基于雙目立體視覺的圖像增強(qiáng)

宋菲菲 ，趙宏宇

（1.內(nèi)蒙古電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070；2.北京工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100124）

0 引言

雙目立體視覺直接模擬人類雙眼處理景物的方式，可靠簡便，在許多領(lǐng)域均極具應(yīng)用價(jià)值，如人機(jī)交互、視頻監(jiān)控、智能控制、三維測量、機(jī)器人導(dǎo)航與航測以及虛擬現(xiàn)實(shí)等。雙目立體視覺是計(jì)算機(jī)視覺的一個(gè)重要分支，其原理是由不同位置的兩臺(tái)攝像機(jī)或者一臺(tái)攝像機(jī)（CCD）經(jīng)過移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場景，通過計(jì)算機(jī)空間點(diǎn)在兩幅圖像中的視差，獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。

目前，對于雙目立體視覺的研究主要集中在特征匹配[1-2]、攝像機(jī)標(biāo)定、三維重建[3]等方面，對于圖像增強(qiáng)領(lǐng)域卻鮮有研究。在實(shí)際應(yīng)用中，普遍采用單幅圖像的圖像增強(qiáng)算法，這類方法對圖像全局進(jìn)行統(tǒng)一處理，由于沒有考慮場景的景深情況，不能充分校正不同景深區(qū)域的對比度和顏色。

針對這個(gè)問題，本文提出了一種基于雙目立體視覺的圖像增強(qiáng)算法，主要針對低照度圖像進(jìn)行處理。該算法首先進(jìn)行立體匹配操作求解視差圖像，通過視差圖像反映場景的深度信息。根據(jù)Retinex原理[4]，將視差圖像作為反映場景深度的先驗(yàn)信息，構(gòu)建廣義雙邊濾波估計(jì)圖像的照度分量，從而獲得含物體本身特性的反射分量，即增強(qiáng)后的清晰圖像。本文算法假設(shè)場景深度變化主要在于邊緣區(qū)域，而非邊緣區(qū)域深度變化平緩。最后通過實(shí)驗(yàn)證明該算法能夠利用估計(jì)的視差信息，充分恢復(fù)不同景深的場景顏色與細(xì)節(jié)信息。

1 本文算法

1.1 雙目立體視覺系統(tǒng)

雙目立體視覺的基本原理是從兩個(gè)視點(diǎn)觀察同一景物，獲取兩幅同一場景的圖像，根據(jù)像素點(diǎn)的相似性計(jì)算求解圖像像素間的位置偏差（視差），從而根據(jù)三角形法原理確定三維空間點(diǎn)的深度信息，進(jìn)而重建景物，這一過程與人類視覺的立體感知過程相類似。

雙目視覺系統(tǒng)如圖1所示，焦點(diǎn)分別為O1和O2的兩臺(tái)攝像機(jī)具有相同的參數(shù)性能，同時(shí)光軸互相平行、X軸互相重合、Z軸與左攝像機(jī)的光軸重合，兩個(gè)攝像機(jī)焦距均為f，它們之間的距離為 B，I1和I2為左右攝像機(jī)的像平面，P1和P2分別是空間點(diǎn)在左右像平面上的成像點(diǎn)。由相似三角形關(guān)系可導(dǎo)出深度信息方程：

式中，d=pl-pr為兩幅圖的視差，焦距f通過攝像機(jī)標(biāo)定求得。

圖1 雙目視覺系統(tǒng)

在雙目立體視覺系統(tǒng)中，立體匹配與三維重建等方面的研究最多，而對于圖像增強(qiáng)方面的研究也具有重要的理論與實(shí)際意義，它直接影響到匹配操作的精度和速度，同時(shí)，通過削弱場景中諸多因素的干擾，如光照條件，能夠?yàn)樽罱K的三維重建打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

由公式（1）可知，通過對左右圖像進(jìn)行特征匹配，就可以得到其視差信息，結(jié)合已知信息B和f，即可獲得場景中目標(biāo)的深度。因此，本文假設(shè)圖像包含的視差信息能夠較好地反應(yīng)場景深度，將視差信息作為反映場景深度的先驗(yàn)信息施加到圖像增強(qiáng)處理過程中。

1.2 立體匹配

立體匹配是尋找同一空間景物在不同視點(diǎn)下投影圖像中像素間的一一對應(yīng)關(guān)系，一般包括匹配代價(jià)計(jì)算、代價(jià)值聚集、視差計(jì)算等步驟[5-6]。本文采用自適應(yīng)的方法，結(jié)合 SAD（Sum of Absolute Differences）和梯度特征的相似性測度因子[6]進(jìn)行匹配代價(jià)計(jì)算，即：

