水下颜色失真与扭曲畸变图像的复原方法研究.pdf

摘要

摘要

海洋是地球的重要组成部分，它蕴含着丰富的生物与矿产资源。水下图像是利用

和探索海洋的核心数据载体，图像识别技术在水下环境中的目标检测以及特殊任务执

行中有着至关重要的作用。与空中、陆地上等介质密度变化较小环境不同，水体对光

线的直线传播会产生散射和吸收，水流扰动以及湍流则会引起密度变化产生光线折射，

导致水下图像往往存在严重的颜色失真、模糊、噪点以及扭曲畸变，这将影响正常的

水下作业。因此，本文以校正水下图像的颜色失真和扭曲畸变为研究目标，针对各种

水下成像不利因素提出对应的水下图像复原算法，本文的研究内容如下：

1

（）本文推导了水下光学成像模型，分析了水体自身特性对光线散射与吸收的影

响，分析了水流扰动以及湍流等因素对水下成像的影响。此外，本文简介了常见的水

下图像评价指标，这为后续的算法设计与实验提供了基本思路和科学依据。

2

（）针对水体对光线的散射和吸收造成的水下图像颜色失真、模糊和噪点问题，

本文设计了基于自适应色彩均衡与引导滤波的水下图像增强算法。该算法首先利用自

适应色彩均衡和白平衡算法校正水下图像的颜色失真，然后采用引导滤波图像锐化和

自适应伽马校正CLAHE算法，对颜色校正图像进行处理，得到细节强化和对比度增

强图像。最后，使用金字塔图像融合技术对得到的两幅图像进行处理，输出色彩均衡

且清晰度高的水下增强图像。实验结果表明，本文所提出的算法有效地校正水下图像

的颜色失真，消除水下图像的模糊不清，且综合性能优于其他几种对比算法。

（3）针对水流扰动以及湍流等因素引起的水下图像扭曲畸变问题，本文设计了基

于压缩感知与图像配准的水下图像复原算法。该算法首先利用压缩感知技术根据选定

特征点轨迹估计出视频序列中所有像素点的运动向量场，以消除视频序列中存在的周

期性扭曲。然后，通过幸运块融合与侧窗盒式滤波从重构的视频序列中合成出优质的

参考帧。最后，将重构的视频序列与参考帧进行层次化鲁棒图像配准，消除视频序列

中残余的随机性扭曲。实验结果表明，本文所提出的算法能有效地消除水下图像中存

在的扭曲畸变，且算法在运行速度和复原效果等方面均优于其他几种对比算法。

（4）本文制作了实际场景下的水下颜色失真与扭曲畸变图像数据集，使用所设计

的两种水下图像复原算法对制作出的水下图像数据集进行处理，并分别通过主观角度

与客观角度对复原的水下图像进行评价分析。实验结果表明，本文所设计的水下图像

复原算法在校正水下图像颜色失真和消除水下图像扭曲畸变等方面均有较好的表现。

关键词水下图像复原；自适应色彩均衡；引导滤波；压缩感知；图像配准

I

目录

目录

摘要I

AbstractIII

目录V

ContentsVII

11

第章绪论

1.1研究背景及意义1

1.2国内外研究现状2

1.2.1水下图像颜色校正与去模糊研究现状2

1.2.2水下图像去畸变方法研究现状5

1.3本文主要研究内容7

1.4论文章节安排9

211

第章水下图像知识点概述

2.1水下光学成像分析11

2.2水体对光线的散射和吸收分析14

2.3水流扰动对光学成像的影响15

2.4水下图像评价指标17

2.5本章小结18

319

第章基于自适应色彩均衡与引导滤波的水下图像增强

3.1水下图像预处理19

3.1.1自适应色彩均衡算法19

3.1.2白平衡算法21