摘  要： 戶外視覺(jué)系統(tǒng)采集圖像時(shí)，容易受到低照度等因素的影響,，導(dǎo)致捕獲的圖像退化,，視見(jiàn)度降低。本文提出了一種基于雙目立體視覺(jué)的圖像增強(qiáng)算法,。該算法首先通過(guò)立體匹配處理求解場(chǎng)景視差圖像，然后構(gòu)建廣義雙邊濾波估計(jì)圖像照度分量,，根據(jù)Retinex原理求解圖像反射分量,，實(shí)現(xiàn)圖像的增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明,，該算法能夠有效地改善圖像質(zhì)量,，提高雙目視覺(jué)系統(tǒng)工作的魯棒性和可靠性。

　　關(guān)鍵詞： 圖像增強(qiáng),；Retinex,；雙目立體視覺(jué)；立體匹配

0 引言

　　雙目立體視覺(jué)直接模擬人類雙眼處理景物的方式,，可靠簡(jiǎn)便,，在許多領(lǐng)域均極具應(yīng)用價(jià)值，如人機(jī)交互,、視頻監(jiān)控,、智能控制、三維測(cè)量,、機(jī)器人導(dǎo)航與航測(cè)以及虛擬現(xiàn)實(shí)等,。雙目立體視覺(jué)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)的一個(gè)重要分支，其原理是由不同位置的兩臺(tái)攝像機(jī)或者一臺(tái)攝像機(jī)（CCD）經(jīng)過(guò)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場(chǎng)景,，通過(guò)計(jì)算機(jī)空間點(diǎn)在兩幅圖像中的視差,，獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。

　　目前,，對(duì)于雙目立體視覺(jué)的研究主要集中在特征匹配[1-2],、攝像機(jī)標(biāo)定,、三維重建[3]等方面，對(duì)于圖像增強(qiáng)領(lǐng)域卻鮮有研究,。在實(shí)際應(yīng)用中,，普遍采用單幅圖像的圖像增強(qiáng)算法，這類方法對(duì)圖像全局進(jìn)行統(tǒng)一處理,，由于沒(méi)有考慮場(chǎng)景的景深情況,，不能充分校正不同景深區(qū)域的對(duì)比度和顏色。

　　針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,，本文提出了一種基于雙目立體視覺(jué)的圖像增強(qiáng)算法,，主要針對(duì)低照度圖像進(jìn)行處理。該算法首先進(jìn)行立體匹配操作求解視差圖像,，通過(guò)視差圖像反映場(chǎng)景的深度信息,。根據(jù)Retinex原理[4]，將視差圖像作為反映場(chǎng)景深度的先驗(yàn)信息,，構(gòu)建廣義雙邊濾波估計(jì)圖像的照度分量,，從而獲得含物體本身特性的反射分量，即增強(qiáng)后的清晰圖像,。本文算法假設(shè)場(chǎng)景深度變化主要在于邊緣區(qū)域,，而非邊緣區(qū)域深度變化平緩。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該算法能夠利用估計(jì)的視差信息,，充分恢復(fù)不同景深的場(chǎng)景顏色與細(xì)節(jié)信息,。

1 本文算法

　　1.1 雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)

　　雙目立體視覺(jué)的基本原理是從兩個(gè)視點(diǎn)觀察同一景物，獲取兩幅同一場(chǎng)景的圖像,，根據(jù)像素點(diǎn)的相似性計(jì)算求解圖像像素間的位置偏差（視差）,，從而根據(jù)三角形法原理確定三維空間點(diǎn)的深度信息，進(jìn)而重建景物,，這一過(guò)程與人類視覺(jué)的立體感知過(guò)程相類似,。

　　雙目視覺(jué)系統(tǒng)如圖1所示，焦點(diǎn)分別為O1和O2的兩臺(tái)攝像機(jī)具有相同的參數(shù)性能,，同時(shí)光軸互相平行,、X軸互相重合、Z軸與左攝像機(jī)的光軸重合,，兩個(gè)攝像機(jī)焦距均為f,，它們之間的距離為B，I1和I2為左右攝像機(jī)的像平面,，P1和P2分別是空間點(diǎn)在左右像平面上的成像點(diǎn),。由相似三角形關(guān)系可導(dǎo)出深度信息方程：

　　式中，d=pl-pr為兩幅圖的視差,，焦距f通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定求得,。

　　在雙目立體視覺(jué)系統(tǒng)中,，立體匹配與三維重建等方面的研究最多，而對(duì)于圖像增強(qiáng)方面的研究也具有重要的理論與實(shí)際意義,，它直接影響到匹配操作的精度和速度,，同時(shí)，通過(guò)削弱場(chǎng)景中諸多因素的干擾,，如光照條件,，能夠?yàn)樽罱K的三維重建打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　由公式（1）可知,，通過(guò)對(duì)左右圖像進(jìn)行特征匹配,，就可以得到其視差信息，結(jié)合已知信息B和f,，即可獲得場(chǎng)景中目標(biāo)的深度,。因此，本文假設(shè)圖像包含的視差信息能夠較好地反應(yīng)場(chǎng)景深度,，將視差信息作為反映場(chǎng)景深度的先驗(yàn)信息施加到圖像增強(qiáng)處理過(guò)程中,。

