一種用于海洋探測的激光水下成像圖像去噪和增強方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理、模式識別領(lǐng)域，具體涉及一種用于海洋探測的激光水下成 像圖像去噪和增強方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟飛速發(fā)展和人口不斷增長，人們越來越關(guān)注蘊藏著豐富資源的海洋，對 海洋資源的開發(fā)和海洋規(guī)律的探索對國家的國民經(jīng)濟和軍事安全有著重要的意義。目前激 光水下成像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海洋資源的勘探、海洋生態(tài)的監(jiān)測和布雷、援潛救生等軍事 領(lǐng)域。但是，由于海水對激光的散射和吸收導(dǎo)致強烈的傳輸衰減，激光能量隨海水深度的增 加而迅速減小，而后向散射光和前向散射光在探測器上形成背景噪聲，影響目標(biāo)成像質(zhì)量， 嚴(yán)重限制了激光水下成像系統(tǒng)的性能和作用距離。
[0003] 距離選通激光水下成像系統(tǒng)是一種能夠有效減小海水后向散射的方法。它主要由 高功率短脈沖激光器、同步控制系統(tǒng)和選通成像接收器組成。激光器發(fā)射高功率的短脈沖 藍(lán)綠激光對目標(biāo)進行照射，由目標(biāo)發(fā)射的激光返回到接收器。在整個過程中只有當(dāng)目標(biāo)反 射的激光脈沖返回到接收器的一段時間內(nèi)，接收器的選通門才處于打開狀態(tài)，允許目標(biāo)反 射光進入接收器并最終成像，其它時間接收器的選通門一直處于關(guān)閉狀態(tài)，從而有效抑制 大部分水體后向散射光對系統(tǒng)成像的影響。但是由于海水對光的衰減效應(yīng)和前向、后向散 射的存在以及成像系統(tǒng)在選通門打開的瞬間，目標(biāo)反射信號和非目標(biāo)區(qū)域的一部分后向散 射光、背景光等同時進入接收器，導(dǎo)致激光距離選通成像圖像對比度低、亮度不均勻、噪聲 明顯。針對這一問題，可以從硬件方面入手（如升級硬件設(shè)備），但所需成本較高。因此需 要采用圖像處理技術(shù)進行激光水下成像圖像去噪和增強，進而改善圖像的視覺效果，提供 直觀、清晰、適合于分析和識別的圖像。
[0004] 目前，針對激光水下成像圖像對比度低、亮度不均勻、噪聲明顯的問題，已經(jīng)出現(xiàn) 了不少圖像增強方法，其中包括空域、頻域和小波域方法?；诳沼虻姆椒ㄈ缇植恐狈綀D方 法等沒有考慮圖像信息的頻率特性，因而不能突出高頻信息、衰減低頻信息，此外還會產(chǎn)生 塊效應(yīng)?；陬l域的方法主要是傅立葉變換和濾波技術(shù)，根據(jù)對圖像的要求對不同頻率段 的圖像分別進行處理。近年來，基于小波域的方法被廣泛研究并應(yīng)用于圖像增強，但是圖像 增強的同時也放大了噪聲，因此采用硬閾值函數(shù)和軟閾值函數(shù)保證在增強圖像的同時有效 地抑制噪聲的影響。其中，硬閾值函數(shù)雖然有較好的去噪效果，但是其閾值函數(shù)是不連續(xù) 的，在含有豐富邊緣的圖像中會產(chǎn)生噪聲，出現(xiàn)失真現(xiàn)象；軟閾值函數(shù)雖然克服了硬閾值帶 來的不利影響，但造成部分高頻信息丟失，導(dǎo)致圖像邊緣模糊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的提出一種用于海洋探測的激光水下成像圖像去噪和增強方法，目的在于 提高圖像對比度，有效抑制圖像噪聲并保持圖像清晰度，提供直觀、清晰、適合于分析和識 別的圖像。該方法能夠克服局部直方圖方法所引起的塊效應(yīng)，解決圖像增強所引起的噪聲 大和圖像模糊的問題，廣泛應(yīng)用于海洋探測。
[0006] 為實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明提出了結(jié)合空域、小波域和頻域的激光水下成像圖像去 噪和增強方法，能夠?qū)崿F(xiàn)圖像增強的同時抑制圖像噪聲和保持圖像清晰度。本發(fā)明首先在 空域運用奇異值分解（SVD)和重構(gòu)對圖像進行噪聲處理；其次，針對SVD處理后圖像仍有部 分噪聲存在的問題，在小波域?qū)D像進行小波分解和重構(gòu)，實現(xiàn)小波去噪和增強的目的；最 后，在頻域?qū)D像進行FFT增強，提高圖像的對比度并有效保持圖像清晰度。該方法的實現(xiàn) 步驟如下：
