摘要：水下激光距離選通成像中要對水下距離選通圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。水下圖像通常具有噪聲大、對比度差、照度不均勻的特點(diǎn)。通過分析水下圖像的成像特點(diǎn)，針對引起圖像降質(zhì)的因素進(jìn)行增強(qiáng)算法設(shè)計(jì)，提出了基于幀疊加去噪與雙平臺直方圖變換相結(jié)合的視頻增強(qiáng)算法?？蓪?shí)現(xiàn)目標(biāo)信息增強(qiáng)的同時抑制背景，將目標(biāo)和背景區(qū)別處理。算法以Xilinx 公司的XC5VLX50T 系列FPGA 芯片為核心，使用到了軟核Microblaze、片內(nèi)BLOCKRAM、外部SRAM 等資源設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，并已在水下選通成像系統(tǒng)中得到有效應(yīng)用。

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0 引言

水下激光距離選通成像技術(shù)是當(dāng)下較為成熟的水下光電成像技術(shù)之一，對于提高水下成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量具有良好的效果。水下距離選通成像技術(shù)的應(yīng)用，可以將水下光電成像設(shè)備的探測距離提高3～5倍。在水下激光距離選通技術(shù)的基礎(chǔ)上，選取適當(dāng)?shù)乃聢D像增強(qiáng)技術(shù)，將會使整個選通成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量得到大幅提升[1-3]。實(shí)時視頻增強(qiáng)技術(shù)在水下激光距離選通成像設(shè)備上的應(yīng)用，對激光選通成像技術(shù)的小型化應(yīng)用有著非常重要的意義。

1 水下選通圖像特點(diǎn)分析

水下距離選通圖像通常存在噪聲量大、對比度差、照明不均勻的特點(diǎn)。①噪聲量大：ICCD 中像增強(qiáng)管的使用雖然起到了圖像增強(qiáng)效果，但也為選通圖像引入了一定的電噪聲和光學(xué)噪聲[4]。②對比度差：當(dāng)距離選通成像設(shè)備達(dá)到探測極限時，盡管距離選通圖像上目標(biāo)區(qū)域的灰度值和背景區(qū)域的灰度值具有一定的差異，但由于差異過小、對比度較差，人眼很難直接區(qū)分。③照明不均勻：當(dāng)激光照明光斑面積小于目標(biāo)面積時，光斑內(nèi)的目標(biāo)會非常明亮，光斑外由激光的前向散射光照亮的區(qū)域則會顯得異常暗淡，不利于人眼觀察。

2 水下距離選通圖像增強(qiáng)算法仿真、對比

2.1 雙平臺直方圖均衡化算法

直方圖均衡化是從直方圖數(shù)據(jù)的角度，對原始圖像的對比度進(jìn)行調(diào)整。這種方法多用來提高圖像的局部對比度，當(dāng)圖像的灰度分布較集中時，該處理方法效果最為明顯。

雙平臺直方圖均衡化[5]是直方圖均衡化算法的優(yōu)化算法，該方法的特點(diǎn)是在統(tǒng)計(jì)直方圖時，對特定灰度級上的像素點(diǎn)個數(shù)設(shè)置2 個閾值，該閾值稱為平臺值，即：

式中：k 為當(dāng)前統(tǒng)計(jì)到的灰度級；P(k)為直方圖統(tǒng)計(jì)表中的累計(jì)直方圖；nk 為某個灰度級上的像素點(diǎn)個數(shù)；Nth1、Nth2 為平臺閾值；Np 為使用平臺法處理后的平臺像素總數(shù)（平臺像素總數(shù)并不等同于實(shí)際圖像像素?cái)?shù)N）。其中，閾值Nth1 用于抑制背景，當(dāng)某個灰度級像素個數(shù)超過該閾值時，算法認(rèn)為此灰度對應(yīng)的是背景。此時，該灰度級的統(tǒng)計(jì)數(shù)將維持在Nth1不變，以減小該灰度值對直方圖的影響。閾值Nth2用于防止細(xì)節(jié)信息丟失，當(dāng)某個灰度級上像素個數(shù)小于閾值Nth2 時，算法認(rèn)為該部分灰度是有效細(xì)節(jié)信息部分。此時，該灰度級的統(tǒng)計(jì)數(shù)將被提升到Nth2，從而增大該灰度值對直方圖的影響。

在對比度較差的水下激光距離選通圖像處理時，閾值Nth1 起主要作用；在照明不均勻的距離選通圖像處理時，閾值Nth1 用于抑制背景，閾值Nth2 用于減少激光光斑內(nèi)的細(xì)節(jié)信息丟失。

2.2 增強(qiáng)仿真效果主觀對比與評價

為了分析對比不同增強(qiáng)算法的效果，圖1 給出了基于實(shí)際水下激光距離選通圖像及其軟件算法增強(qiáng)圖像，其中，圖1(a)為4 幀疊加去噪[6]后的水下距離選通圖像，圖1(b)為線性拉伸[7]處理圖像，圖1(c)為對數(shù)拉伸處理圖像，圖1(d)為全局直方圖均衡化處理圖像，圖1(e)為局部直方圖均衡化處理[8]圖像，圖1(f)為雙平臺直方圖均衡化處理圖像。

