2019-S1-175-基于红色暗通道先验理论与CLAHE算法的水下图像增强算法

I(x) = ID(x) + IF(x) + IB(x)
（1）
式中：ID(x) 为光在到达摄像机前被吸收的过程，
为直接分量；IF(x) 为前向散射造成的模糊效应，
也称前向散射分量；IB(x) 为后向散射效应，也称
后 向 散 射 分 量 。 由 于 水 对 光 的 选 择 性 吸 收 ，故 水
环 境 下 光 到 达 摄 像 机 的 光 强 与 光 的 波 长 有 关 ，可
Li Lian，Li Weijia*，Wu Yaozhong School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，
Wuhan 430074，China
Abstract：［Objectives］ Underwater image plays an extremely important role in underwater resource exploration and non-contact inspection of underwater pipelines. However，due to absorption and scattering by water and particles in the water，the phenomenon of low contrast and blurred edges are existed in underwater image. An image enhancement algorithm is proposed to reduce the influence of water medium on underwater image.［Methods］ Firstly，the mathematical model of underwater imaging was studied， and the non-degraded image mathematical model was deduced according to Lambert-Beer law. Secondly， the red dark channel transmittance image in the non-degraded image model was obtained based on the Red Dark Channel Prior （RDCP） theory，and the non-degraded image with high contrast was obtained by filtering and thinning the image with the guided filter algorithm. In addition，since the image contrast was still not ideal after deblurring，the Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization（CLAHE）algorithm was employed to improve the image contrast.［Results］ Based on the commonly used image evaluation criteria， the effectiveness of the proposed algorithm in this paper is evaluated by experiments. ［Conclusions］ It is found that the algorithm proposed in this paper can significantly improve the information entropy， contrast and average gradient of underwater images，and more information is obtained from the underwater image. Key words：underwater image enhancement；Red Dark Channel Prior（RDCP）theory；Contrast Limited Adaptive Histogram Equalization（CLAHE）algorithm
图 像 对 比 度 仍 然 不 理 想 的 情 况 ，采 用 对 比 度 受 限 直 方 图 均 衡 化 算 法（CLAH E）提 升 水 下 图 像 对 比 度 。［结 果］基
于常用图像评价标准，通过实验评价了本文算法的有效性，［结论］本文算法能够显著提升水下图像信息熵、对
比度和平均梯度，更能凸显图片信息的细节特征。
基于红色暗通道先验理论与 CLAHE 算法的水下图像增强算法
李炼，李维嘉*，吴耀中
华中科技大学 船舶与海洋工程学院，湖北 武汉 430074
摘 要：［目的］水下图像是水下视觉感知技术领域应用的基础，由于水对光的吸收以及水中颗粒对光的散射
作用，使水下图像具有对比度低、边缘模糊等特点，导致图像质量下降。为此，提出一种削弱水介质对水下图像
第 14 卷 增刊 1 增2刊0191年 12 月
中国舰船研究 Chinese Journal of Ship Research
Vol.14 Supp 1 Dec. 2019
引用格式：李炼，李维嘉，吴耀中. 基于红色暗通道先验理论与 CLAHE 算法的水下图像增强算法［J］. 中国舰船研究 ， 2019，14（增刊 1）：175-182. Li L，Li W J，Wu Y Z. An underwater image enhancement algorithm based on RDCP and CLAHE［J］. Chinese Journal of Ship Research，2019，14（Supp 1）：175-182.
