水下视频观测图像清晰化方法研究

论文摘要

深海探测与作业技术是海洋技术研究的重要领域之一。目前常用的水下观测方法主要有两种：一是基于声纳图像的远距离观测；二是基于视频成像的近距离观测。前者因为分辨率较低,主要适合于大范围内水下目标的搜索。后者的优点是图像分辨率高、且具有丰富的纹理细节和颜色信息,有利于对水下目标的识别和理解,因此视频成像技术是水下近距离观测与作业的关键技术。但是,水下视频图像存在两个问题：一是由于水下光线存在衰减和散射效应,使得水下图像对比度下降且纹理细节呈模糊状态；二是由于采用人工光源以及观测平台的运动特征,使得视频图像出现光照不均问题,如出现亮斑和暗区。这些问题不但影响了水下视频观测的清晰度,还为后续的图像自动处理与识别带来了困难。为此,本文对水下视频观测图像的清晰化方法进行了研究,完成的主要工作如下：（1）基于成像模型的水下视频图像复原算法研究。根据水下成像物理模型,提出了一种基于小波变换的水下降质图像清晰化复原算法。该算法首先将RGB图像转换为YUV图像,然后根据图像的对比度,对亮度Y图像利用小波变换自适应估计介质散射光的大小,从而实现了水下降质图像对比度的增强；并在小波变换的低频子带上进行非线性亮度调节,消除水下图像的光照不均问题；最后将亮度Y图像的处理结果与颜色分量U、V合成得到清晰化的水下彩色图像。实验结果表明：提出的算法可以自适应实现水下观测图像的清晰化复原处理。（2）基于光照反射模型和图像邻域特征的水下视频图像增强算法研究。针对水下图像亮度不均和对比度低的问题,根据光照反射模型和图像的邻域特征,对水下图像的增强算法进行了研究。首先,对于亮度图像Y,利用小波变换的低频子带信息估计原始图像的照射分量,并对原始光照不均匀的亮度图像进行了光照补偿处理；然后利用像素的邻域相关性实现了图像对比度的增强处理。实验结果表明：提出的算法在提高图像对比度的同时,能有效消除水下图像的亮度不均问题。（3）基于DSP的水下视频图像清晰化算法移植与优化。为满足水下DSP嵌入式处理系统的实际需求,根据TMS320DM642视频口的特点,设计了视频口驱动程序；将基于VC++6.0平台开发的水下视频图像清晰化算法移植到DSP嵌入式平台,并综合运用了各种DSP优化技术,如编译选项、内联函数、循环展开等,对开发的图像清晰化算法进行了优化处理。最后,基于DSP/BIOS操作系统,对算法的实时性进行了测试,并提出了算法进一步改进的措施。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景与意义
• 1.2 视频图像清晰化处理的研究现状
• 1.2.1 不基于光照物理模型的图像增强方法研究现状
• 1.2.2 基于光照物理模型的图像复原方法研究现状
• 1.3 图像亮度问题处理方法概述
• 1.3.1 非线性变换
• 1.3.2 同态滤波
• 1.3.3 Retinex理论与其相关算法
• 1.4 本文主要研究工作
• 1.4.1 基于成像模型的水下视频图像复原算法
• 1.4.2 基于光照反射模型和图像邻域特征的水下视频图像增强算法
• 1.4.3 基于DSP的水下视频图像清晰化算法移植与优化
• 1.5 本文的组织结构
• 2 基于成像模型的水下视频图像复原算法研究
• 2.1 引言
• 2.2 水下光学成像基础简介
• 2.2.1 水下成像方法概述
• 2.2.2 水下光学成像的规律和特点
• 2.3 基于成像模型的水下视频图像复原算法概述
• 2.4 基于成像模型的水下视频图像复原算法的实现
• 2.4.1 均匀光照条件下的水下光照物理模型
• 2.4.2 彩色空间转换
• 2.4.3 介质散射光估计方法
• 2.4.4 景深信息的估计
• 2.5 实验结果与分析
• 2.6 本章小结
• 3 基于光照反射模型和图像邻域特征的水下视频图像增强算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 深水视频图像成像特点分析
• 3.3 基于光照反射模型和图像邻域特征的水下视频图像增强算法
• 3.3.1 增强算法流程概述
• 3.3.2 基于光照反射模型的光照补偿算法
• 3.3.3 基于邻域特征的对比度增强算法
• 3.4 本章小结
• 4 基于DSP的水下视频图像清晰化算法移植与优化
• 4.1 引言
• 4.2 硬件系统结构简述
• 4.2.1 视频输入电路
• 4.2.2 视频输出电路
• 4.3 驱动程序设计以及实时系统配置
• 4.3.1 TI DSP集成开发环境
• 4.3.2 DSP/BIOS实时操作系统
• 4.3.3 视频口外设驱动程序设计
• 4.4 代码移植与优化
• 4.5 本章小结
• 5 全文总结及进一步工作
• 5.1 全文总结
• 5.2 下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 发表的学术论文