[0007] (1)對原始圖像進行SVD分解，選取前N個最大奇異值重建圖像，實現(xiàn)去噪目的。
[0008] (2)對步驟⑴中所得到的去噪圖像進行圖像小波分解，對高頻系數(shù)進行非線性 閾值函數(shù)處理，對低頻系數(shù)進行非線性增強，實現(xiàn)圖像增強的同時有效抑制噪聲。
[0009] (3)在頻域?qū)Σ襟E（2)中所得到的去噪和增強圖像進行FFT增強，設(shè)置頻域濾波上 下限，對低頻部分進行增強，對高頻部分進行抑制，有效提高圖像對比度的同時保持圖像的 清晰度。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0011] (1)能夠有效克服局部直方圖方法所引起的塊效應(yīng)；
[0012] (2)對小波處理圖像進行頻域FFT處理，增強圖像對比度并保持圖像清晰度；
[0013] (3)解決圖像增強所引起的噪聲大和圖像模糊的問題，實現(xiàn)圖像增強的同時有效 地抑制圖像噪聲并且保持圖像清晰度。
[0014] 本發(fā)明方法有效解決了激光水下成像圖像對比度低、噪聲明顯的問題。與局部直 方圖均衡化方法和小波方法進行圖像去噪和增強實驗對比，實驗結(jié)果證明本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn) 圖像增強的同時有效抑制圖像噪聲和保持圖像清晰度。
【附圖說明】
[0015] 圖1 :本發(fā)明方法的流程圖；
[0016] 圖2 :圖像頻域FFT增強流程圖；
[0017] 圖3-1至3-4 :針對4幅真實激光水下成像圖像，不同去噪和增強方法的效果對比 圖；其中每一組對比圖中（a)為原始圖像，（b)為局部直方圖方法去噪和增強圖像，⑷為 小波方法去噪和增強圖像，（c)為本發(fā)明方法去噪和增強圖像。
【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
[0019] 本發(fā)明方法的流程如圖1所示，該方法主要由以下三個步驟構(gòu)成：
[0020] 步驟1 :對原始圖像進行SVD分解，選取前N個最大奇異值重建圖像，實現(xiàn)去噪目 的。
[0021] 對于噪聲圖像模型，我們通常表示為式（1):
[0022] Y = X+N (1)
[0023] 式（1)中Y表示噪聲觀測圖像，X表示無噪圖像，N表示隨機噪聲。通過SVD分解 將圖像矩陣分解到一系列奇異值和奇異值矢量對應(yīng)的子空間中。其中矩陣的零奇異值它并 沒有攜帶矩陣重構(gòu)時所需要的信息，因此在重構(gòu)圖像矩陣時可以將其忽略。由于噪聲的能 量比較小，其對應(yīng)的奇異值也比較小，因此在重構(gòu)圖像矩陣時可以通過去除小奇異值濾掉 噪聲子空間，然后在有效的信號子空間上重構(gòu)圖像矩陣，實現(xiàn)增強圖像的目的。
[0024] 該步驟包括以下兩部分：
[0025] ①對原始激光水下成像圖像mXn維矩陣A進行奇異值分解：
[0026] A = U Σ Vh (2)
[0027] 式⑵中U和V分別是mXn維、nXn維正交矩陣，分別是矩陣A的左奇異矩陣和 右奇異矩陣，上標(biāo)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置；Σ是mXn對角矩陣，其對角線為矩陣A的奇異值 Oi，并且以降序順序排列，SP 〇1彡〇 2彡〇 3…彡〇m。
[0028] ②通過去除較小的奇異值濾掉噪聲子空間實現(xiàn)去噪目的。選取圖像矩陣A的前N 個最大奇異值，在有效的信號子空間上重構(gòu)圖像矩陣。
[0029]
【主權(quán)項】
