[发明专利]基于偏振和波长衰减联合优化的水下偏振图像复原方法

权利要求书

1.基于偏振和波长衰减联合优化的水下偏振图像复原方法，其特征在于，包括以下内容：

S1、通过工业相机和线偏振片采集水下场景对应的彩色图像以及4幅偏振图像，结合水下成像模型对后向散射光和目标信息光进行估计，进而根据后向散射光估计出基于偏振信息的场景深度图；

S2、依据所述场景深度图的深度信息对局部邻域进行约束，由此估计出局部空间平均颜色并实现对目标信息光衰减系数的粗略估计；

S3、结合水下成像模型，将初步估计到的衰减系数反馈至模型中，推导出基于波长衰减信息的场景深度信息，结合波长衰减信息与偏振信息实现对局部邻域的联合优化进而完成对衰减系数的精确估计，实现最终清晰水下图像的恢复。

2.如权利要求1所述的基于偏振和波长衰减联合优化的水下偏振图像复原方法，其特征在于，所述步骤S1中，水下成像模型表示为：

I_c＝D_c+B_c (1)，

I_c＝J_ce^-βz+B_∞(1-e^-βz),c∈{r,g,b} (2)，

公式(1)中I_c表示退化的水下图像，D_c表示目标信息光，B_c表示后向散射光，公式(2)中J_c表示场景中目标无衰减的辐照度，即所要求解的无色彩畸变的清晰图像，β表示衰减系数，z表示目标到相机的距离，e^-βz表示目标信息光的衰减，B_∞表示无穷远处的后向散射光，c表示图像的三个颜色通道，r表示红色通道，g表示绿色通道，b表示蓝色通道。

3.如权利要求1或2所述的基于偏振和波长衰减联合优化的水下偏振图像复原方法，其特征在于，所述步骤S1中，去除后向散射光的方法为：

获取水下场景最亮时的图像I_max和最暗时的图像I_min，同时考虑后向散射光以及目标的偏振度p_scat和p_obj，则：

公式(3)中B₁表示由偏振方法求得的后向散射光，(x,y)表示像素在视场内的坐标位置；

通过在场景中选择特定区域对后向散射光和目标偏振度进行估计后利用上式即可估计出场景中的后向散射光；

得到后向散射光后，进一步计算场景的深度图：

式中z₁表示经由偏振信息估计出的深度图。

4.如权利要求1或2所述的基于偏振和波长衰减联合优化的水下偏振图像复原方法，其特征在于，所述步骤S2中，计算局部空间平均颜色时，利用深度信息对局部邻域内的像素点进行筛选；

设置阈值δ，在局部邻域内选择与中心像素距离不大于阈值δ的连接像素，根据这些像素估计局部空间平均颜色：

公式(5)中，表示与中心像素深度之差小于阈值δ的像素集合，(x',y')表示局部邻域内深度与中心像素深度之差小于阈值δ的其他像素点，||·||表示计算两个像素深度之差，z₁(x,y)表示中心像素与相机的距离，z₁(x',y')表示局部邻域内非中心像素的像素点与相机的距离；

公式(6)中，表示每一次迭代计算估计出的局部空间平均颜色，表示集合内像素点的局部空间平均颜色。公式(7)中表示通过迭代计算估计出的局部空间平均颜色，参数p描述了计算平均值的区域，其大小取决于图像的大小；

估计出局部空间平均颜色后则可以对场景中的整个照度进行估计：

公式(8)中，参数f是一个缩放因子；

则目标信息光的衰减系数则可以表示为：

5.如权利要求1或2所述的基于偏振和波长衰减联合优化的水下偏振图像复原方法，其特征在于，所述步骤S3中，根据以及水下成像模型对场景深度信息z₂再次进行估计：

计算局部空间平均颜色时，对其局部邻域进行联合优化处理：

公式(11)中，表示一个像素集合，其中的像素点与中心像素的深度之差在先后两次计算的深度图中均小于阈值δ，(x',y')表示集合内像素点，z₂(x,y)表示第二次估计的深度图中中心像素与相机的距离，z₂(x',y')表示局部邻域内非中心像素的像素点与相机之间的距离；

在优化后的局部邻域上通过迭代计算求得局部空间平均颜色：

公式(12)中，表示每一次迭代计算时的局部空间平均颜色，表示集合内每个像素点的局部空间平均颜色。公式(13)中表示通过迭代计算得到的局部空间平均颜色；

进而对场景照度以及衰减系数进行精确的估计：

公式(15)中，β表示最终估计出的目标信息光的衰减系数，结合已经去除后向散射光的图像D_c，最终可以求得无衰减的水下图像J_c：