　　1.2 立體匹配

　　立體匹配是尋找同一空間景物在不同視點(diǎn)下投影圖像中像素間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，一般包括匹配代價(jià)計(jì)算,、代價(jià)值聚集,、視差計(jì)算等步驟[5-6]。本文采用自適應(yīng)的方法,，結(jié)合SAD（Sum of Absolute Differences）和梯度特征的相似性測(cè)度因子[6]進(jìn)行匹配代價(jià)計(jì)算，即：

　　式中,，x表示圖像像素,，N（x）是在x處的3×3的包圍窗口，NH（x）是不包含最左一列的包圍窗口,，NV（x）是不包含最下一行的包圍窗口,。H表示水平梯度，V表示垂直梯度,。此時(shí),，匹配代價(jià)函數(shù)可以表示為：

　　其中，是最優(yōu)權(quán)值,，由最大化可靠對(duì)應(yīng)像素的數(shù)量來(lái)決定,，可靠像素是通過(guò)勝者為王（Winner-Takes-All，WTA）準(zhǔn)則來(lái)過(guò)濾的,，公式（4）經(jīng)過(guò)閾值法[6]處理之后最終得到初始視差圖像為,。在視差圖像計(jì)算方面，為了優(yōu)化其結(jié)果,，需要對(duì)視差圖像進(jìn)行平滑操作,，下面采用的是選擇性模式濾波器（Selective Mode Filter）[7],，從而獲得理想的視差圖像結(jié)果D。本文將視差圖像D引入到圖像增強(qiáng)操作中來(lái),。

　　1.3 基于Retinex原理的圖像增強(qiáng)處理

　　基于Retinex理論提出來(lái)的圖像增強(qiáng)方法具有高動(dòng)態(tài)范圍壓縮,、局部對(duì)比度增強(qiáng)、保持圖像顏色恒常性等優(yōu)點(diǎn)[4],。

　　Retinex理論認(rèn)為一幅圖像可分為兩部分,，即一幅圖像I可由反射分量R和照度分量L的乘積表示，即：

　　I（x）=R（x）L（x）（5）

　　其中,，照度分量的性質(zhì)取決于光源,，決定了圖像的動(dòng)態(tài)范圍；反射分量的性質(zhì)則取決于成像物體的特性,，主要反映了圖像的細(xì)節(jié)信息,。Retinex原理的思想實(shí)際上就是去除或減少照度分量的影響，獲得包含較多細(xì)節(jié)信息的反射分量,。其計(jì)算過(guò)程在對(duì)數(shù)域上進(jìn)行：

　　logR（x）=logI（x）-logL（x）（6）

　　上述反射分量的求解在數(shù)學(xué)上是一個(gè)奇異問(wèn)題,，因此需要把求解問(wèn)題變成約束最優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)對(duì)照度分量的準(zhǔn)確估計(jì)進(jìn)行反射分量的求解,。由于照度分量具有局部平滑的性質(zhì),，因此對(duì)它的估計(jì)可以看作為平滑問(wèn)題，本文采用廣義雙邊濾波求解照度分量,。

　　雙邊濾波的理論是Tomasi和Manduchi[8]于1998年提出的,，該理論同時(shí)考慮了空間鄰近度與像素值相似度，是一種邊緣保持的非迭代平滑濾波方法,。本文采用的廣義雙邊濾波則是結(jié)合了視差值相似度與像素值相似度進(jìn)行平滑操作,，其形式定義為：

　　式中，為高斯函數(shù),，表示隨著視差值差異以及灰度差值的增大,，圖像像素的權(quán)重逐漸減小。

　　公式（6）,、（7）的計(jì)算需要將圖像由RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到HSV（Hue,，Saturation，Value）顏色空間下,，僅對(duì)亮度分量進(jìn)行處理,，而獲得的飽和分量與色調(diào)分量保持不變，在獲得反射分量后,，再將圖像由HSV顏色空間轉(zhuǎn)換到RGB顏色空間,，即可獲得增強(qiáng)后的圖像。

2 實(shí)驗(yàn)仿真與分析

　　為驗(yàn)證本文算法的有效性,，在MATLAB平臺(tái)上進(jìn)行圖像處理實(shí)驗(yàn),，主要針對(duì)低照度圖像進(jìn)行處理,。圖2（a）、（b）為存在視差的參考圖像,；（c）為獲得的初始視差圖像,；（d）為優(yōu)化后的視差圖像；（e）為圖（b）的照度分量,；（f）為圖（b）的圖像增強(qiáng)結(jié)果,。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，本文算法能夠根據(jù)場(chǎng)景深度的差異,，再現(xiàn)場(chǎng)景的真實(shí)顏色,，以及增強(qiáng)低照度區(qū)域的細(xì)節(jié)信息。

3 結(jié)論

　　本文將雙目立體視覺(jué)原理應(yīng)用于低照度圖像的增強(qiáng)上,，將視差圖像作為場(chǎng)景深度的先驗(yàn)信息,，在估計(jì)圖像照度分量的時(shí)候，提供了約束條件,，構(gòu)建了廣義雙邊濾波,，更加充分地恢復(fù)了圖像細(xì)節(jié)信息。該算法具有較高的魯棒性,，能夠較好地改善雙目視覺(jué)系統(tǒng)的工作能力,，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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