一种航空图像的照度不均匀校正算法

郭晓博 冀芳 谷东格

(中国飞行试验研究院,陕西西安 710089)

在航空图像采集过程中,由于相机本身性能、光场照度不均匀以及拍摄物体局部表面对光线的吸收与反射性能差异,常常会造成获取的图像照度不均匀。图像照度不均匀具体表现如下:光场照度不均匀造成的图像整体亮度不均匀;图像局部高光;图像暗角等。它是影响图像处理和分析结果的一个重要因素,非均匀的光场照度在图像中产生背景噪声, 它和信号混合在一起, 造成图像分割效果不佳、目标区域无法提取等, 对后续的图像处理和分析产生影响,因此需要研究和解决照度不均匀问题。

照度不均匀校正算法主要有基于空间域的掩膜法和背景拟合法、频率域校正算法和Retinex算法。掩膜法计算简单、效果较为理想,但是需要标准样本图像生成掩膜;排序校正方法对照度不均匀很严重的情况也可以校正,但迭代次数过多,速度较慢;背景拟合法是利用插值法合成背景图像估计,消除背景对图像照度的影响,对图像亮度进行调节得到校正图像,但对于太复杂而不能用简单函数拟合的背景,该方法效果不佳;频率域滤波方法是指假设图像中背景光照变化的是低频信息,使用快速傅里叶变换在频率域滤除图像中的某些低频信息,但该方法应用效果不理想,一般多使用基于频率域的同态滤波来进行照度不均匀校正;Retinex算法的理论基础是物体的颜色是由物体对光线的反射能力决定的,而不是由反射光强度的绝对值决定的,即Retinex理论是以色感一致性(颜色恒常性)为基础的。

图1 照度不均匀图像直方图分布

图2 照度不均匀校正效果图

1 照度不均匀图像成像现象分析

由于相机和镜头性能的差异、光场照度不均匀、拍摄物局部表面光线吸收反射状况不同,根据航空图像光照不均匀的成像表现的不同,将照度不均匀图像主要分为以下3种:

(1)图像暗角,当相机拍摄亮度均匀的物体时,图像四角的亮度出现较为明显的下降,产生暗角的主要原因有相机镜头边角的成像光线与镜头光轴有一个较大的夹角,造成广角镜头边缘亮度随视角的变大而下降产生暗角;长焦镜头镜片直径不足造成边角光线不能完全通过,降低了边角的亮度出现暗角;相机保护罩等安装位置不佳导致广角镜头视场遮挡出现暗角。

(2)图像整体亮度不均匀,图像采集时拍摄环境光照条件不佳导致图像部分区域灰度值偏暗,使目标区域与背景接近,图像动态范围变化大,目标提取出现困难。

(3)图像局部高光,由于拍摄物体表面部分区域过于光滑、反光等原因,使得图像出现局部高光,局部高光现象使得图像局部区域亮度范围过于集中,图像信息无法分割提取,为后期图像处理分析增加了难度。

假设一幅普通正常的图像其直方图是单峰分布,那么如果这幅图像有暗角或者过曝等照度不均匀现象,其直方图通常会存在另外一个低明度的分布,如图1所示。照度不均匀校正的过程就是使低明度的分布向原来的正常明度靠近,使图像的明度分布更加合理,即图像的直方图分布更加合理。

图3 照度不均匀校正三维曲面图

图4 照度不均匀校正直方图

2 混合空间域校正算法研究

在空间域照度不均匀校正算法中,掩膜法原理简单、效果理想,但是需要标准样本输入,限制了掩膜法的使用;背景拟合法针对一般照度不均匀图像校正效果较好,但对复杂照度图像的校正效果不够理想。本文将掩膜和背景拟合两种空间域图像校正算法相结合,实现了一种混合的空间域照度不均匀校正算法。首先将原始图像作为标准样本图像获取掩膜,从而解决了掩膜法的使用限制。此外,将原始图像分块获取采样点,其采样点取每个图像块所有像素点的最大值,使用双三次线性插值获取背景图像,然后对所有的采样点进行计算,获得所有采样点的均值,两者相减获取图像掩膜,最后利用得到的掩膜图像计算得到校正图像。其计算步骤如下:

(1)图像分块,将图像f(x,y)按照分为尺寸为w×h的图像块(本文中w×h取经验值为100×100),则将图像分为M×N个图像块,设图像的宽度为w,高度为h,则M=w/100+1,N=h/100+1,对于图像边界区域尺寸不足100×100的图像块使用镜像对称法进行填充以得到符合尺寸的图像块,第(i,j)块图像为：

(2)重采样,为得到背景图像对得到的每个图像块做采样,计算每个图像块的最大值作为该图像块的重采样点,

由M×N个图像块上共得到M×N个采样点

(3)对M×N个采样点进行插值,获得和原图一样大小的背景图像。本文使用双三次插值法来实现,目标点的像素值可由以下插值公式得：

用双三次插值将M×N个采样点扩大为与原图尺寸大小相同的背景估计图G’(X,Y)。为消除背景估计图的明度过渡不均衡,使得背景估计图更加平滑,使用高斯滤波器对得到的背景估计图进行平滑,得到优化的背景估计图G(X,Y)。

(4)求图像掩膜,先计算采样点均值：

求得掩膜：

(5)将待校正图像即原图加上掩膜图像,得到校正后的图像

3 实验结果

实现混合空间域校正算法,选取两组照度不均匀图像分别验证实验效果,并对其进行分析。如图2(a)所示,由于环境因素在图像的右侧有明显的照度不均匀现象,当使用最大类间方差法对图像进行单阈值分割时,出现误分割区域。图2(c)为使用基于混合空间域校正算法对图像进行处理后的结果,与原始图像相比,图像右侧照度不均匀现象有了很大改善,可以观察到图像的分割效果良好。

为了进一步直观地观察和对比校正前后图像的亮度变化,绘制图像校正前后各自对应的三维曲面图,图3(a)和图3(c)分别为校正前和校正后的图像。图3(b)为校正前的三维曲面图,可以观察到变化比较剧烈,局部和整体差异较大。图3(d)为使用混合空间域校正算法处理后的三维曲面图,经过校正的三维曲面图区域较为平坦,表明空间域校正算法对图像的照度不均匀有较好的处理效果。

为验证照度不均匀校正算法对图像的明度分布有良好的改善效果,选择两幅光照不均图像使用本文算法进行校正,计算对比图像的直方分布图,观察图4发现,直方图的分布更加均衡,由此可以看出该算法在明度分布上具有很好的单峰性。

4 结语

飞行试验中获取的航空图像由于诸多原因常出现照度不均匀的现象,给后期的图像处理分析带来困难,为消除图像的照度不均匀现象,本文提出一种混合空间域算法,结合掩膜法和背景拟合法两种空间图像校正算法的优势,实现航空图像照度不均匀校正。实验结果表明,本文算法可以有效校正航空图像照度,对图像细节影响较小,运算效率高于其他算法,使航空图像照度分布更加均衡。

[1]郑军,徐春广,肖定国,等.数字图像中照度不均匀校正技术研究[J].北京理工大学学报,2003,23(3):285-289.

[2]储清翠,王华彬,陶亮.图像的局部自适应Gamma校正[J].计算机工程与应用,2015,51(7):189-193.

[3]雷洁,傅建平,郭琦.火炮内膛图像照度不均匀的校正方法[J].激光与光电子学进展,2011,48(6):51-55.

[4]魏伟一.非均匀光照图像的灰度校正与分割技术研究[D].兰州理工大学,2011.

[5]李慧芳,沈焕锋,张良培,等.一种基于变分Retinex的遥感影像不均匀性校正方法[J].测绘学报,2010,39(6):585-591.