基於Retinex理論的非線性圖像增強方法及其系統的製作方法

2023-06-14 05:30:16 1

基於Retinex理論的非線性圖像增強方法及其系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及圖像增強領域，公開了一種基於Retinex理論的非線性圖像增強方法及其系統。本發明中，採用基於梯度域變換的保邊濾波方式替代傳統的高斯濾波方式獲取光照分量，一方面有效地克服高對比度邊緣附近的「光暈偽影」現象，另一方面使得彩色圖像的邊緣保護濾波可以實時運行。此外，針對光照分量通過構造一種非線性壓縮函數，在抑制高光區域的同時有效的提升暗光區域，避免圖像出現「過曝」現象，將圖像亮度映射到理想動態範圍之內；而對圖像細節的增強，採用自適應局部非線性增強的方式，實現反射分量的局部細節增強，有利於更好地改進圖像的質量，增強後的圖像更接近於真實的自然場景，細節更清楚。
【專利說明】基於Retinex理論的非線性圖像增強方法及其系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及圖像增強領域，特別涉及基於Retinex理論的非線性圖像增強領域。

【背景技術】
[0002] Retinex是一個合成詞，由retina (視網膜）+cortex (大腦皮層）組成。
[0003] Retinex理論是Edwin H. Land根據大量的實驗基礎，建立在人類視覺對亮度和顏 色感知模型基礎上的一個計算理論。他認為色彩恆常性是由視網膜與大腦皮層共同作用的 結果。其中人眼對物體色彩的感覺取決於物體表面對長波、中波和短波三個波長光線的反 射特性。而長波、中波、短波波長的光線分別對應於數字圖像的R、G、B三個色彩通道。將 R、G、B三個通道的待增強圖像看作是由反射光分量和入射光分量兩部分組成，通過像素之 間的像素值比較得到入射光分量估計，稱為光照估計，然後從原始圖像中去除光照分量得 到反射光分量，還原物體的本來面貌，由此實現對原始圖像的增強。
[0004] 基於Retinex理論的圖像增強算法將圖像理解為由光照圖像和反射圖像組成，同 時假定光照分量圖像為原圖像中的低頻分量，反射分量圖像為原圖像的高頻分量。其中一 類方法通過從原始圖像中去除光照分量得到反射分量，還原物體的本來面貌，由此實現對 原始圖像的增強。另一類將原始圖像中獲取的光照分量做線性或非線性矯正然後結合反射 分量得到最終的輸出圖像。由於矯正的光照分量圖消除了不均勻光照帶來的影響，突顯了 圖像中"暗部"區域的細節，從而也實現了圖像的增強。目前Retinex理論已經廣泛用於圖 像的銳化、增強和高動態範圍圖像的壓縮等。
[0005] 適用於汽車輔助駕駛系統的彩色夜視圖像亮度增強方法（CN201110196586. X)公開了一種將夜視彩色圖像從RGB轉換到YUV空間然後利用S曲線修正Retinex算 法獲取的光照分量圖像，最後返回到RGB空間。一種改進的多尺度Retinex理論的圖 像增強（CN201210148581.4)公開了一種採用多尺度Retinex算法，利用自適應S曲線 對增強後的圖像進行非線性映射。一種基於Retinex理論的快速彩色圖像增強算法 (CN200810116385. 2)公開了一種構造新色彩空間和均值模塊來加速多尺度Retinex的運 算速度。本發明的的發明人發現，以上這些方法在估計光照分量圖像時均採用高斯濾波方 式。高斯濾波估計光照分量主要根據周圍像素的位置遠近賦予不同的權重來估算當前像素 的光照值，沒有充分考慮到像素亮度本身的意義。這直接導致了在估算圖像高對比度邊緣 區域照度的時候，邊緣兩邊的高低值像素會相互影響：高值像素的亮度受相鄰低值像素的 影響導致所估計的亮度較低；低值像素的亮度受相鄰高值像素的影響導致所估計的亮度較 高。這會造成這一區域亮度估計失真，出現"光暈偽影"現象。
[0006] 一種基於Retinex的非線性彩色圖像增強方法（CN201010578402. 1)公開了一 種將圖像從RGB轉換到YCbCr空間，然後採用Retinex理論進行局部自適應增強，再利用 Gamma矯正做全局亮度調整，最後恢復到RGB空間。本發明的的發明人發現，該方法利用 mean shift濾波方式獲取光照圖需要多次迭代，運算速度慢，而且對亮度分量做全局Gamma 矯正在拉伸圖像暗光區域的同時也進一步拉大了圖像的高光區域，使得圖像出現"過曝"現 象。


【發明內容】

[0007] 本發明的目的在於提供一種基於Retinex理論的非線性圖像增強方法及其系統， 能夠有效地解決"光暈偽影"現象，並且在抑制高光區域的同時有效的提升暗光區域，避免 圖像出現"過曝"現象，將圖像亮度映射到理想的動態範圍之內。
[0008] 為解決上述技術問題，本發明的實施方式公開了一種基於Retinex理論的非線性 圖像增強方法，包括以下步驟：
[0009] 通過保邊濾波獲取圖像的光照分量，保邊濾波的公式為：