前向散射
图 1 水下成像吸收及散射现象 Fig.1 The phenomena of underwater imaging
absorption and scattering
中的纵坐标），如图 2 所示。
图 2 图像坐标示意图 Fig.2 Image coordinate dLeabharlann Baiduagram
根据 Jaffe-McGlamery 模型，可以将水下图像 I(x) 分为 3 个部分的线性和。
收稿日期：2019 - 01 - 07
网络首发时间：2019-11-28 17:50
作者简介：李炼，男，1993 年生，硕士。研究方向：水下航行器，水下图像处理。
李维嘉，男，1964 年生，博士，教授。研究方向：并联机器人，水下航行器。
吴耀中，男，1984 年生，博士。研究方向：水下航行器。
*通信作者：李维嘉
关键词：水下图像增强；红色暗通道先验理论；对比度受限直方图均衡化算法
中图分类号：U665.2
文献标志码：A
DOI：10.19693/j.issn.1673-3185. 01508
An underwater image enhancement algorithm based on RDCP and CLAHE
距离。从式（2）可以看出，在介质对光的吸收作用
下光在介质中呈现指数衰减。
前向散射造成的模糊效应 IF(x) ，通常可以用
直接分量 ID(x) 与点扩散函数 F(·) 的卷积表示为
IF(x) = ID(x λ)F(·)
（3）
光的后向散射效应 IB(x) 表示为 IB(x) = Bλ¥(1 - e-c(λ)d(x)) λ Î{R G B}
（4）
式中，Bλ¥ 表示图像中与相机相距无穷远处的环
境光。
根 据 Lambert-Beer 定 律 ，光 在 均 匀 介 质 中 传
播呈指数衰减，在水中的透射率 t(x λ) 定义为
t(x λ) = e-c(λ)d(x) λ Î{R G B}
本文针对水介质对水下图像带来的不良影 响，提出一种基于红色暗通道先验（RDCP）理论与 对 比 度 受 限 直 方 图 均 衡 化（CLAHE）算 法 的 水 下 图像增强算法，首先对 Jaffe-McGlamery 水下成像 模 型 进 ［10］ 行 分 析 ，使 用 RDCP 理 论 对 图 像 进 行 复 原，然后再使用 CLAHE 算法 对 ［11］ 复原的图像进行 增强，以得到更多的图像细节。
1 水下图像前处理
1.1 水下成像模型
光 在 水 中 传 播 时 ，水 及 水 中 悬 浮 颗 粒 会 对 光 吸收、前向散射和后向散射，从而产生光的吸收衰 减及散射现象 ，如 ［12-13］ 图 1 所示。
取 图 像 某 像 素 P ，坐 标 为 x = [u v]（其 中 ，u 为该像素在图像中的横坐标，v 为该像素在图像
表示为 ID(x) = I0(x λ)e-c(λ)d(x) λ Î{R G B} （2）
式 中 ：I0(x λ) 为 未 退 化 图 像 ；λ 为 光 的 波 长 ； R G B 分别为红光、绿光、蓝光；c(λ) 为介质对波
长 λ 的光的总衰减系数，是吸收系数 a(λ) 和散射
系数 b(λ) 的总和；d (x) 为所拍摄场景到摄像机的
石 丹 等［3］采 用 非 下 采 样 Contourlet 方 法 将 水 下图像进行多方向、多尺度的变化，然后使用多尺 度 Retinex 算法自动调整低频系数，从而实现了水 下 图 像 增 强 。 王 子 韬［4］基 于 改 进 后 的 暗 原 色 方 法 增 强 水 下 图 像 ，改 善 了 该 算 法 的 颜 色 退 化 问 题 。 李社蕾等［5］在水下图像的 R，G，B 各颜色通道采用 不同方式拉伸增强图像的对比度，并在 HSI 模型 上对 S 分量和 I分量进行双边拉伸增强图像饱和 度 ，从 而 实 现 了 水 下 图 像 增 强 。 黄 允 浒 等［6］使 用 直方图均衡化算法与à Trous 小波变换增强水下图 像 。 曹 美 等［7］针 对 水 下 环 境 中 光 线 散 射 和 衰 减 引 起 的 低 对 比 度 和 色 彩 失 真 问 题 ，提 出 了 基 于 暗 通 道先验和通道直方图量化色彩校正的水下彩色图 像增强方法。Wen 等［8］利用衍生的水下成像光学 模 型 ，结 合 改 进 的 水 下 暗 通 道 散 射 率 估 计 方 法 实 现水下图像增强。Ancuti 等［9］利用水下原始图像 的 颜 色 校 正 图 像 和 对 比 度 增 强 图 像 作 为 输 入 ，基 于 所 提 出 的 图 像 融 合 算 法 ，改 进 了 图 像 全 局 对 比 度以及图像边缘强度。
176
0引言
中国舰船研究
后向散射
吸收分量
第 14 卷
水下图像是水下环境感知的一种重要方式， 其 获 取 的 信 息 能 够 在 水 下 较 多 工 程 领 域 运 用 ，如 水 下 机 械 手 末 端 位 姿 控 制 、水 下 设 备 智 能 回 收 与 对 接 等 领 域 。 但 是 由 于 光 与 水 的 相 互 作 用 ，特 别 是水对光的选择性吸收以及水下悬浮颗粒对光 的 散 射 ，使 采 集 到 的 水 下 图 像 出 现 严 重 退 化 的 现 象 。 ［1-2］ 因 此 ，开 展 水 下 图 像 增 强 技 术 研 究，是 对海洋资源图像准确获取和利用的前提，目前，这 方面已得到了许多研究人员的关注。
影响的图像增强算法。［方法］首先，研究了水下成像数学模型，并且依据 Lambert-Beer 定律推导出了未退化的
图 像 数 学 模 型 。 其 次 ，利 用 红 色 暗 通 道 先 验（RDCP）理 论 得 到 未 退 化 图 像 模 型 中 的 红 色 暗 通 道 透 射 率 图 像 ，并
通过引导滤波算法对该图像进行滤波细化处理，获得了对比度比较高的未退化图像。然后，针对去模糊后水下