[发明专利]一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法

说明书

一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法，包括以下步骤：第一步：对视频每一帧图像进行金字塔分解。第二步：基于Riesz变换(里斯变换)计算金字塔每一层子带的局部幅度和局部相位。第三步：对局部幅度和局部相位进行时间低通滤波。第四步：基于大气湍流调制传递函数，对单帧图像去模糊。本发明利用低通滤波的思想来消除大气湍流效应产生的成像畸变。Riesz变换是希尔伯特变换的多维扩展，它能够得到二维信号的局部幅度和局部相位信息。局部幅度反映了视频中各帧图像局部灰度的明暗变化，而局部相位变化表示了视频中的局部运动信息。通过对单演局部幅度和局部相位的低通滤波，能够抑制局部的高频噪声和图像畸变。

技术领域

本发明涉及光学成像和数字图像技术领域，尤其是一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法。

背景技术

大气温度、湿度等气象参数的随机变换使得大气折射率随机起伏。当光线穿过折射率随机起伏的大气时，其传播方向发生随机摆动，造成成像系统出现图像模糊和动态畸变。这种退化现象称为光学湍流效应。光学湍流效应降低成像分辨率，使得成像目标出现动态畸变，影响成像系统视觉效果和目标检测、跟踪及识别。如何消除光学湍流效应一直是光学成像及图像处理领域的难点问题。传统的数字稳像方法主要解决拍摄过程中因相机抖动而产生的图像晃动问题，主要包括运动估计和运动补偿两个步骤，用于消除两帧之间旋转和平移。但是，大气湍流具有时空随机变化的特点，这种变化对成像系统的影响很难用传统数字稳像方法中的数学模型解析地描述。

大气湍流退化视频稳定主要包括两个大的步骤，第一步是消除大气湍流效应产生的成像动态畸变，第二步是消除大气湍流效应产生的成像模糊。

消除大气湍流效应产生的成像动态畸变的方法主要有如下：奥马尔·奥费杰等提出的低秩值矩阵分解法、尼尔·瓦德瓦等提出的基于相位的方法和娄一飞等提出的基于拉普拉斯算子的方法。低秩值矩阵分解法使用低秩矩阵分解的方法把湍流视频分解为三个部分：背景、湍流和运动物体，该方法可以分解湍流畸变，但计算复杂度非常高。基于相位的方法对局部相位进行时间滤波，能够消除弱起伏强度大气湍流效应产生的畸变。但是，由于该方法没有考虑大气湍流引起的光强闪烁问题，因此稳像后出现图像明暗变化现象。基于拉普拉斯算子的方法对每一帧使用索博列夫梯度锐化，然后用拉普拉斯算子消除时间扭曲，抑制成像畸变和模糊，但是无法处理较强大气湍流下的稳像问题，而且计算量大。

大气湍流退化视频稳定的另一方面是去除畸变校正后视频图像的模糊问题。湍流图像的去模糊实际上为图像反卷积的过程，其难点在于估计湍流效应的点扩散函数。目前有多种估计模糊核的算法，其中最直接的方法是使用大气调制传递函数，根据湍流成像环境设置大气调制传递函数函数的系数，然后进行反卷积操作。使用时间回归算法得到一个近似衍射受限的模糊图像，可以使用空间不变的去模糊算法恢复清晰图像。上述方法需要对于图像序列整体运算，计算效率低。

大气湍流效应产生的成像畸变在视频中表现为局部像素的随机摆动，即高频的局部运动，而抑制高频噪声最通常的方法就是低通滤波。所以，就要针对现有方法的问题来设计一种计算量适中且计算效率高的大气湍流退化视频稳定的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种稳定大气湍流效应产生的成像畸变，消除湍流带来的模糊，克服现有湍流处理算法运算效率低下缺点，快速得到一段稳定、清晰视频的视频稳定方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于黎兹金字塔的大气湍流退化视频快速稳定方法，包括以下步骤：

第一步：对视频每一帧图像进行金字塔分解。本发明中选择N.瓦德瓦构造的近似拉普拉斯金字塔表示图像帧。该金字塔由一系列高通分量和一个低通分量构成。构造过程中首先分别对原图像进行高通和低通滤波，高通分量作为金字塔第一层；低通分量经降采样后再进行高通和低通滤波，高通分量作为金字塔第二层，以此迭代至需要的层数为止。