一种基于频域处理结合全局估计的水下偏振成像方法

本发明涉及图像增强，具体为一种基于频域处理结合全局估计的水下偏振成像方法。

背景技术：

1、受水体本身及其中悬浮微粒、可溶性有机物等混浊介质影响，包含目标信息的光线被其吸收和强散射，导致水下获取的图像产生噪声增多及对比度大幅下降等问题。而在散射作用下，后向散射光的干扰是引起图像质量下降的主要原因。为此，克服后向散射光对水下光学成像的影响是一项值得研究的工作。由于后向散射光是部分偏振光，水下偏振成像方法作为一种有效抑制后向散射光的水下光学成像技术被提出。

2、以往的偏振成像去散射方法通常需要背景区域的先验信息，很少考虑光场的非均匀性对图像恢复的影响，这不仅降低了成像的处理速度，而且在图像恢复中引入了误差，特别是对于复杂散射环境中的运动目标。因此我们提出了一种基于频域处理结合全局估计的水下偏振成像方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于频域处理结合全局估计的水下偏振成像方法，解决了上述背景技术中所提出的问题。

3、(二)技术方案

4、本发明为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

5、一种基于频域处理结合全局估计的水下偏振成像方法，包括一下步骤：

6、步骤一、获取多张偏振方向不同的水下图像，并由此建立水下偏振成像模型，进一步得到目标反射光偏振度与后向散射光偏振度；

7、步骤二、首先对正交偏振图像进行直方图拉伸和高通滤波预处理，以减少低频散射光的影响，并通过偏振度关联更加准确地获取正交偏振图像对；

8、步骤三、通过频域低通滤波器对强度图像处理，结合最优阈值因子，精确估计背向散射光的偏振度，同时使用增强度量来评估去散射的效果，来优化估计目标光的偏振度，最后，结合物理模型进行图像复原。

9、进一步地，所述步骤一中目标反射光偏振度与后向散射光偏振度的取值范围在0到1之间。

10、进一步地，所述步骤二中，正交偏振图像进行直方图拉伸和高通滤波预处理的图像获取方法为：对最小光强图i⊥(x,y)进行直方图拉伸，并对其直方图拉伸后的i'⊥(x,y)进行频域预处理操作，即：

11、

12、其中i||(x,y)和i⊥(x,y)表示正交偏振图像对；

13、将拉伸后的i'⊥(x,y)经由傅里叶变换至频域，并进行高斯高通滤波，从而过滤掉后向散射光，得到目标信号光相对集中的高频部分；经由频域高斯高通滤波后得到修正后的最小光强图为：

14、

15、其中，和分别代表傅里叶变换和傅里叶反变换，hhp是高斯高通滤波器的传递函数。

16、进一步地，所述步骤二中，利用偏振度关联更加准确地获取正交偏振图像对的获取方法为：根据进行偏振度保持及关联计算得到预处理后的最大光强图，即：

17、

18、其确保了偏振度在拉伸和滤波前后保持一致。

19、进一步地，所述步骤三中，通过频域低通滤波器对强度图像处理，结合最优阈值因子，精确估计背向散射光的偏振度的获取方法为：首先通过傅里叶函数将强度图像变换到频域，然后与滤波器的传递函数相乘，乘法的结果再通过傅里叶反变换返回到空间域图像；

20、

21、为了提高图像对比度，在低对比度区域，引入阈值因子γ来优化估计滤波器的精度，背散射光的整体强度b与原始图像强度之差定义为δi，通过设置阈值因子γ来提高频域低通滤波器的精度：

22、δi(x,y)＝|b(x,y)-i(x,y)|

23、

24、其中为优化后的背散射光强估计；

25、后向散射光的dop(偏振度)估计可以表示为：

26、

27、其中为后向散射光的dop估计，为目标光的偏振度估计。

28、进一步地，所述步骤三中，使用增强度量来评估去散射的效果，来优化估计目标光的偏振度，最后，结合物理模型进行图像复原的获取方法为：对于ptarget的优化估计，我们使用增强度量(eme)来评估去散射的效果；同时搜索[0,1]内步长为0.01的ptarget的最优值和[0,0.3]内步长为0.01的σ的值为：

29、

30、其中，optional表示最优化，将图像以序数(k1,k2)划分为m×n个区域，和分别为每个区域的图像灰度最大值和最小值；这里我们将图像分成80×80个区域来计算eme值，因此k1和k2的值为1～80；

31、可得最终目标信号光表达式为：

32、

33、得到清晰的恢复结果。

34、(三)有益效果

35、与现有技术相比，本发明提供了一种基于频域处理结合全局估计的水下偏振成像方法，具备以下有益效果：

36、本发明，首先对正交偏振图像进行直方图拉伸和高通滤波预处理，以减少低频散射光的影响，并通过偏振度关联更加准确地获取正交偏振图像对。随后，通过频域低通滤波器对强度图像处理，结合最优阈值因子，精确估计背向散射光的偏振度，同时使用增强度量(eme)来评估去散射的效果，来优化估计目标光的偏振度。最后，结合物理模型进行图像复原。不需要人机交互，有效地解决了传统方法难以恢复运动目标的弊端。对浑浊水中的静态和运动目标进行了实验研究，取得了令人满意的图像恢复质量。

1.一种基于频域处理结合全局估计的水下偏振成像方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于频域处理结合全局估计的水下偏振成像方法，其特征在于：所述步骤一中目标反射光偏振度与后向散射光偏振度的取值范围在0到1之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于频域处理结合全局估计的水下偏振成像方法，其特征在于：所述步骤二中，正交偏振图像进行直方图拉伸和高通滤波预处理的图像获取方法为：对最小光强图进行直方图拉伸，并对其直方图拉伸后的进行频域预处理操作，即：

4.根据权利要求1所述的一种基于频域处理结合全局估计的水下偏振成像方法，其特征在于：所述步骤二中，利用偏振度关联更加准确地获取正交偏振图像对的获取方法为：根据进行偏振度保持及关联计算得到预处理后的最大光强图即：

5.根据权利要求1所述的一种基于频域处理结合全局估计的水下偏振成像方法，其特征在于：所述步骤三中，通过频域低通滤波器对强度图像处理，结合最优阈值因子，精确估计背向散射光的偏振度的获取方法为：首先通过傅里叶函数将强度图像变换到频域，然后与滤波器的传递函数相乘，乘法的结果再通过傅里叶反变换返回到空间域图像；

6.根据权利要求1所述的一种基于频域处理结合全局估计的水下偏振成像方法，其特征在于：所述步骤三中，使用增强度量来评估去散射的效果，来优化估计目标光的偏振度，最后，结合物理模型进行图像复原的获取方法为：对于ptarget的优化估计，我们使用增强度量(eme)来评估去散射的效果；同时搜索[0,1]内步长为0.01的ptarget的最优值和[0,0.3]内步长为0.01的σ的值为：