【權利要求】
1. 一種基於Retinex理論的非線性圖像增強方法，其特徵在於，包括以下步驟： 通過保邊濾波獲取圖像的光照分量，所述保邊濾波的公式為： L{p) = lanr)i'ip~ (})^i = /(iy)ii{i{p)ju]))d(j, 式中，L(p)是輸入圖像I的濾波結果，也就是輸入圖像I的光照分量，Q是以p為 中心的一個鄰域，q是Q中的點，= 是高維空間R5內的點，p，q=(x，y)分 別為#J在輸入圖像I上對應的坐標，I(P) = (r，g，b)為#在圖像I上對應的值，F和H分 別為R5、R1空間內的邊緣保護濾波核，t為高維空間R5到低維空間R 1的等效變換，1〈5，
,〇s，％分別是變換域內保邊濾波器的空域和值域的 方差，I'k(x)為輸入圖像I相應通道Ik(x)的梯度值，c為通道數； 對圖像的光照分量進行動態範圍調整； 根據調整後的光照分量生成增強圖像。
2. 根據權利要求1所述的基於Retinex理論的非線性圖像增強方法，其特徵在於，在所 述對圖像的光照分量進行動態範圍調整的步驟中，是利用非線性壓縮函數對圖像的光照分 量進行動態範圍調整的，所述非線性壓縮函數為：
式中的z是非線性增強參數，它依賴於圖像的直方圖，L為圖像的光照分量，L' (x，y) 為調整後的光照分量，
其中a是累積分布函數等於0. 1時對應的灰度級值。
3. 根據權利要求2所述的基於Retinex理論的非線性圖像增強方法，其特徵在於，在所 述根據調整後的光照分量生成增強圖像的步驟之前，還包括以下步驟： 對圖像的反射分量進行調整，調整公式為： R，（X，y)=R(X，y)E(x'y)
R(x，y)為圖像的反射分量，R' (x，y)為調整後的反射分量，I'（x，y)為I(x，y)的高斯 濾波結果，P為圖像控制參數，由高斯濾波的標準差。決定： 、
Q
4. 根據權利要求1所述的基於Retinex理論的非線性圖像增強方法，其特徵在於，所述 通過保邊濾波獲取圖像的光照分量的步驟之前，還包括以下步驟： 將彩色圖像的RGB顏色空間轉換到YCbCr或HSV空間，利用YCbCr中的Y分量或HSV 中的V分量進行處理。
5. 根據權利要求4所述的基於Retinex理論的非線性圖像增強方法，其特徵在於，在所 述對圖像的反射分量進行調整的步驟之後，還包括以下步驟： 將增強後的單通道圖像作為新的V分量，結合原彩色圖像給定的H和S分量再重新轉 換回RGB空間，或者利用下式分別對R、G和B三個通道進行處理，其中R、G、B為原彩色圖 像的三個通道分量，I為原彩色圖像的單通道圖像，I'為增強後的灰度增強圖像：
6. -種基於Retinex理論的非線性圖像增強系統，其特徵在於，包括： 保邊濾波單元，用於獲取圖像的光照分量，該保邊濾波單元的保邊濾波公式為： L(p) = |〇I(p)F(p,q)dq = Jn /(/?)H{i{p)J{q))dq 式中，L(p)是輸入圖像I的濾波結果，也就是輸入圖像I的光照分量，Q是以p為 中心的一個鄰域，q是Q中的點，= 幻是高維空間R5內的點，P，q=(x，y) 分別為AI在輸入圖像I上對應的坐標，I(P) = (r，g，b)為#在圖像I上對應的值，F和 H分別為R5、R1空間內的邊緣保護濾波核，t為高維空間R5到低維空間R 1的等效變換，
〇s，分別是變換域內保邊濾波器的空域和值 域的方差，I'k(x)為輸入圖像I相應通道Ik(x)的梯度值，c為通道數； 光照矯正單元，用於對圖像的光照分量進行動態範圍調整； 增強圖像生成單元，用於根據光照矯正單元輸出的調整後的光照分量生成增強圖像。
7. 根據權利要求6所述的基於Retinex理論的非線性圖像增強系統，其特徵在於，所述 光照矯正單元是利用非線性壓縮函數對所述保邊濾波單元獲取的圖像的光照分量進行動 態範圍調整的，所述非線性壓縮函數為：
式中的z是非線性增強參數，它依賴於圖像的直方圖，L為圖像的光照分量，L' (x，y) 為調整後的光照分量，
其中a是累積分布函數等於0. 1時對應的灰度級值。
8. 根據權利要求7所述的基於Retinex理論的非線性圖像增強系統，其特徵在於，還包 括： 反射矯正單元，用於對圖像的反射分量進行調整； 所述反射矯正單元對圖像的反射分量進行調整時，調整公式為： R，（X，y)=R(X，y)E(x'y)
其中R(x，y)為圖像的反射分量，R' (x，y)為調整後的反射分量，I'（x，y)為I(x，y) 的高斯濾波結果，P為圖像控制參數，由高斯濾波的標準差。決定，
9. 根據權利要求8所述的基於Retinex理論的非線性圖像增強系統，其特徵在於，還包 括： 第一色彩轉換單元，用於在所述保邊濾波單元獲取圖像的光照分量之前，將彩色圖像 的RGB顏色空間轉換到YCbCr或HSV空間，利用YCbCr中的Y分量或HSV中的V分量進行 處理。
10. 根據權利要求9所述的基於Retinex理論的非線性圖像增強系統，其特徵在於，還 包括： 第二色彩轉換單元，用於將所述反射矯正單元增強後的單通道圖像作為新的V分量， 結合原彩色圖像給定的H和S分量再重新轉換回RGB空間，或者利用下式分別對R、G和B 三個通道進行處理，其中R、G、B為原彩色圖像的三個通道分量，I為原彩色圖像的單通道圖 像，I'為增強後的灰度增強圖像：
【文檔編號】G06T5/00GK104346776SQ201310335530
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年8月2日 優先權日:2013年8月2日
【發明者】童超, 車軍, 蔡巍偉, 浦世亮 申請人:杭州海康威視數位技術股份有限公司