偿后的水下图像进行增加饱和度处理和/或暗通道去雾算法处理。其中，增加饱和度的具体方法不做限制，领域内普通技术人员可以自行选择增加饱和度的方案。另外，使用暗通道去雾算法也是图像处理的常见技术，这里不再详细说明，需要指出，如果不进行色彩通道的补偿操作而直接使用暗通道去雾算法，则红色通道严重缺失的海水区域会被错误识别成没有雾的前景区域，不能得到理想的结果。
在本实施例的进一步优化方案中，还包括步骤S4：对增益补偿后的水下图像通过三维颜色查找表进行调整。具体地，还可对经步骤S2或S3处理后水下图像的画面应用固定的三维颜色查找表（3D Look-up Table，3D LUT）进行处理，通过在图像或视频处理软件上加载三维颜色查找表，使得水下图像的画面色彩更真实自然。需要补充说明的是，如果未经步骤S1和S2的色彩通道的补偿操作，则存在不同水下的画面偏色情况不同，偏蓝或偏绿的程度不统一，这种情况下不适用加载固定的三维颜色查找表对水下图像的画面进行处理。
实施例2
一种水下图像色彩还原装置，包括全局强度获取模块、补偿模块、RGB转换模块、饱和度处理模块、暗通道去雾模块和加载模块。
具体地，全局强度获取模块用于获取水下图像在RGB色彩格式下的各色彩通道的全局强度；补偿模块用于根据各色彩通道的全局强度的相对关系确定至少一个补偿通道，并结合水下图像的每个像素在补偿通道的像素值对该像素在对应的补偿通道进行增益补偿；RGB转换模块用于将水下图像由其他颜色空间转换为RGB色彩格式；饱和度处理模块用于对增益补偿后的水下图像进行增加饱和度；暗通道去雾模块用于对增益补偿后的水下图像进行暗通道去雾算法处理；加载模块用于加载三维颜色查找表对增益补偿后的水下图像进行处理。
其中，各色彩通道的全局强度由各色彩通道的像素值确定，其确定的具体实现方式可参考实施例1中的相关描述，这里不再进行说明。
实施例3
本实施例揭示了一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器上存储有计算机程序；处理器用于执行所述计算机程序以实现实施例1中的水下图像色彩还原方法。本实施例中的电子设备具体可以为相机或手机。
实施例4
本实施例揭示了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例1中的水下图像色彩还原方法。
本领域普通技术人员可以理解上述各个实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，存储介质可以是计算机可读存储介质，例如，铁电存储器（FRAM，Ferromagnetic Random Access Memory）、只读存储器（ROM，Read OnlyMemory）、可编程只读存储器（PROM，Programmable Read Only Memory）、可擦除可编程只读存储器（EPROM，Erasable Programmable Read Only Memory）、带电可擦可编程只读存储器（EEPROM，Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、闪存、磁表面存储器、光盘、或光盘只读存储器（CD-ROM，Compact Disk-Read Only Memory）等存储器；也可以是包括上述存储器之一或任意组合的各种设备。
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 (17)

1.一种水下图像色彩还原方法，其特征在于，包括：
S1：获取水下图像在RGB色彩格式下的各色彩通道的全局强度；
S2：根据各色彩通道的全局强度的相对关系确定至少一个补偿通道，并结合水下图像的每个像素在补偿通道的像素值对该像素在对应的补偿通道进行增益补偿；
其中，各色彩通道的全局强度由各色彩通道的像素值确定。
2.根据权利要求1所述的水下图像色彩还原方法，其特征在于，所述各色彩通道的全局强度为：（1）水下图像的各像素在各色彩通道的像素值的平均值，或（2）对水下图像的各像素在各色彩通道的某个区段内的像素值的平均值，或（3）水下图像的各像素在各色彩通道的像素值的中位数。
3.根据权利要求1所述的水下图像色彩还原方法，其特征在于，在所述步骤S1之前包括：
S0：检测水下图像是否为RGB色彩格式，如果不是则将其转换为RGB色彩格式。
4.根据权利要求1所述的水下图像色彩还原方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11：获取各像素在各色彩通道的像素值；
S12：对各像素值进行归一化处理；
