基于小波變換的水下低照度圖像增強(qiáng)算法

何笑 王剛 賀歡

摘要：針對(duì)水下圖像對(duì)比度低，模糊等問(wèn)題，提出了一種基于小波變換的水下圖像增強(qiáng)算法.首先對(duì)圖像進(jìn)行小波變換，再利用引導(dǎo)濾波的邊緣保持特性處理低頻部分，對(duì)產(chǎn)生的基礎(chǔ)部分用限制對(duì)比度直方圖均衡，細(xì)節(jié)部分用高斯-拉普拉斯掩模增強(qiáng);再將基礎(chǔ)部分與細(xì)節(jié)部分線性加權(quán)融合;三個(gè)高頻圖像分別進(jìn)行歸一化處理;再將處理后的圖像進(jìn)行小波逆變換，最后對(duì)重構(gòu)圖像進(jìn)行灰度拉伸可得到目標(biāo)圖像。仿真實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)論從主觀還是客觀上，本文方法效果較好。

關(guān)鍵詞：小波變換;引導(dǎo)濾波;直方圖均衡;圖像融合

中圖分類(lèi)號(hào)：TP394.41? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）23-0173-03

Abstract： Fuzzy for underwater image contrast is low， and other issues put forward a kind of underwater image enhancement algorithm based on wavelet transform. First of all to image wavelet transform， the edge of the recycling guide filtering keep features with the low-frequency part， based on the partial with limited histogram equalization， contrast details with gauss Laplace mask - enhancement; Then the basic part and the detail part are weighted linearly; Three high-frequency images were normalized respectively. Then the processed image is transformed by an inverse wavelet transform， and finally， the reconstructed image is stretched by grayscale to obtain the target image.

Key words： wavelet transform; guided filtering; histogram equalization; image fusion

海底獲取的圖像受到環(huán)境因素的影響，存在對(duì)比度低，模糊等問(wèn)題。這使得對(duì)圖像中信息讀取和使用存在很大的難度，因此，對(duì)圖像質(zhì)量提升的研究就顯得非常有意義。直方圖均衡，直方圖規(guī)定化，限制對(duì)比度直方圖均衡化，自適應(yīng)直方圖均衡化等方法[1，2]能夠通過(guò)調(diào)節(jié)圖像灰度值的范圍分布，在一定程度上增強(qiáng)圖像的對(duì)比度和亮度，但是在局部依然存過(guò)度提亮、細(xì)節(jié)信息丟失的現(xiàn)象;還有同態(tài)濾波Retinex 算法[3]、非線性濾波Retinex 等[4-7]，這些經(jīng)典的Retinex算法處理的圖像，質(zhì)量、對(duì)比度、亮度都有一定的提高，但是仍沒(méi)能很好地解決圖像中的高對(duì)比度區(qū)域的照度進(jìn)行估計(jì)時(shí)而出現(xiàn)較大誤差產(chǎn)生大量的光暈現(xiàn)象，導(dǎo)致圖像邊緣細(xì)節(jié)不清晰，影響圖像的最終質(zhì)量。對(duì)此，提出了一種基于小波變換的圖像增強(qiáng)算法，該算法有效的保留了圖像的邊緣細(xì)節(jié)信息，并提高了圖像的質(zhì)量。

1 圖像[Mallat]算法

從（1）（2）兩式看出，分解過(guò)程中用[h，g]這一對(duì)濾波器，重構(gòu)過(guò)程中用另一對(duì)濾波器[h，g][8]。二維[Mallat]算法采用了可分離的濾波器設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)上是對(duì)圖像數(shù)據(jù)的行和列分別進(jìn)行濾波運(yùn)算，可得到4個(gè)子頻帶段。

2 算法實(shí)現(xiàn)

2.1低頻部分處理

經(jīng)小波變換產(chǎn)生的低頻部分，包含了原始圖像的大部分信息，尤其影響著圖像的對(duì)比度。本文選取引導(dǎo)濾波[9]來(lái)處理。輸入低頻圖像[Imageinput]經(jīng)引導(dǎo)濾波處理得到低頻的基礎(chǔ)圖像[Imagestructure]，規(guī)定輸入圖像與引導(dǎo)圖像相同，認(rèn)為輸入圖像是一個(gè)二維函數(shù)，假設(shè)在一個(gè)二維窗口內(nèi)該函數(shù)的輸出與輸入滿(mǎn)足線性關(guān)系：

