一种水中低信噪比图像中标准月牙形残缺气泡修补方法

摘要

本发明公开了一种水中低信噪比图像中标准月牙形残缺气泡修补方法，该方法包括以下4个步骤：对图像中的标准月牙形残缺气泡进行分析，根据粒径大小、图像分辨率、视场角及成像系统与气泡间的距离，在月牙形残缺气泡边缘，选择不同数量的点进行曲率计算；对得到的标准月牙形残缺气泡按两种类型进行分类；分别对两类标准月牙形残缺气泡计算修整曲率。选取两个相距较远并包含在一定曲率范围内的点，通过上述修整曲率计算切线角度，两切线垂线的交点为圆心；根据计算得到的圆心位置、修整曲率、半径等参量，修补气泡图像。从而实现对水下低信噪比图像的高质量应用。

权利要求

1.一种水中低信噪比图像中标准月牙形残缺气泡修补方法，从而实现对水下低信噪比图像的高质量处理，其特征是：

1)选取残缺气泡边缘中需计算曲率的点

根据不同粒径大小、图像分辨率、视场角及成像系统与气泡间的距离，选择不同数量的点进行曲率计算，

2)对标准月牙形残缺气泡分类

根据残缺部分曲线的曲率及残缺部分是否超过一半气泡圆周的制约条件，对标准月牙形残缺气泡进行分类：①残缺边缘小于、等于或大于半个圆周，且残缺部分曲率大于或小于气泡曲率；

②残缺边缘小于半个圆周，且残缺部分曲率等于气泡曲率；

3)计算修整曲率及圆心位置

根据第一步方法选择①、②类标准月牙形残缺气泡中的点并进行曲率计算， 将得到的曲率值进行统计，根据统计结果得到分布数量最多的曲率范围，并根据每个值的权重计算均值，得到修整曲率， 由于第②类标准月牙形残缺气泡的残缺部分的边缘曲率与气泡的曲率相同，所以统计结果不会存在两类差别较大的数值，所以在统计结果中根据所有值的权重计算均值，得到修整曲率， 选取两个相距较远并包含在非残缺曲线上的点，通过修整曲率结果计算切线角度，两切线的垂线交点则为圆心。

说明书

一种水中低信噪比图像中标准月牙形残缺气泡修补方法

技术领域

[0001] 本发明涉及水下成像及图像处理技术，尤其涉及水中低信噪比图像中标准月牙形残缺气泡的修补方法。

背景技术

[0002] 光在水体中有特殊的传输特性，其在水中的衰减及水中颗粒、水分子对光的散射所形成背景光使得成像效果大打折扣。针对水下成像对比度低、光照不均匀、信噪比低等特点，水中气泡图像往往都是残缺的，残缺程度不一，对图像中气泡的提取与分割效果带来难以消除的影响，所以对水下图像中的残缺气泡进行修补是水中图像高质量利用的极其重要一环。

[0003] 本专利针对水下获取气泡图像中存在大量残缺气泡影响后续统计分析效果的问题，重点围绕标准月牙形残缺气泡，利用形态学及统计学方法，对其进行修补，重现完整气泡，提升图像质量，为后续气泡图像的处理提供技术支撑。

发明内容

[0004] 本发明的目的是建立一种水中低信噪比图像中标准月牙形残缺气泡修补方法，针对图像中气泡残缺程度，采用不同策略的形态学及统计学方法，完成对其修补，从而提升气泡图像质量，实现低信噪比气泡图像的高质量应用，为增强水中图像气泡提取效果奠定技术基础。其中，标准月牙形残缺是指由其他气泡遮挡或光源角度不理想造成的圆弧形边缘残缺。该发明的技术方案是：

[0005] 1)选取残缺气泡边缘中需计算曲率的点

[0006] 针对图像中的月牙形残缺气泡进行分析，根据不同粒径大小、图像分辨率、视场角及成像系统与气泡间的距离，在月牙形残缺气泡边缘，选择不同数量的点进行曲率计算：

[0007] 完整气泡圆周所占像素数m：

[0008]

[0009] 其中r为气泡粒径，D为成像设备到气泡的距离，α为视场角的一半，n为视场角方向垂直于中心从上到下所在线段中像素总数，π为圆周率。

[0010] 以2m/3取整作为要均匀选取点的数量，可根据实际残缺部分占比情况进行调整，但数量不少于m/2。

[0011] 2)对标准月牙形残缺气泡分类

[0012] 由于采集的水中图像的气泡残缺主要是由于其他气泡遮挡、光源角度等原因造成，对得到的标准月牙形残缺气泡按以下两种类型进行分类：

[0013] ①残缺边缘小于、等于或大于半个圆周，且残缺部分曲率大于或小于气泡曲率；

[0014] ②残缺边缘小于半个圆周，且残缺部分曲率等于气泡曲率。

[0015] 3)修整曲率及圆心位置计算

[0016] 对第①类标准月牙形残缺气泡，根据第一步的方法选择点并进行曲率计算。将得到的曲率值进行统计，根据统计结果得到分布数量最多的曲率范围，并根据每个值的权重计算均值，得到修整曲率。