式中，x表示圖像像素，N（x）是在 x處的 3×3的包圍窗口，NH（x）是不包含最左一列的包圍窗口，NV（x）是不包含最下一行的包圍窗口。▽H表示水平梯度，▽V表示垂直梯度。此時(shí)，匹配代價(jià)函數(shù)可以表示為：

其中，ω是最優(yōu)權(quán)值，由最大化可靠對應(yīng)像素的數(shù)量來決定，可靠像素是通過勝者為王 （Winner-Takes-All，WTA）準(zhǔn)則來過濾的，公式（4）經(jīng)過閾值法[6]處理之后最終得到初始視差圖像為。在視差圖像計(jì)算方面，為了優(yōu)化其結(jié)果，需要對視差圖像進(jìn)行平滑操作，下面采用的是選擇性模式濾波器 （Selective Mode Filter）[7]，從而獲得理想的視差圖像結(jié)果D。本文將視差圖像D引入到圖像增強(qiáng)操作中來。

1.3 基于Retinex原理的圖像增強(qiáng)處理

基于Retinex理論提出來的圖像增強(qiáng)方法具有高動(dòng)態(tài)范圍壓縮、局部對比度增強(qiáng)、保持圖像顏色恒常性等優(yōu)點(diǎn)[4]。

Retinex理論認(rèn)為一幅圖像可分為兩部分，即一幅圖像I可由反射分量R和照度分量L的乘積表示，即：

其中，照度分量的性質(zhì)取決于光源，決定了圖像的動(dòng)態(tài)范圍；反射分量的性質(zhì)則取決于成像物體的特性，主要反映了圖像的細(xì)節(jié)信息。Retinex原理的思想實(shí)際上就是去除或減少照度分量的影響，獲得包含較多細(xì)節(jié)信息的反射分量。其計(jì)算過程在對數(shù)域上進(jìn)行：

上述反射分量的求解在數(shù)學(xué)上是一個(gè)奇異問題，因此需要把求解問題變成約束最優(yōu)化問題，通過對照度分量的準(zhǔn)確估計(jì)進(jìn)行反射分量的求解。由于照度分量具有局部平滑的性質(zhì)，因此對它的估計(jì)可以看作為平滑問題，本文采用廣義雙邊濾波求解照度分量。

雙邊濾波的理論是 Tomasi和 Manduchi[8]于 1998年提出的，該理論同時(shí)考慮了空間鄰近度與像素值相似度，是一種邊緣保持的非迭代平滑濾波方法。本文采用的廣義雙邊濾波則是結(jié)合了視差值相似度與像素值相似度進(jìn)行平滑操作，其形式定義為：

式中，Wb為歸一化系數(shù)：

式中，Gσd和 Gσr

為高斯函數(shù)，表示隨著視差值差異以及灰度差值的增大，圖像像素的權(quán)重逐漸減小。

公式（6）、（7）的計(jì)算需要將圖像由 RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到 HSV（Hue，Saturation，Value）顏色空間下，僅對亮度分量進(jìn)行處理，而獲得的飽和分量與色調(diào)分量保持不變，在獲得反射分量后，再將圖像由HSV顏色空間轉(zhuǎn)換到RGB顏色空間，即可獲得增強(qiáng)后的圖像。

2 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

為驗(yàn)證本文算法的有效性，在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行圖像處理實(shí)驗(yàn)，主要針對低照度圖像進(jìn)行處理。圖2（a）、（b）為存在視差的參考圖像；（c）為獲得的初始視差圖像；（d）為優(yōu)化后的視差圖像；（e）為圖（b）的照度分量；（f）為圖（b）的圖像增強(qiáng)結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)可知，本文算法能夠根據(jù)場景深度的差異，再現(xiàn)場景的真實(shí)顏色，以及增強(qiáng)低照度區(qū)域的細(xì)節(jié)信息。

圖2 圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

本文將雙目立體視覺原理應(yīng)用于低照度圖像的增強(qiáng)上，將視差圖像作為場景深度的先驗(yàn)信息，在估計(jì)圖像照度分量的時(shí)候，提供了約束條件，構(gòu)建了廣義雙邊濾波，更加充分地恢復(fù)了圖像細(xì)節(jié)信息。該算法具有較高的魯棒性，能夠較好地改善雙目視覺系統(tǒng)的工作能力，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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