非均匀光照补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种非均匀光照补偿方法，用于公共安全与防范以及视频分析与理 解。属于智能信息处理技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着监控摄像机的日益普及，基于视觉的场景目标检测与识别研究十分活跃。但 由于在非限制条件下，光照变化多样且复杂，导致由摄像机获取的图像质量难有效应用于 公共安全与防范以及视频分析与理解。
[0003] 非均匀光照图像的光照补偿，迄今为止仍是一项极具挑战性的工作，一直受到国 内外研究人员的广泛关注。目前主要可分为如下两类：多光谱传感器图像融合和单传感器 图像光照增强。其中，多光谱传感器图像融合对硬件设备要求高，不适用于普通视觉电子产 品；而单传感器图像光照增强，包括：频域增强和空域增强。其中，频域增强虽可获得较好 的亮度动态特性，但算法复杂、实时性差、亮度变化大；空域增强虽可通过全局增强方法对 直方图进行调整，提高图像的对比度和调节图像的亮度，但却不利于非均匀光照情形；为克 服全局增强方法的不足，采用区域增强方法，虽可调节和恢复图像中暗区域的亮度，但往往 会抑制图像的对比度和亮度动态范围。因此，目前如何在恢复非均匀光照图像的亮度的同 时，使图像具有良好的对比度和亮度动态范围，并有效应用于公共安全与防范以及视频分 析与理解，仍是智能信息处理技术领域中亟待解决的挑战性难题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对目前非均匀光照补偿方法存在的局限与不足，提供一种非 均匀光照补偿方法，利用局部环境光估计，获取光照补偿结构图，通过对比度调整，进行光 照补偿，获取光照均匀分布图像。
[0005] 为达到上述目的，本发明的构思是：根据图像光谱特性分布，采用光照补偿结构图 及对数直方图均衡化，调整图像灰度强度值的对比度，进行光照补偿，获取光照均匀分布图 像。
[0006] 根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
[0007] -种非均匀光照补偿方法，其特征在于：根据图像光谱特性分布，采用光照补偿结 构图及对数直方图均衡化，调整图像灰度强度值的对比度，进行光照补偿，获取光照均匀分 布图像；具体步骤如下：
[0008] 1)启动视频采集系统：采集视频彩色图像序列；
[0009] 2)色彩空间转换：由RGB彩色空间的红R、绿G、蓝B三分量，确定HSV色彩空间的 色调分量H、饱和度分量S以及亮度分量V:
[0010]
[0013] V=max(R,G,B)；
[0014] 3)保持H分量和S分量不变，对V分量进行对数直方图均衡化；
[0015] 4)局部环境光估计，获取光照补偿结构图；
[0016] 5)对比度调整；
[0017] 6)将HSV色彩空间，转换至RGB色彩空间。
[0018] 上述步骤3)的具体操作步骤如下：
[0019] (1)V分量直方图概率统计：
[0021] 其中，η为图像像素总数，nk为第k个灰度级的像素数；
[0022] (2)直方图概率归一化：
[0024] 其中，pmax，pmin分别代表直方图概率p(k)的最大值和最小值；
[0025] (3)直方图对数变换：
[0026]Hg= 1η(Τη(ρ(1〇)+ξ)，其中，In为自然对数运算符，ξ为常数；
[0027] (4)直方图均衡化变换：
[0029] (5)根据步骤（4)，获取直方图均衡分布的V分量I;
[0030] 上述步骤4)的具体操作步骤如下：
[0031] (1)对步骤3)的V分量I，进行对数变换：
[0032] Q=ΙηΙ=Ιη^+ΙηΙ；
[0033] 其中，L为I的反射分量强度，Ii为I的照射分量强度；
[0034] (2)提取I的反射分量Qr:Qr=Tn(Q);
[0035] (3)获取光照补偿结构图Ilcs:
[0036] 其中，hn为二维高斯滤波器，为卷积运算符；
[0037] 上述步骤5)的具体操作步骤如下：
[0038] (1)光照补偿：
[0039] Llcs=I+(QrXIlc)Y
[0040] 其中，γ为常数；
[0042] (3)根据步骤（2)，获取直方图均衡分布的亮度VF;
[0043] 上述步骤6)的具体操作步骤如下：
[0044] (1)结合步骤2)确定的Η分量、S分量和步骤5)获取的VF分量，分别计算Η1:
其中，mod为模除运算符，υ为向下取整运算符，
[0048] (2)根据步骤（1)，计算RGB色彩空间中的R、G、B分量，获取RGB彩色图像：
[0049]
[0050] 本发明的原理如下：
[0051] 根据Retinex理论，人类感知某点的颜色和亮度，并不仅仅取决于该点进入人眼 的绝对光线，还和其周围的颜色和亮度有关，即物体的颜色由物体对长波（红）、中波（绿） 和短波（蓝）光线的反射特性决定，而不由反射光强度的绝对值决定，且物体的色彩不受非 均匀性光照的影响，一致性强。因此，可通过彩色空间转换，将由RGB彩色空间的红R、绿G、 蓝B三分量，确定HSV色彩空间的色调分量H、饱和度分量S以及亮度分量V，保持Η分量和 S分量不变，仅对V分量进行相关后续处理。
[0052] 由Retinex理论知：原始图像I的亮度分量，亦称为灰度强度分量，由反射分量Ir 和照射分量Ii按如下形式组合=LXL。
[0053] 根据图像反射分量Ir和照射分量Ii特点：当照明光源远离物体时，照射分量Ii 的变化较小，取对数后可近似为常数；反射分量Ir的变化较大，其对数变化后的结果分布 在曲率近似常数的直线部分范围。因此，可通过提取反射分量并对其后续处理，消除光照不 均匀变化影响。
[0054] 为从原始图像I中提取出反射分量U将图像I转换至对数域，从而将上述乘积关 系转换为和的关系，即：Q=InI=In1,1ηI;
[0055] 根据归一化运算
其中，pmax，pmin分别代表P的最大值和最 小值。
[0056] 由归一化运算知：Tn(p) =Tn(aXp+b)，其中a和b均为常数，因此，可得反射分量 的估计Tn(Q)。
[0057] 根据人类视觉感知空间某点的亮度，不仅与该点本身亮度I有关，且与周围邻近 的亮度相关，获取光照补偿结构图Ils:
[0058] 其中，hn为二维高斯滤波器，_为卷积运算符。
[0059] 通过光照补偿结构图L。，结合光照反射分量估计值化，并通过亮度特征控制参数 γ，还原图像I的亮度：L1CS=I+(Q'Ilcsr，其中，γ为常数。
[0060] 为使其亮度范围最大化并增强对比度，对进行如下对数直方图均衡化：
[0062] 根据上述直方图均衡化映射，获取直方图均衡分布的亮度VF。
[0063] 在此基础上，通过彩色空间转换，由HSV彩色空间的色调分量H、饱和度分量S以及 上述所确定的亮度分量VF，确定RGB色彩空间中的红R、绿G、蓝B三分量。
[0064] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本 发明根据图像光谱特性分布，利用光照补偿结构图，将图像全局增强和图像的反射分量估 计进行融合，在仅对需要光照补偿的暗亮度区域进行光照补偿的同时，进行图像全局增强， 有效融合了图像光照全局增强方法和局部光照增强方法的各自优点。本发明的方法简便、 灵活