摘要：水下激光距離選通成像中要對(duì)水下距離選通圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。水下圖像通常具有噪聲大、對(duì)比度差、照度不均勻的特點(diǎn)。通過分析水下圖像的成像特點(diǎn)，針對(duì)引起圖像降質(zhì)的因素進(jìn)行增強(qiáng)算法設(shè)計(jì)，提出了基于幀疊加去噪與雙平臺(tái)直方圖變換相結(jié)合的視頻增強(qiáng)算法?？蓪?shí)現(xiàn)目標(biāo)信息增強(qiáng)的同時(shí)抑制背景，將目標(biāo)和背景區(qū)別處理。算法以Xilinx 公司的XC5VLX50T 系列FPGA 芯片為核心，使用到了軟核Microblaze、片內(nèi)BLOCKRAM、外部SRAM 等資源設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，并已在水下選通成像系統(tǒng)中得到有效應(yīng)用。

?

0 引言

水下激光距離選通成像技術(shù)是當(dāng)下較為成熟的水下光電成像技術(shù)之一，對(duì)于提高水下成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量具有良好的效果。水下距離選通成像技術(shù)的應(yīng)用，可以將水下光電成像設(shè)備的探測(cè)距離提高3～5倍。在水下激光距離選通技術(shù)的基礎(chǔ)上，選取適當(dāng)?shù)乃聢D像增強(qiáng)技術(shù)，將會(huì)使整個(gè)選通成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量得到大幅提升[1-3]。實(shí)時(shí)視頻增強(qiáng)技術(shù)在水下激光距離選通成像設(shè)備上的應(yīng)用，對(duì)激光選通成像技術(shù)的小型化應(yīng)用有著非常重要的意義。

1 水下選通圖像特點(diǎn)分析

水下距離選通圖像通常存在噪聲量大、對(duì)比度差、照明不均勻的特點(diǎn)。①噪聲量大：ICCD 中像增強(qiáng)管的使用雖然起到了圖像增強(qiáng)效果，但也為選通圖像引入了一定的電噪聲和光學(xué)噪聲[4]。②對(duì)比度差：當(dāng)距離選通成像設(shè)備達(dá)到探測(cè)極限時(shí)，盡管距離選通圖像上目標(biāo)區(qū)域的灰度值和背景區(qū)域的灰度值具有一定的差異，但由于差異過小、對(duì)比度較差，人眼很難直接區(qū)分。③照明不均勻：當(dāng)激光照明光斑面積小于目標(biāo)面積時(shí)，光斑內(nèi)的目標(biāo)會(huì)非常明亮，光斑外由激光的前向散射光照亮的區(qū)域則會(huì)顯得異常暗淡，不利于人眼觀察。

2 水下距離選通圖像增強(qiáng)算法仿真、對(duì)比

2.1 雙平臺(tái)直方圖均衡化算法

直方圖均衡化是從直方圖數(shù)據(jù)的角度，對(duì)原始圖像的對(duì)比度進(jìn)行調(diào)整。這種方法多用來提高圖像的局部對(duì)比度，當(dāng)圖像的灰度分布較集中時(shí)，該處理方法效果最為明顯。

雙平臺(tái)直方圖均衡化[5]是直方圖均衡化算法的優(yōu)化算法，該方法的特點(diǎn)是在統(tǒng)計(jì)直方圖時(shí)，對(duì)特定灰度級(jí)上的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置2 個(gè)閾值，該閾值稱為平臺(tái)值，即：

式中：k 為當(dāng)前統(tǒng)計(jì)到的灰度級(jí)；P(k)為直方圖統(tǒng)計(jì)表中的累計(jì)直方圖；nk 為某個(gè)灰度級(jí)上的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)；Nth1、Nth2 為平臺(tái)閾值；Np 為使用平臺(tái)法處理后的平臺(tái)像素總數(shù)（平臺(tái)像素總數(shù)并不等同于實(shí)際圖像像素?cái)?shù)N）。其中，閾值Nth1 用于抑制背景，當(dāng)某個(gè)灰度級(jí)像素個(gè)數(shù)超過該閾值時(shí)，算法認(rèn)為此灰度對(duì)應(yīng)的是背景。此時(shí)，該灰度級(jí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)將維持在Nth1不變，以減小該灰度值對(duì)直方圖的影響。閾值Nth2用于防止細(xì)節(jié)信息丟失，當(dāng)某個(gè)灰度級(jí)上像素個(gè)數(shù)小于閾值Nth2 時(shí)，算法認(rèn)為該部分灰度是有效細(xì)節(jié)信息部分。此時(shí)，該灰度級(jí)的統(tǒng)計(jì)數(shù)將被提升到Nth2，從而增大該灰度值對(duì)直方圖的影響。

在對(duì)比度較差的水下激光距離選通圖像處理時(shí)，閾值Nth1 起主要作用；在照明不均勻的距離選通圖像處理時(shí)，閾值Nth1 用于抑制背景，閾值Nth2 用于減少激光光斑內(nèi)的細(xì)節(jié)信息丟失。

2.2 增強(qiáng)仿真效果主觀對(duì)比與評(píng)價(jià)

為了分析對(duì)比不同增強(qiáng)算法的效果，圖1 給出了基于實(shí)際水下激光距離選通圖像及其軟件算法增強(qiáng)圖像，其中，圖1(a)為4 幀疊加去噪[6]后的水下距離選通圖像，圖1(b)為線性拉伸[7]處理圖像，圖1(c)為對(duì)數(shù)拉伸處理圖像，圖1(d)為全局直方圖均衡化處理圖像，圖1(e)為局部直方圖均衡化處理[8]圖像，圖1(f)為雙平臺(tái)直方圖均衡化處理圖像。

結(jié)果表明：經(jīng)過增強(qiáng)后，原始圖的對(duì)比度都得到了不同程度的提升，但使用不同的增強(qiáng)算法處理后，增強(qiáng)效果差異較為明顯。圖1(b)的缺點(diǎn)是激光照射處的靶標(biāo)信息在增強(qiáng)后，出現(xiàn)了淹沒現(xiàn)象；圖1(c)在增強(qiáng)后光斑中心出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象；圖1(d)盡管整個(gè)畫面的對(duì)比度得到了增強(qiáng)，但是噪聲也被增強(qiáng)，不利于人眼觀察；圖1(e)光斑內(nèi)細(xì)節(jié)信息沒有丟失，有不錯(cuò)的增強(qiáng)效果，但圖像整體偏暗；圖1(f)可觀察到整個(gè)靶標(biāo)的邊緣信息清晰可見，且激光光斑中心處的靶標(biāo)信息并未出現(xiàn)淹沒現(xiàn)象。

圖1 水下圖像的增強(qiáng)效果對(duì)比圖

2.3 增強(qiáng)效果的客觀對(duì)比與評(píng)價(jià)

針對(duì)圖 1 中的6 幅對(duì)比圖，本文選取3 個(gè)客觀評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)增強(qiáng)前后圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)：