S13：根据归一化处理后的在各色彩通道的像素值确定各色彩通道的全局强度。
5.根据权利要求1所述的水下图像色彩还原方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S21：判断蓝色通道的全局强度是否大于绿色通道的全局强度，如果是，则进入步骤S22，如果否则进入步骤S23;
S22：对水下图像中的每个像素的绿色通道进行增益补偿；
S23：对水下图像中的每个像素的蓝色通道进行增益补偿。
6.根据权利要求5所述的水下图像色彩还原方法，其特征在于，所述步骤S22具体为：
对于水下图像中的任一像素，其经增益补偿后的绿色通道的像素值g'的计算公式如下：
g'=g+wgb*(ba-ga)*(1-g)*b/*ba
其中，g为该像素的在绿色通道的像素值，ga为水下图像的各像素在绿色通道的像素值的平均值、某个区段内的像素值的平均值或像素值的中位数，b为该像素的在蓝色通道的像素值，ba为水下图像的各像素在蓝色通道的像素值的平均值、某个区段内的像素值的平均值或像素值的中位数，wgb为经验值参数，表示根据该像素的蓝色通道强度去补偿绿色通道强度。
7.根据权利要求5所述的水下图像色彩还原方法，其特征在于，所述步骤S23具体为：
对于水下图像中的任一像素，其经增益补偿后的蓝色通道的像素值b'的计算公式如下：
b'=b+wbg*(ga-ba)*(1-b)*g/*ga
其中，b为该像素的在蓝色通道的像素值，ba为水下图像的各像素在蓝色通道的像素值的平均值、某个区段内的像素值的平均值或像素值的中位数，g为该像素的在绿色通道的像素值，ga为水下图像的各像素在绿色通道的像素值的平均值、某个区段内的像素值的平均值或像素值的中位数，wbg为经验值参数，表示根据该像素的绿色通道强度去补偿蓝色通道强度。
8.根据权利要求5所述的水下图像色彩还原方法，其特征在于，所述步骤S22或步骤S23还包括对水下图像中的每个像素的红色通道进行增益补偿。
9.根据权利要求8所述的水下图像色彩还原方法，其特征在于，所述对水下图像中的每个像素的红色通道进行增益补偿具体为：
对于水下图像中的任一像素，其经增益补偿后的红色通道的像素值r'的计算公式如下：
r'=r+wrb*(ba-ra)*(1-r)*b/*ba+wrg*(ga-ra)*(1-r)*g/*ga
其中，r、b、g分别为该像素在红色通道、蓝色通道及绿色通道的像素值，ra、ba、ga分别为水下图像的各像素在红色通道、蓝色通道及绿色通道的像素值的平均值、某个区段内的像素值的平均值或像素值的中位数，wrb、wrg为经验值参数，分别表示根据该像素的绿色通道强度和蓝色通道强度的去补偿红色的强度。
10.根据权利要求1所述的水下图像色彩还原方法，其特征在于，还包括步骤S3：对增益补偿后的水下图像进行增加饱和度处理和/或暗通道去雾算法处理。
11.根据权利要求1至8任意一项所述的水下图像色彩还原方法，其特征在于，还包括步骤S4：对增益补偿后的水下图像通过三维颜色查找表进行调整。
12.一种水下图像色彩还原装置，其特征在于，包括：
全局强度获取模块，用于获取水下图像在RGB色彩格式下的各色彩通道的全局强度；
补偿模块，用于根据各色彩通道的全局强度的相对关系确定至少一个补偿通道，并结合水下图像的每个像素在补偿通道的像素值对该像素在对应的补偿通道进行增益补偿；
其中，各色彩通道的全局强度由各色彩通道的像素值确定。
13.如权利要求12所述的水下图像色彩还原装置，其特征在于，还包括：
RGB转换模块，用于将水下图像由其他颜色空间转换为RGB色彩格式。
14.如权利要求12所述的水下图像色彩还原装置，其特征在于，还包括：
饱和度处理模块和/或暗通道去雾模块，所述饱和度处理模块用于对增益补偿后的水下图像进行增加饱和度，所述暗通道去雾模块用于对增益补偿后的水下图像进行暗通道去雾算法处理。
15.如权利要求12所述的水下图像色彩还原装置，其特征在于，还包括：
加载模块，所述加载模块用于加载三维颜色查找表对增益补偿后的水下图像进行处理。
16.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，所述存储器存储有计算机程序；
处理器，所述处理器用于执行所述计算机程序以实现权利要求1至11中任一项所述的水下图像色彩还原方法。
17.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至11中任一项所述的水下图像色彩还原方法。
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