水下圖像增強(qiáng)和復(fù)原方法研究.pdf

1、數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展在很多領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的成果，但是針對(duì)水下圖像處理的研究卻鮮有成效，這是由于水下成像的環(huán)境比陸上復(fù)雜得多。雖然海洋光學(xué)的研究歷來已久，但因?yàn)楣庠谒橘|(zhì)中傳輸衰減這一物理限制而長(zhǎng)期受到冷落。近十幾年來關(guān)于水下視覺技術(shù)的研究驅(qū)動(dòng)主要來自迅速增長(zhǎng)的對(duì)海洋探測(cè)開發(fā)的手段需求。高分辨率的視覺模式本身具備傳統(tǒng)聲納所無法替代的優(yōu)勢(shì)，而計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的進(jìn)展也使得水下視覺在海洋探測(cè)方面得到越來越多的應(yīng)用。然而，改善水下成像質(zhì)量的圖

2、像處理方法和技術(shù)目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足和應(yīng)用需求。
　　 除了水介質(zhì)的吸收以外，懸浮粒子對(duì)光的散射效應(yīng)是限制水下觀測(cè)距離的關(guān)鍵因素。由于水下沒有環(huán)境光源，成像系統(tǒng)必須依賴主動(dòng)照明方式。目標(biāo)對(duì)照明光線的反射在向傳感器的傳輸過程中被散射而導(dǎo)致成像模糊稱為前向散射，根據(jù)海洋光學(xué)小角度散射理論，可以用點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)或光學(xué)傳遞函數(shù)(OTF)來描述前向散射效應(yīng)。而照明光線在到達(dá)目標(biāo)之前同樣會(huì)受到水體的散射而形成后向散射光被傳感器接收。后向

3、散射效應(yīng)在圖像中造成一種“霧化”背景，導(dǎo)致圖像對(duì)比度下降。前向散射和后向散射的同時(shí)作用導(dǎo)致水下圖像嚴(yán)重降質(zhì)，這是限制水下觀測(cè)距離的主要原因。雖然提高照明功率可以增加目標(biāo)反射光強(qiáng)度，但是后向散射光的強(qiáng)度也同時(shí)增加，并不能提高圖像對(duì)比度。因此，圖像處理技術(shù)是提高水下成像觀測(cè)距離的必要手段。
　　 本文從圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原兩個(gè)方面對(duì)改善水下圖像質(zhì)量的方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。論文的主要工作包括以下幾方面：
　　 (1)提出了一種基于

4、散射分層傳輸原理的PSF模型和后向散射統(tǒng)計(jì)描述方法。以往的水下圖像復(fù)原方法中，PSF的模型是根據(jù)水下小角度散射理論以及經(jīng)驗(yàn)公式得到，或者通過基于傳感器的圖像特征提取得到數(shù)值化描述。但是這些方法都沒有給出關(guān)于后向散射這一導(dǎo)致圖像降質(zhì)的重要因素的定量描述。在理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，本文從后向散射與前向散射的物理機(jī)制出發(fā)，建立了一種新的散射分層傳輸描述方法，通過將目標(biāo)與接收器之間的水體分層為各個(gè)獨(dú)立的散射單元，并將各單元的散射傳輸視為各個(gè)

5、線性子系統(tǒng)的輸出，推導(dǎo)出了一種簡(jiǎn)化的PSF模型，在此基礎(chǔ)上給出了后向散射噪聲的統(tǒng)計(jì)描述。這一模型的建立，為本項(xiàng)研究中水下圖像增強(qiáng)和復(fù)原的實(shí)現(xiàn)提供了原理框架。這是本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。
　　 (2)研究了抑制后向散射噪聲背景的圖像增強(qiáng)方法。傳統(tǒng)的圖像去噪方法一般把噪聲視為不相干的白噪聲。本文的理論分析和水池實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，后向散射信號(hào)是由直流分量和隨機(jī)起伏噪聲構(gòu)成的，排除直流分量的影響，隨機(jī)起伏噪聲呈現(xiàn)強(qiáng)烈的相干性，基本特性是后向散射噪

6、聲能量集中在低頻部分。其原因正如我們所提出的散射分層傳輸模型所描述的，后向散射是多層散射信號(hào)經(jīng)過不同長(zhǎng)度的水體所對(duì)應(yīng)的低通濾波后的疊加。因此，直接應(yīng)用現(xiàn)有的去噪方法不能解決水下圖像的后向散射噪聲抑制問題。在研究把現(xiàn)有的小波去噪方法應(yīng)用于水下圖像時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)雖然高頻噪聲分量得到抑制，但是與目標(biāo)信號(hào)能量重疊的占主要地位的噪聲低頻分量仍然無法消除。我們的研究結(jié)論是：水下圖像后向散射噪聲抑制的原則是高通濾波而非傳統(tǒng)去噪方法所依據(jù)的低通原則。根據(jù)

7、這一結(jié)論，本文提出了小波去噪結(jié)合高通濾波以及利用傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)濾波抑制后向散射的方法。
　　 (3)提出了一種基于估計(jì)的水下圖像復(fù)原方法。圖像復(fù)原理論為解決水下圖像降質(zhì)問題提供了原理性框架。有關(guān)水下圖像復(fù)原的研究一直集中在PSF的描述上，模型都是建立在海洋光學(xué)理論和小角度前向散射理論基礎(chǔ)上的半經(jīng)驗(yàn)公式。但現(xiàn)有模型的一個(gè)共同特點(diǎn)就是均依賴于水下光學(xué)參數(shù)的先驗(yàn)知識(shí)，這些先驗(yàn)知識(shí)是需要標(biāo)準(zhǔn)的海洋光學(xué)測(cè)量加上理論計(jì)算來完成的，因此更適用于

8、有代表性的特定海域。而對(duì)于在近海作業(yè)中的實(shí)時(shí)觀測(cè)方面的應(yīng)用，動(dòng)態(tài)環(huán)境的變化使得先驗(yàn)知識(shí)不可用，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量經(jīng)常是一個(gè)高代價(jià)的技術(shù)難題。為此，我們提出一種基于估計(jì)的圖像復(fù)原方法，可以在實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的條件下，僅通過對(duì)后向散射信號(hào)的分析對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行近似復(fù)原。這一方法的實(shí)現(xiàn)源于我們所提出的基于散射分層傳輸模型的后向散射描述，只要通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量后向散射背景，即可以獲得復(fù)原所需的系統(tǒng)參數(shù)而無需關(guān)于水下固有光學(xué)參數(shù)的先驗(yàn)知識(shí)。
　　 (4)本文提