一种水下退化图像的增强方法

摘要：针对水下退化图像的特点，提出了一种以邻域像素的增量特征为指导的插值增强方法，根据不同的增量特征判断待插值点的插值类型，再对不同插值类型分别设计插值算法，最后对插值图像进行修正增强。实验结果表明了方法的有效性。

关键词：插值增强 增量特征 修正增强

中图分类号：TH 122 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）03-0221-01

水下图像普遍存在对比度低、亮度偏暗、灰度集中、边缘模糊等退化现象。本文针对这种退化图像的特点，提出了一种以邻域像素的增量特征为指导的增强方法，该方法可以避免传统的插值方法造成的目标模糊现象，得到较好的增强效果。

1 插值原理

1.1 确定插值位置

设原始图像为f（i， j），插值后图像为F（I， J），SH、SV分别为水平、垂直方向放大系数。则有：i’=I/SH， j’=J/SV。如图1所示，设原始图像中A、B、C的坐标分别是（x， y）、（x+1， y）、（x， y+1），其中x=floor（i’），y=floor（j’），dx=i’-x，dy=j’-y，floor（*）表取整，则0

（a） 原始图像 （b） 可能插值位置 （c）待插值点位置关系

图1 插值原理示意图

1.2 判断增量特征

以相邻像素的增量特征判断插值点位置，引入参数a（a≥0），当相邻像素A、B灰度f（A）、f（B）的绝对差小于a时，将这两个像素的位置记入同一区域，否者，两像素为不同的区域。即：

（1）

1.3 算法设计

将插值公式分成以下几种情况来设计，如图2所示。

case1：dx=dy=0，则插值点为A，此时 （2）

case2：dx=0、dy≠0，则插值点为Q，若|f（A）-f（C）|

（3）

若|f（A）-f（C）|≥a，则插值点在A、C过渡区域，用一维非线性插值：

（4）

case3：dx≠0、dy=0，则插值点为P，若|f（A）-f（B）|

case 4：dx≠0、dy≠0，则待插值点为R，若

（5）

则采用二维线性插值：

（6）

若式（5）中至少有一式不满足，则A、B、C不属于同一区域，采用二维非线性插值：

（7）

式中λ（A）=（2-dx-dy）、λ（B）=（1+dx-dy）、λ（C）=（1-dx+dy）。

2 修正增强

插值后图像灰度仍集中在相对较小的范围内，为进一步改善增强效果，对插值后的图像M进行一级小波变换，分离出低频成分ML，并对M进行修正：

（8）

式中，k≥0。上式结果实际上为保持M中低频成分不变的基础上，将高频成分放大到（k+1）倍，突出图像细节。

3 实验

图3（a）、（e）所示为水下混凝土结构裂缝图像及对应的灰度直方图，可知目标图像灰度值分布范围小，整体较暗，光照不均且对比度差。利用直方图均衡法、同态滤波法及本文方法进行增强处理。图3（b）、（c）、（d）、（f）、（g）、（h）为不同方法结果图。可知直方图均衡化法在一定程度上提高了对比度，但中间太亮、周围太暗，没有提高整体对比度；同态滤波法对于这种退化图像的处理效果不明显；而经本文方法处理后，光照比较均匀，且提高了灰度值的对比度。

4 结语

提出了一种水下退化图像的增强方法，可以最大限度地保留图像的主要特征，使目标更清晰；且大量实验表明，本文方法进行水下退化图像的增强处理时，a的取值范围在4.7-5.4、k的取值范围在2.5-3.8时一般都能获得很好的增强效果。