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发布时间：2023-12-03 02:44:49
第３９卷第６期 系统工程与电子技术 Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．６ ２０１７年６月 文章编号：１００１—５０６Ｘ（２０１７）０６—１３８３—０８ Ｊｕｎｅ ２Ｏ１７ 网址：ｗｗｗ．ｓｙｓ—ｅｌｅ．ＣＯＮ 一种光照不均匀图像的自适应校正算法 王殿伟 ，王 晶。，许志杰。，刘 颖 （１．西安邮电大学通信与信息工程学院，陕西西安７１０１２１；２．电子信息现场勘查应用技术公安部重点 实验室，陕西西安７１０１２１；３．（英国）哈德斯菲尔德大学计算机与工程学院，Ｈｕｄｄｅｒｓｆｉｅｌｄ ＨＤ１ ３ＤＨ，ＵＫ） 摘要：为了提高光照不均匀条件下采集的图像的视觉效果，提出了一种基于改进二维伽马函数自适应亮度 校正算法。首先基于光照反射成像模型，利用快速引导滤波算法提取出光照信 ｇ－；然后构造了一种改进的二维伽 马函数，并利用光照的分布特性动态地调整二维伽马函数的参数，实现对图像亮度的自适应校正处理，提高光照 过暗区域图像的亮度值，降低光照过强区域图像的亮度值，得到增强后的图像。对多种场景图像的处理结果表 明，本文算法可以有效地降低不均匀光照的影响，提高图像的质量。 关键词：图像增强；光照不均匀校正；二维伽马函数；快速引导滤波 中图分类号：ＴＰ ３９１ 文献标志码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—５０６Ｘ．２０１７．０６．２９ Ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｎｏｎ ｕｎｉｆｏｒｍ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｍａｇｅｓ ＷＡＮＧ Ｄｉａｎｗｅｉ ，ＷＡＮＧ Ｊｉｎｇ。，ＸＵ Ｚｈｉｊｉｅ。，ＬＩＵ Ｙｉｎｇ ＇ （Ｉ．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｐｏｓｔｓ ａｎｄ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｘｉ’ａｎ ７１ ０１ ２１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｓｃｅｎｅ［ｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｐｕｂｌｉｃ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，Ｐｅｏｐｌｅ Ｓ Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｘｉ’ａｎ ７１０１２１，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｈｕｄｄｅｒｓｆｉｅｌｄ，Ｈｕｄｄｅｒｓｆｉｅｌｄ ＨＤ１ ３ＤＨ，ＵＫ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｍ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｍａｇｅｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｅ— ｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｎｏｎ—ｕｎｉｆｏｒｍ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｉｓ ｅｘ～ ｔｒａｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｆａｓｔ ｇｕｉｄｅｄ ｉｍａｇｅ ｆｉｌｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｌｕｍｉｎａｎｃｅ—ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｍｏｄｅ１．Ｉｎ ｓｕｃｃｅｓｓｉｏｎ，ａｎ ｉｍ～ ｐｒｏｖｅｄ ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｔｉｏｎａｌ Ｇａｍｍａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ ａｄｊ ｕｓｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｉｌｌｕｍｉ～ ｎａｔｉｏｎ ｉＳ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ。ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｖａｌｕｅ ａｔ ｔｈｅ ｌＯＷ—ｌｅｖｅｌ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎｓ ａｎｄ ｖｉｃｅ ｖｅｒｓａ ａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｌｅｖｅｌ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌｕｍｉｎａｎｃｅ ｄｏｍａｉｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｍ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｍａｇｅ ｉｓ ａｄｊ ｕｓｔｅｄ ａｄａｐｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ｔｈｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｃｅｎａｒｉｏｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏ～ ｐｏｓｅｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｍ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｎｈａｎｃｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｍａｇｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ；ｎｏｎ—ｕｎｉｆｏｒｍ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ｔｗｏ—ｄｉｍｅｎｔｉｏｎａｌ Ｇａｍｍａ ｆｕｎｃｔｉｏｎ； ｆａｓｔ ｇｕｉｄｅｄ ｉｍａｇｅ ｆｉｌｔｅｒ ０ 引 言 在实际的图像采集过程中，经常会受到光照变化、阴影 以及物体表面反射特性差异等因素的影响，导致成像场景 中的光照并不均匀，致使获取到的图像中有些区域的光照 觉质量，而且对于各种图像处理操作具有重要的意义＿１ ］。 目前，光照不均匀图像的增强处理算法主要有基于变 换域（如频率域）的方法和基于空域的方法两大类。基于变 换域的方法以变换后的系数为对象，采用不同的方法进行 处理，目前主要在光照不均匀的人脸识别和指纹图像增 强 等领域得到了应用，但是这类算法很难准确重构出高 频分量和低频分量，所以经常出现细节信息丢失等现象。 过强，而有些区域的光照又太弱，不仅严重影响图像的视觉 效果，而且会给图像分割、特征提取、目标跟踪、图像检索等 操作带来困难，因此开展光照不均匀图像的增强处理研究， 降低光照不均匀对图像质量的影响，不仅可以提高图像的视 基于空间域的方法根据图像每一个像素点的亮度分布特 性，直接对每一个像素点的亮度值进行处理，避免了变换域 收稿日期：２０１６一Ｏ８—１０；修回日期：２０１６—１２—０３；网络优先出版日期：２０１７—０２—２４。 网络优先出版地址：ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１ｌ＿２４２２．ＴＮ．２０１７０２２４．１１５０．００４．ｈｔｍｌ 基金项目：国家自然科学基金（６１２０２１８３）；公安部科技强警基础工作专项项目（２０１４ＧＡＢＪＣ０２４）；陕西省自然科学基金（２ｏ１５ＪＭ６３５０）；陕 西省教育厅专项科研计划（１４ＪＫ１６８ｏ）资助课题
・１３８４・ 系统工程与电子技术 第３９卷 处理过程中所需的变换和反变换等操作，因而受到了广泛 的关注。目前，常用的空域处理方法主要有直方图均衡化 方法、伽马校正方法、非锐化掩膜方法、模糊的方法、Ｒｅｔ— ｉｎｅｘ算法以及基于空间变化照度图的校正方法等。 直方图均衡化算法具有算法简单、运算速度快的优点， 对整体亮度偏暗或者偏亮的图像具有很好的增强效果，因 此被广泛应用于图像增强处理。但是，对于光照不均匀图 像而言，直方图均衡化算法会出现过增强现象 。为了解 决这一问题，一些带有限制条件的直方图均衡化算法，比如 亮度保持直方图均衡化算法和对比度限制直方图均衡化算 法先后被提出。这些改进的方法虽然可以抑制过增强的现 象，但是亮度保持直方图均衡化算法无法增强亮度过暗区 域的细节，对比度限制直方图均衡化算法又很难准确设定 剪切阈值 ］。伽马校正的方法可以增强图像的对比度，但 是对于光照不均匀的图像，伽马校正的方法经受到过饱和／ 欠饱和问题的困扰 ”］。非锐化掩膜的方法可以增强图像 的细节和边缘，但是存在噪声放大的问题＿１ 。基于模糊 的方法利用模糊理论判断图像的亮度并区分出低亮度和高 亮度区域并分别进行处理，但是方法的运算复杂，而且影响 算法性能的关键参数的优化选取比较困难 。Ｒｅｔｉｎｅｘ 算法及其改进算法将一幅图像分解为光照分量和反射分 量，并把调整后的反射分量作为增强的结果，对于一般的光 照不均匀图像具有较好的增强效果，可以有效增强暗处区 域内的细节信息。但是这类算法运算复杂度过高，而且受到 “光晕”效应以及暗处噪声放大等问题的困扰 。文献［１９］ 提出了一种基于空间可变照度图（ｓｐａｃｅ—ｖａｒｉａｎｔ ｌｕｍｉｎａｎｃｅ ｍａｐ，ＳＶＬＭ）的校正方法，可以有效提高光照过暗区域图 像的亮度，并降低光照过亮区域图像的亮度，具有很好的 亮度校正效果，但是这种算法存在两个方面的不足：①由 于所用的高斯滤波函数边缘保持能力差导致提取出来的 光照分量边缘模糊的问题；②光照校正时将光照分量的均 值人为地设置为１２８，导致对光照过高或者过低的局部区 域产生过增强／Ｘ增强的问题。为了解决上述两个问题， 本文基于快速引导滤波算法具有良好的边缘保持特性和 最低的运算复杂性的优势，利用快速引导滤波算法快速准 确地提取出场景的光照分量，然后构造了一种改进的二维 伽马函数，并利用每个像素点上的光照分量值动态地调整 二维伽马函数的参数，对该像素点的亮度分量值进行自适 应的校正处理，降低光照过亮区域图像的亮度值并提高光 照过暗区域图像的亮度值，有效地改善图像的视觉效果并 提高图像的质量。 １光照分量的提取 １．１光照一反射成像模型 数字图像可以用一个二维函数Ｆ（ｘ， ）表示，每一点处 的函数值就是该点处图像的亮度值。由光学成像原理可知， 可见光图像是由场景的光照分量经物体表面反射后到达成 像单元（如电荷耦合原件（ｃｈａｒｇｅｄ－ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉ 