改進版拉普拉斯銳化的水下圖像增強方法研究

沈建文

(云南昆船電子設(shè)備有限公司，云南 昆明650000）

目前，水下圖像處理技術(shù)已經(jīng)有著廣泛的應用[1]。例如：某研究所研究人員對深水或潛水下生物的研究、軍用或部分民用水下特殊搜救、 水下武器系統(tǒng)及水下探測應用等。 由于水本身帶有的特殊性質(zhì)、光學特性以及水中懸浮物的存在，都對水下圖像有一定的影響。 如：造成圖像的對比度差、圖像顏色的失真等問題[2]，這使得水下圖像后期處理中的圖像進行增強越來越受到重視[3]。

本文提出了一種改進版拉普拉斯銳化的水下圖像增強方法。 利用拉普拉斯銳化能夠銳化圖像、清晰圖像邊緣的特點，在拉普拉斯算子上利用直方圖均衡化灰度等級拉伸的思想，設(shè)置增強率，提高圖像對比度；最后，利用對比實驗進行驗證，實驗表明本文算法很好的綜合了成像質(zhì)量與運行時間實現(xiàn)了對圖像的增強。

1 基本原理

1.1 水下圖像問題分析

水下圖像處理問題的關(guān)鍵點在于：

1.1.1 由于海水中懸浮物使圖像的分辨率受到影響，導致圖像模糊，細節(jié)分辨較差，辨識度不高；

1.1.2 海水的吸收作用，會使圖像各通道的衰減程度各異而導致色彩失真，當光照條件不好，會產(chǎn)生圖像對比度下降，部分受影響的圖像細節(jié)將更差。 對于上述的一些難點， 需要采用圖像增強技術(shù)處理一些圖像的細節(jié)問題和對比度。

這些問題對圖像進行特殊處理均有非常大的影響， 如對采集的水下圖像進行分割處理、水下特殊目標識別等，這使得水下圖像后期處理中的圖像進行增強越來越受到重視。

1.2 拉普拉斯圖像銳化簡介

拉普拉斯圖像銳化方法，原理可以描述為：當鄰域中心像素灰度（ 以X 表示）低于它所在的領(lǐng)域內(nèi)其它像素的平均灰度（ 以Y 表示）時，降低中心像素灰度；當X 高于Y 時，提高中心像素灰度，此方法可實現(xiàn)水下圖像的銳化處理。

2 改進后的拉普拉斯銳化的水下圖像增強方法

借鑒直方圖均衡化灰度等級拉伸的思想， 以拉普拉斯變換為載體，提出改進版拉普拉斯銳化法，對水下圖像進行處理。

拉普拉斯銳化，計算如式(1)所示。

由公式（ 1）經(jīng)過離散化處理并通過一階差分公式得到：

公式取反和變形后可得到4 鄰域和8 鄰域的拉普拉斯卷積核，分別為：

對原圖像的邊緣進行了銳化處理。

處理卷積核：

采用8 鄰域為卷積核對圖像進行銳化處理，如式（ 3）所計算：

將上述的思想，改為如下形式：

在此增強率用 α表示，從上述公式可得出，通過調(diào)節(jié) α，能將所求的中心像素得到增強， 起到和直方圖均衡化相同的作用，使圖像的對比度得到提升。

算法中的增強率 α的取值取決于所處的環(huán)境，環(huán)境越亮，α的值越小，反之則越大，具體的場景決定之后， α會被賦予一個初值，以目標的檢測結(jié)果為導向，當目標無法檢測到時，通過循環(huán)迭代 α來不斷提高增強率。 再通過設(shè)定一個閾值來限制 α的迭代，此時仍然檢測不到，則目標檢測失敗。

3 對比實驗

如圖1，選取三種不同天氣，不同時間拍攝的三種場景來表示光線強度的三個不同等級， 圖1 中，b、c、d 順序為直方圖均衡、Retinex 增強和本文采用算法增強的效果圖。 通過分析，用一個正比于所有熵的定義的公式進行分析討論，具體見式4。

式中，

R——紅色通道表示。

由（ 4）式可得，對于彩色圖像，需要對它的各個通道分別求取圖像熵，采用加權(quán)來得到結(jié)果。

圖1 算法對比

式中，

δ( i , j)——灰度差：相鄰像素間；

表1 對比平均運行時間

對表1 分析可知，圖像越暗，算法需要處理的時間則越長。其中采用Retinex 最耗時，效果不錯，但是不能滿足實時刷新的要求；采用直方圖均衡最快；本文采用算法運行時間是直方圖均衡的10 倍左右，為Retinex 算法的1/100 左右，處理時間0.1s左右。 本文算法較直方圖均衡化、Retinex 綜合效果更好。

4 結(jié)論

本篇文章提出了一種改進版拉普拉斯銳化的水下圖像增強算法，使對不同環(huán)境的圖像在保證細節(jié)邊緣的同時，結(jié)合直方圖均衡化對圖像整體對比度增強明顯的特點，使得水下圖像得到合理的增強；同時 α隨外界光照條件進行自適應調(diào)節(jié)，提升了算法的使用范圍。通過將其與直方圖均衡化和Retinex 算法進行對比分析，發(fā)現(xiàn)綜合成像質(zhì)量與運行時間，本文算法水下圖像增強效果更好。