基于变分方法的水下图像复原研究

发布时间：2021-01-05 03:57

　　由于水及其悬浮粒子对光的吸收和散射,水下观测到的图像呈现出模糊、对比度低、噪声严重等问题,加大了水下图像分析与理解的难度。因此,提升退化图像质量,恢复出清晰图像,对图像理解和识别具有重要意义。然而,现存的复原方法对退化过程中噪声的影响考虑不全面,导致复原效果不理想。针对水下图像的去雾、去噪等问题,本文对水下图像复原的研究如下:首先,针对水下图像的雾化和模糊等问题,提出了一种基于曲率项的水下图像复原变分方法,根据水下光学成像模型设计变分模型的数据项和规则项,对拟恢复图像采用曲率项作为变分能量方程的规则项。然后,采用水下暗通道先验估计得到全局背景光,结合背景光估计得到透射率图。为进一步提高计算效率,引入交替方向乘子法（ADMM）对所提出的模型进行交替优化迭代求解。实验结果表明,该算法能更有效的去除水雾,抑制水下图像的噪声,提高图像的对比度和清晰度。其次,针对大部分水下图像蓝、绿色偏严重,提出了一种基于拉普拉斯算子先验的水下图像复原变分算法。在水下图像复原变分模型的基础上,使用拉普拉斯算子作为能量方程的规则项,通过添加色彩约束项对原始图像进行拉伸,从而改善复原图像色彩偏移问题。考虑人工光照和... 

【文章来源】：青岛大学山东省

【文章页数】：56 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

水中光线吸收示意图

青岛大学硕士学位论文8式中，吸收系数wa为纯净海水对光的吸收程度系数，ya为黄色物质对光的吸收程度系数，pa为浮游植物的吸收程度系数，napa为颗粒的吸收程度系数，散射系数wb，spmb分别表示纯净海水的散射系数和悬浮颗粒散射系数。但水在不同波段的吸收系数相差巨大，并且极易受到散射的干扰，对自然水体吸收系数的直接估计十分困难，因此，Smith和Baker[69]首先对纯净自然水的吸收系数进行测量，以此对纯净海水吸收系数进行估计。然后将估计得到的纯净海水吸收系数与水中其他介质的吸收系数相加，得到总体的吸收系数。Morel运用起伏理论对水下散射进行分析，得到了纯海水的体积散射函数，而悬浮粒子的散射系数存在多种模型，比如：生物-光学模型、散射系数物理模型等[70]。2.2水下光成像模型2.2.1经典水下成像模型水下环境的成像是水中的光、介质和场景之间相互作用的过程，相机捕捉到信息可以表示为被悬浮粒子直接反射的光和向前、向后散射的光。直接反射光是相机获取到光的比例，由于光在水中传播过程中水中介质对其有吸收和散射效应，降低了光的能量，因此，只有一定比例的光能够到达相机。向后散射是在拍摄点以外物体发生的大角度的散射现象，是导致水下图像质量退化的主要因素。而向前散射是成像过程中光被很小角度反射的光，Schechner和Karpel[71]的研究表明向前散射在成像过程中体现的作用很小，在对水下成像过程进行描述时可以使用极小量进行代替。水下场景中光的吸收分量和散射分量到达相机的过程如图2.2所示。图2.2水下成像系统经典的Jaff-McGlamery模型[32]将光的总辐照度与相机获取到的三部分光信息关

青岛大学硕士学位论文9系表示为：TdfbEEEE2-(4)式中，TE为总辐照度，dE为相机获取的光的直接分量，fE、bE分别为光传播过程中的向前散射分量和向后散射分量。在光以几何球形的方式在水下传播的假设下，Jaffe理论对直接分量和散射分量的表示方法进行了描述，该模型建立的坐标系如图2.3所示：图2.3Jaffe理论坐标系假设光在水下环境中以几何球形的方式进行衰减，将反射光用入射光与反射函数的乘积来表示并用几何光学原理进行推导，直接分量可以表示为：24",",","expcos4ctdtctcMxyRFExyExycRTFR2-(5)2",",cosccRtSSSeExyBPR2-(6)式中，tE为成像场景中x",y"点的光强度值，cR为场景中点x",y"与相机之间的距离长度，Mx",y"为拍摄物体对光的反射系数，并且反射系数的值Mx",y"1，通常水下场景反射系数的取值为0.02Mx",y"0.1。F为水下场景中相机的光圈大小，Tl为拍摄选用相机镜头的透射系数，Fl为相机焦距，为水下场景中点x",y"做连线到相机与场景中该点反射面所形成的夹角。通常用,dExy与点扩散函数卷


本文编号：2957978