JPD编辑优选:基于偏振模型和直方图先验的水下图像增强

09 6月 2021 gabriels
本篇研究来自天津大学胡浩丰教授和刘铁根教授课题组,研究针对彩色水下图像三通道的光强直方图分布两侧被少量像素占据的先验特点,设计了一种“切尾”式直方图处理法,并结合偏振成像的去散射优势,提出了一种有效的水下偏振复原法。该方法打破了传统方法的局限性,对不同浑浊度和颜色的水下场景在提高图像对比度的同时减少颜色失真。


文章介绍

Underwater imaging enhancement based on a polarization filter and histogram attenuation prior

Haofeng Hu(胡浩丰), Pengfei Qi(齐鹏飞), Xiaobo Li(李校博), Zhenzhou Cheng(程振洲)and Tiegen Liu(刘铁根)

通讯作者

  • 李校博,天津大学
  • 刘铁根,天津大学
彩色清晰图像的直方图的三通道通常具有更广泛和均匀的强度直方图分布。由于水体中微粒的散射影响,水下彩色图像的三通道(RGB)直方图分布出现了偏移(蓝色通道集中在灰度值更高的部分,其次是绿色通道和红色通道),导致水体出现不同的颜色。更重要的是,在RGB通道的直方图两侧,大量的空间被较少且无用的像素占用。这意味着虽然直方图很宽,但是有用的像素信息却被限制在更小的空间内,这限制了大部分基于传统直方图操作方法的复原性能。

图1 方法流程图

通过不同浑浊度和颜色的水下场景的实验表明,本研究所提方法在提高图像对比度的同时可有效减少颜色失真,实现了水下清晰视觉。该方法简单有效,且与现有的其他彩色图像复原方法相比,有明显的优势。除了实验场景外,本研究所提方法也可以扩展到其他水下应用,如自主水下航行器和远程操作航行器等。

图2 (左图)不同方法复原效果对比;(右图)不同浑浊度和颜色的水下图像(物体:魔方)的复原结果。

研究背景 

由于水体中存在的散射微粒子会散射和吸收目标信号,导致图像对比度下降。光波的衰减具有波长依赖性,对于不同的海洋场景,其内的散射粒子由于水体成分,水深等差异,散射亦导致彩色成像系统在获取图像时产生颜色失真。然而,无论是对比度还是颜色,在很多水下应用中都具有重要意义,如海洋资源勘探、船体损伤检测等。因此,如何有效地提高水下图像的对比度,减少图像的颜色失真,对于海洋环境中的诸多领域具有重要意义。

在水下彩色成像方面,研究表明散射微粒对三通道的吸收、散射程度不同,表现为强度分布呈现特殊的衰减先验。传统直方图操作和偏振成像系统未考虑这种先验特性,在图像对比度增强方面效果有限,且难以实现有效的颜色复原。


作者介绍

胡浩丰 教授

天津大学

胡浩丰,天津大学教授,主要从事偏振成像技术、偏振测量技术、海洋光学探测技术等领域的研究工作。在Opt. Letter, Opt. Express,J. Phys. D: Appl. Phys等国际权威期刊发表论文50余篇,入选中国科协青年人才托举工程、天津市首批青年人才托举工程、天津市创新人才推进计划青年科技优秀人才,获中国仪器仪表学会金国藩青年学子奖学金。

李校博 博士

天津大学

李校博,天津大学博士,主要从事偏振光学成像、测量,信号处理等领域的研究。在Opt. Letter, Opt. Express,J. Phys. D: Appl. Phys等国际权威期刊发表论文20余篇。

刘铁根 教授

天津大学

刘铁根,天津大学精仪学院教授,光电信息技术教育部重点实验室主任,973计划项目首席科学家。主要从事光纤传感技术、光电检测技术、嵌入式图像检测技术等领域的研究工作。在Photonics Research, Opt. Letter, Opt. Express,J. Phys. D: Appl. Phys 等国际权威期刊发表论文百余篇,以第一完成人获国家技术发明二等奖一项,省部级科技一等奖四项等。


期刊介绍

Journal of Physics D: Applied Physics

2019年影响因子:3.169

Journal of Physics D: Applied PhysicsJPhysD,《物理学报D:应用物理》)发表应用物理各领域的前沿研究和综述,具体包括:应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。