1. 一種用于海洋探測的激光水下成像圖像去噪和增強方法，包括以下三個步驟： (1) 對原始圖像進行奇異值分解（SVD)，選取前N個最大奇異值重建圖像，實現(xiàn)圖像去 噪目的。 (2) 對步驟（1)中所得到的去噪圖像進行圖像小波分解，對高頻系數(shù)進行非線性閾值 函數(shù)處理，對低頻系數(shù)進行非線性增強，實現(xiàn)圖像增強的同時有效抑制噪聲。 (3) 在頻域?qū)Σ襟E（2)中所得到的去噪和增強圖像進行FFT增強，設(shè)置頻域濾波上下 限，對低頻部分進行增強，對高頻部分進行抑制，有效提高圖像對比度的同時保持圖像的清 晰度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于海洋探測的激光水下成像圖像去噪和增強方法，其特征 在于所述步驟（1)具體方法如下： 首先，對原始圖像mXn維矩陣A進行奇異值分解，將其分解到一系列奇異值和奇異值 矢量對應(yīng)的子空間中，如式（1)所示： A = U Σ Vh (2) 式（2)中U和V分別是mXn維、nXn維正交矩陣，分別是矩陣A的左奇異矩陣和右奇 異矩陣，上標(biāo)H表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置；Σ是mXη對角矩陣，其對角線為矩陣A的奇異值〇 i， 并且以降序順序排列，即O1S 〇 2彡〇 3…彡〇m; 然后，通過去除較小的奇異值濾掉噪聲子空間實現(xiàn)去噪，選取圖像矩陣A的前N個最大 奇異值，在有效的信號子空間上重構(gòu)圖像矩陣：
(3) 式（3)中N為奇異值個數(shù)，a i為矩陣A的第i個奇異值，u JP V i分別是U和V的第i 列奇異值矢量，i為重構(gòu)圖像矩陣。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于海洋探測的激光水下成像圖像去噪和增強方法，其特征 在于所述步驟（2)的具體方法為： 首先，對步驟（1)中得到的去噪圖像進行小波四層分解，得到圖像小波低頻系數(shù)DJP 高頻系數(shù)Wij,其中j為尺度系數(shù)，i取值1、2、3分別代表HL、LH、HH子帶圖像； 接著，對分解得到的高頻系數(shù)Wu運用非線性閾值函數(shù)進行去噪增強，其中非線性閾值 函數(shù)如式（3)所示：
式⑷中sign( ·)為符號函數(shù)，Tj為給定的閾值：
由式（5)可知Tj隨著j的增大而減小，式中N為圖像大小，?」為圖像噪聲方差，其計 算如公式（6)所示
(6) 式（6)中 為圖像表示小波分解后在j尺度上的對角線高頻系數(shù)； 然后，對分解得到的圖像小波低頻系數(shù)IVi行低頻增強，實現(xiàn)圖像動態(tài)范圍壓縮； 最后，根據(jù)修改后的小波系數(shù)進行重構(gòu)，得到小波去噪和增強后圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于海洋探測的激光水下成像圖像去噪和增強方法，其特征 在于所述步驟（3)的具體方法為： 首先，對步驟（2)中所得到的去噪和增強圖像進行FFT變換，并通過fftshift將變換 的原點轉(zhuǎn)移到頻率矩陣的中心； 接著，根據(jù)FFT變換的結(jié)果，尋找圖像最大頻率和最小頻率，并且設(shè)置頻率濾波上下限 fup和 f down; 然后，根據(jù)所得到頻率濾波上下限fu#PfdOTn，的變換結(jié)果，針對不同頻率段進行不同的 處理，即對低頻部分進行增強，對高頻部分進行抑制，進而改善圖像質(zhì)量； 最后，根據(jù)修改后的頻率結(jié)果進行傅里葉逆變換即可得到去噪和增強的圖像。
【專利摘要】本發(fā)明提出一種用于海洋探測的激光水下成像圖像去噪和增強方法，屬于圖像處理、模式識別領(lǐng)域，其核心在于首先在空域運用奇異值分解(SVD)和重構(gòu)對激光水下成像圖像進行噪聲處理；其次，針對SVD處理后圖像仍有部分噪聲存在的問題，在小波域?qū)D像進行小波分解和重構(gòu)，實現(xiàn)小波去噪和增強的目的；最后，在頻域?qū)D像進行FFT增強，提高圖像對比度并有效保持圖像清晰度。實驗表明本發(fā)明方法能有效克服局部直方圖均衡化所引起的塊效應(yīng)，實現(xiàn)圖像增強的同時有效抑制圖像噪聲并保持圖像清晰度。
【IPC分類】G06T5-00
【公開號】CN104657948
【申請?zhí)枴緾N201510066567
【發(fā)明人】龔衛(wèi)國, 陳雪梅, 陳魏然, 楊利平, 李偉紅
【申請人】重慶大學(xué)
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月9日