2.1.1分層處理基礎(chǔ)圖像和細(xì)節(jié)圖像

為了提高圖像的對(duì)比度，使得圖像中的目標(biāo)邊緣、紋理和其他信息的細(xì)節(jié)清晰可見(jiàn)，采用限制對(duì)比度直方圖均衡化和高斯-拉普拉斯掩模增強(qiáng)方法分別處理基礎(chǔ)圖像和細(xì)節(jié)圖像。限制對(duì)比度直方圖均衡化方法具有使全局直方圖均衡的密度梯度更加協(xié)調(diào)的特點(diǎn)，可以使局部直方圖均勻地適應(yīng)圖像不同部分的密度梯度差異，改善基礎(chǔ)部分的局部對(duì)比度，從而增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)：

式中[Imagestructure_C]表示限制對(duì)比度直方圖處理后的基礎(chǔ)圖像。細(xì)節(jié)圖像包含大量低對(duì)比度細(xì)節(jié)信息，整體亮度低，細(xì)節(jié)基本上存在于低亮度部分。而高斯-拉普拉斯掩模是高斯平滑濾波器和拉普拉斯銳化濾波器二者結(jié)合的方法，既能平滑噪聲又可以進(jìn)行邊緣檢測(cè)，因此用該方法處理細(xì)節(jié)圖像：

2.1.2 融合基礎(chǔ)圖像和細(xì)節(jié)圖像

最終將處理后的基礎(chǔ)圖像和細(xì)節(jié)圖像線性加權(quán)融合后得到圖[Image-CL].

2.2高頻部分處理

高頻部分包含了許多細(xì)節(jié)信息，其灰度值的分布非常不均勻，將兩幅圖像的對(duì)應(yīng)像素分別相除得到一幅新圖像的操作，可以將圖像的灰度直方圖進(jìn)行有效的拉伸，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度，使更多的細(xì)節(jié)信息凸顯出來(lái)，表達(dá)式如下：

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

本文方法的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為MATLAB 2016a，實(shí)驗(yàn)對(duì)象是大小為222*296的jpg格式的水下圖像，并進(jìn)行了兩組實(shí)驗(yàn)。

3.1實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）對(duì)輸入圖像進(jìn)行小波變換，得到低頻部分和高頻部分;

2）采用（3）～（7）式對(duì)低頻部分進(jìn)行處理;

3）采用（8）式對(duì)高頻部分進(jìn)行處理;

4）對(duì)處理后的低頻部分和高頻部分進(jìn)行小波逆變換;

5）為適應(yīng)人眼需要對(duì)重構(gòu)圖像進(jìn)行灰度拉伸，可得到目標(biāo)圖像。

3.2實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖中，圖（a）是原始圖像，圖（b） 是自適應(yīng)直方圖均衡化處理的圖像，圖（c）是本文方法所處理的圖像。

1）在第一組實(shí)驗(yàn)中，自適應(yīng)直方圖均衡算法處理的圖像與原始圖像相比整體亮度提高，也能看到很多細(xì)節(jié)信息，但是存在部分細(xì)節(jié)信息丟失，例如雕像的頭頂、右肩、左肩附近的圖案、潛水員的頭頂、潛水員身上的氧氣帶等很模糊，不利于人眼觀測(cè);本文方法處理后的圖像，細(xì)節(jié)信息很豐富，例如潛水員和雕像的邊緣輪廓、雕像上的紋理和圖案、潛水員身上的背帶很清晰，非常利于人眼觀測(cè);

2）在第二組實(shí)驗(yàn)中，自適應(yīng)直方圖均衡算法處理的圖像，潛水員身后的物體很模糊，左胳膊肘處的物體輪廓、雕像的額頭、雕像的上半身上的紋理不清晰;本文方法處理后的圖像，潛水員身后的物體、左胳膊肘處的物體輪廓、雕像的額頭、雕像的上半身上的紋理很清晰，非常利于人眼觀測(cè)。

為了避免主觀分析中所帶來(lái)的情感因素，并進(jìn)一步說(shuō)明所提算法的有效性，選取了圖像的信息熵進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。信息熵表示圖像信息量的多少，信息熵越大，表明圖像質(zhì)量越好。如表1、表2所示。

4 結(jié)論與展望

為了改善圖像的視覺(jué)效果，提出了一種基于小波變換的水下圖像增強(qiáng)算法，該算法在突出感知重要內(nèi)容的邊緣信息時(shí)，抑制了高頻噪聲，為黑暗細(xì)節(jié)提供銳利的邊緣，同時(shí)使圖像的光照度均勻化，便于人眼觀測(cè)。從表中可以看到，所提算法處理的圖像，其信息熵要高于原始圖像和限制對(duì)比度直方圖均衡化處理的圖像的信息熵，可見(jiàn)該方法是行之有效的。但是觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可以發(fā)現(xiàn)，圖中人物和雕像的輪廓邊緣有一定的光暈現(xiàn)象，因此所提算法還需進(jìn)一步改進(jìn)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】