[0017] 选取两个相距最远并包含在上述曲率范围内的点，通过修整曲率结果计算切线角度，两切线的垂线交点则为圆心；

[0018] 对第②类标准月牙形残缺气泡，根据第一步方法选择的点并进行曲率计算。将得到的曲率值进行统计，由于第②类标准月牙形残缺气泡的残缺部分的边缘曲率与气泡的曲率相同，所以统计结果不会存在两类差别较大的数值，所以在统计结果中根据所有值的权重计算均值，得到修整曲率。

[0019] 选取两个相距较远并包含在非残缺曲线上的点，距离值越接近直径效果越好，通过修整曲率结果计算切线角度，两切线的垂线交点则为圆心。

[0020] 4)修补标准月牙形残缺气泡

[0021] 根据计算得到的圆心位置、修整曲率、半径等参量，对标准月牙形残缺气泡进行修补。

附图说明

[0022] 图1为发明内容中第一步公式的各个参量于成像过程中的图示。

[0023] 其中1为气泡粒径，2为视场角范围垂直于中心从上到下所在线段中像素总数，3为视场角的一半，4为成像设备到气泡的距离，5为水下成像系统。

[0024] 图2为第一类标准月牙形残缺气泡典型图

[0025] 图3为第二类标准月牙形残缺气泡典型图

[0026] 图4为典型标准月牙形残缺气泡修补示意图

[0027] 在图2、3、4中实线轮廓为标准月牙形残缺气泡，6，8，9，11，12，14，为符合曲率范围的残缺气泡边缘的两点，7，10，13为修补完成的气泡圆心，虚线则为修补完成的气泡图形。

具体实施方式

[0028] 下面举例并结合附图进行详细描述：

[0029] 在水中可见光成像往往效果不佳，信噪比低。本发明的目的是建立一种基于水中低信噪比月牙形残缺气泡图像修补方法，提高水中图像质量，实现对水下低信噪比图像的高质量应用。该方法包括以下技术路径：

[0030] 1)选取残缺气泡边缘中需计算曲率的点

[0031] 针对图像中的月牙形残缺气泡进行分析，对在不同粒径的月牙形残缺气泡边缘，选择不同数量的点进行曲率计算，选择点的数量与残缺气泡粒径、图像分辨率、成像设备水中视场角及其与气泡之间的距离有关，以下列出三种典型粒径气泡的选点数量方法，其他大小的粒径气泡按照比例进行选取。

[0032] 完整气泡圆周所占像素数m：

[0033]

[0034] 其中r为气泡粒径，D为成像设备到气泡的距离，α为视场角的一半，n为视场角方向垂直于中心从上到下所在线段中像素总数，π为圆周率。

[0035] 如图4中的典型标准月牙形残缺气泡图形，当气泡粒径为3mm左右，此时计算m值为128.2，在月牙形残缺气泡边缘上均匀选取85个点，分别进行曲率计算。

[0036] 2)对标准月牙形残缺气泡分类

[0037] 由于采集的水中图像的气泡残缺主要由于其他气泡遮挡、光源角度等原因造成，对得到的标准月牙形残缺气泡按以下两种类型进行分类；

[0038] ①残缺边缘小于、等于或大于半个圆周，且残缺部分曲率大于或等于气泡曲率；

[0039] ②残缺边缘小于半个圆周，且残缺部分曲率等于气泡曲率。

[0040] 显然图4中的典型标准月牙形残缺气泡图形属于第①类。

[0041] 3)计算修整曲率及圆心位置

[0042] 对典型标准月牙形残缺气泡，根据第一步的方法选择点并进行曲率计算。将得到的曲率值进行统计，根据统计结果得到分布数量最多的曲率范围，并根据每个值的权重计算均值，得到修整曲率。选取两个相距最远并包含在上述曲率范围内的点，通过修整曲率结果计算切线角度，两切线的垂线交点则为圆心；

[0043] 4)修补标准月牙形残缺气泡

[0044] 根据计算得到的圆心位置、修整曲率、半径等参量，对标准月牙形残缺气泡进行修补。修补效果如图4中虚线部分。

[0045] 由此可见，本发明的方法可实现对水中低信噪比图像中标准月牙形残缺气泡修补，提升水中气泡图像质量，实现低信噪比气泡图像的高质量应用，为增强水中图像气泡提取效果奠定技术基础。