一種航空圖像的照度不均勻校正算法

郭曉博 冀芳 谷東格

(中國飛行試驗研究院,陜西西安 710089)

在航空圖像采集過程中,由于相機本身性能、光場照度不均勻以及拍攝物體局部表面對光線的吸收與反射性能差異,常常會造成獲取的圖像照度不均勻。圖像照度不均勻具體表現如下:光場照度不均勻造成的圖像整體亮度不均勻;圖像局部高光;圖像暗角等。它是影響圖像處理和分析結果的一個重要因素,非均勻的光場照度在圖像中產生背景噪聲, 它和信號混合在一起, 造成圖像分割效果不佳、目標區域無法提取等, 對后續的圖像處理和分析產生影響,因此需要研究和解決照度不均勻問題。

照度不均勻校正算法主要有基于空間域的掩膜法和背景擬合法、頻率域校正算法和Retinex算法。掩膜法計算簡單、效果較為理想,但是需要標準樣本圖像生成掩膜;排序校正方法對照度不均勻很嚴重的情況也可以校正,但迭代次數過多,速度較慢;背景擬合法是利用插值法合成背景圖像估計,消除背景對圖像照度的影響,對圖像亮度進行調節得到校正圖像,但對于太復雜而不能用簡單函數擬合的背景,該方法效果不佳;頻率域濾波方法是指假設圖像中背景光照變化的是低頻信息,使用快速傅里葉變換在頻率域濾除圖像中的某些低頻信息,但該方法應用效果不理想,一般多使用基于頻率域的同態濾波來進行照度不均勻校正;Retinex算法的理論基礎是物體的顏色是由物體對光線的反射能力決定的,而不是由反射光強度的絕對值決定的,即Retinex理論是以色感一致性(顏色恒常性)為基礎的。

圖1 照度不均勻圖像直方圖分布

圖2 照度不均勻校正效果圖

1 照度不均勻圖像成像現象分析

由于相機和鏡頭性能的差異、光場照度不均勻、拍攝物局部表面光線吸收反射狀況不同,根據航空圖像光照不均勻的成像表現的不同,將照度不均勻圖像主要分為以下3種:

(1)圖像暗角,當相機拍攝亮度均勻的物體時,圖像四角的亮度出現較為明顯的下降,產生暗角的主要原因有相機鏡頭邊角的成像光線與鏡頭光軸有一個較大的夾角,造成廣角鏡頭邊緣亮度隨視角的變大而下降產生暗角;長焦鏡頭鏡片直徑不足造成邊角光線不能完全通過,降低了邊角的亮度出現暗角;相機保護罩等安裝位置不佳導致廣角鏡頭視場遮擋出現暗角。

(2)圖像整體亮度不均勻,圖像采集時拍攝環境光照條件不佳導致圖像部分區域灰度值偏暗,使目標區域與背景接近,圖像動態范圍變化大,目標提取出現困難。

(3)圖像局部高光,由于拍攝物體表面部分區域過于光滑、反光等原因,使得圖像出現局部高光,局部高光現象使得圖像局部區域亮度范圍過于集中,圖像信息無法分割提取,為后期圖像處理分析增加了難度。

假設一幅普通正常的圖像其直方圖是單峰分布,那么如果這幅圖像有暗角或者過曝等照度不均勻現象,其直方圖通常會存在另外一個低明度的分布,如圖1所示。照度不均勻校正的過程就是使低明度的分布向原來的正常明度靠近,使圖像的明度分布更加合理,即圖像的直方圖分布更加合理。

圖3 照度不均勻校正三維曲面圖

圖4 照度不均勻校正直方圖

2 混合空間域校正算法研究

在空間域照度不均勻校正算法中,掩膜法原理簡單、效果理想,但是需要標準樣本輸入,限制了掩膜法的使用;背景擬合法針對一般照度不均勻圖像校正效果較好,但對復雜照度圖像的校正效果不夠理想。本文將掩膜和背景擬合兩種空間域圖像校正算法相結合,實現了一種混合的空間域照度不均勻校正算法。首先將原始圖像作為標準樣本圖像獲取掩膜,從而解決了掩膜法的使用限制。此外,將原始圖像分塊獲取采樣點,其采樣點取每個圖像塊所有像素點的最大值,使用雙三次線性插值獲取背景圖像,然后對所有的采樣點進行計算,獲得所有采樣點的均值,兩者相減獲取圖像掩膜,最后利用得到的掩膜圖像計算得到校正圖像。其計算步驟如下:

(1)圖像分塊,將圖像f(x,y)按照分為尺寸為w×h的圖像塊(本文中w×h取經驗值為100×100),則將圖像分為M×N個圖像塊,設圖像的寬度為w,高度為h,則M=w/100+1,N=h/100+1,對于圖像邊界區域尺寸不足100×100的圖像塊使用鏡像對稱法進行填充以得到符合尺寸的圖像塊,第(i,j)塊圖像為：

(2)重采樣,為得到背景圖像對得到的每個圖像塊做采樣,計算每個圖像塊的最大值作為該圖像塊的重采樣點,

由M×N個圖像塊上共得到M×N個采樣點

(3)對M×N個采樣點進行插值,獲得和原圖一樣大小的背景圖像。本文使用雙三次插值法來實現,目標點的像素值可由以下插值公式得：

用雙三次插值將M×N個采樣點擴大為與原圖尺寸大小相同的背景估計圖G’(X,Y)。為消除背景估計圖的明度過渡不均衡,使得背景估計圖更加平滑,使用高斯濾波器對得到的背景估計圖進行平滑,得到優化的背景估計圖G(X,Y)。

(4)求圖像掩膜,先計算采樣點均值：

求得掩膜：

(5)將待校正圖像即原圖加上掩膜圖像,得到校正后的圖像

3 實驗結果

實現混合空間域校正算法,選取兩組照度不均勻圖像分別驗證實驗效果,并對其進行分析。如圖2(a)所示,由于環境因素在圖像的右側有明顯的照度不均勻現象,當使用最大類間方差法對圖像進行單閾值分割時,出現誤分割區域。圖2(c)為使用基于混合空間域校正算法對圖像進行處理后的結果,與原始圖像相比,圖像右側照度不均勻現象有了很大改善,可以觀察到圖像的分割效果良好。

為了進一步直觀地觀察和對比校正前后圖像的亮度變化,繪制圖像校正前后各自對應的三維曲面圖,圖3(a)和圖3(c)分別為校正前和校正后的圖像。圖3(b)為校正前的三維曲面圖,可以觀察到變化比較劇烈,局部和整體差異較大。圖3(d)為使用混合空間域校正算法處理后的三維曲面圖,經過校正的三維曲面圖區域較為平坦,表明空間域校正算法對圖像的照度不均勻有較好的處理效果。

為驗證照度不均勻校正算法對圖像的明度分布有良好的改善效果,選擇兩幅光照不均圖像使用本文算法進行校正,計算對比圖像的直方分布圖,觀察圖4發現,直方圖的分布更加均衡,由此可以看出該算法在明度分布上具有很好的單峰性。

4 結語

飛行試驗中獲取的航空圖像由于諸多原因常出現照度不均勻的現象,給后期的圖像處理分析帶來困難,為消除圖像的照度不均勻現象,本文提出一種混合空間域算法,結合掩膜法和背景擬合法兩種空間圖像校正算法的優勢,實現航空圖像照度不均勻校正。實驗結果表明,本文算法可以有效校正航空圖像照度,對圖像細節影響較小,運算效率高于其他算法,使航空圖像照度分布更加均衡。

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