結(jié)果表明：經(jīng)過增強(qiáng)后，原始圖的對比度都得到了不同程度的提升，但使用不同的增強(qiáng)算法處理后，增強(qiáng)效果差異較為明顯。圖1(b)的缺點(diǎn)是激光照射處的靶標(biāo)信息在增強(qiáng)后，出現(xiàn)了淹沒現(xiàn)象；圖1(c)在增強(qiáng)后光斑中心出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象；圖1(d)盡管整個畫面的對比度得到了增強(qiáng)，但是噪聲也被增強(qiáng)，不利于人眼觀察；圖1(e)光斑內(nèi)細(xì)節(jié)信息沒有丟失，有不錯的增強(qiáng)效果，但圖像整體偏暗；圖1(f)可觀察到整個靶標(biāo)的邊緣信息清晰可見，且激光光斑中心處的靶標(biāo)信息并未出現(xiàn)淹沒現(xiàn)象。

圖1 水下圖像的增強(qiáng)效果對比圖

2.3 增強(qiáng)效果的客觀對比與評價

針對圖 1 中的6 幅對比圖，本文選取3 個客觀評價參數(shù)對增強(qiáng)前后圖像進(jìn)行評價：

1）圖像熵，用于表征圖像信息豐富的程度，其定義為：

式中：H 代表圖像熵；N 代表灰度級總數(shù)；Pi 為灰度值為i 的像素?cái)?shù)與圖像總像素之比。圖像熵的大小與圖像包含的信息量豐富程度成正比。

2）平均梯度GF，用來描述圖像邊界或影線附近灰度的差異，用于表示圖像清晰度，反映圖像微小細(xì)節(jié)反差變化的速率。其定義為：

式中：F(i, j)為圖像的第i 行、第j 列的灰度值；M、N 分別為圖像的總行數(shù)和總列數(shù)。平均梯度越大，圖像層次越多，也就越清晰。

3）增強(qiáng)評價EME（Evaluation of Enhancement），該評價參數(shù)由德州大學(xué)Agaian 等提出[9]，通過計(jì)算圖像局域中最大和最小值之比的對數(shù)均值作為客觀評價結(jié)果，反映圖像局域灰度的變化程度。EME 數(shù)值越大，則圖像細(xì)節(jié)紋理越豐富，對比度越好。其評價方法的定義為：

式中：k1 和k2 分別表示水平和垂直方向分割的圖像子塊數(shù)；fmax;k,l 和fmin;k,l 表示(k, l)圖像子塊的最大和最小值；c 為避免分母為零而設(shè)置的常數(shù)。

如表 1 所示：在“平均梯度GF”和“增強(qiáng)效果評價EME”兩項(xiàng)上，全局直方圖均衡算法及其優(yōu)化的雙平臺算法的得分有明顯提升；局部直方圖均衡化算法在“熵”項(xiàng)上得分最高，但在“平均梯度”和“增強(qiáng)效果評價”兩項(xiàng)上提升不大。主觀和客觀的對比可以看出：全局直方圖均衡算法對圖像增強(qiáng)效果最為明顯，但增強(qiáng)后的圖像并不適合人眼觀察；雙平臺法通過設(shè)置高低兩個閾值，對全局直方圖均衡算法的增強(qiáng)效果進(jìn)行平衡，以犧牲部分圖像增強(qiáng)效果為代價，使增強(qiáng)后的圖像更適于人眼觀察。由此說明，本文的雙平臺直方圖均衡化算法對水下距離選通圖像具有良好的增強(qiáng)效果。

3 水下距離選通增強(qiáng)算法硬件實(shí)現(xiàn)

本文涉及手持式水下激光距離選通成像系統(tǒng)的控制與視頻圖像處理平臺是圍繞Xilinx 公司Virtex-5系列FPGA 芯片搭建的[10-11]。圖2(a)為通用圖像處理板實(shí)物圖，圖2(b)為通用圖像處理板工作流程圖。

圖2 通用圖像處理板及其工作流程圖

3.1 水下距離選通圖像增強(qiáng)算法FPGA 實(shí)現(xiàn)

為了獲取更好的增強(qiáng)效果，在進(jìn)行圖像增強(qiáng)前先使用了幀疊加去噪算法，將4 幀圖像疊加，使圖像功率信噪比提升了4 倍。雙平臺直方圖均衡化算法實(shí)現(xiàn)的過程中，共使用了4 片大小為512 k×18 的SRAM，和2 個大小為256 k×19 的BLOCKRAM，一個除法器。其中片內(nèi)BLOCKRAM 和片外SRAM 均采用108MHz 時鐘進(jìn)行控制。算法狀態(tài)流程如圖3 所示。狀態(tài)的描述如表2 所示，其中S_idle 是系統(tǒng)的默認(rèn)初始，用于等待PAL 制視頻有效信號到來，符合判定條件后，開始進(jìn)入增強(qiáng)處理環(huán)節(jié)。

3.2 水下激光距離選通圖像增強(qiáng)算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

水下激光距離選通成像系統(tǒng)的圖像增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室15 m 的水道內(nèi)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)中靶標(biāo)與成像系統(tǒng)的距離為13m，脈沖激光器單脈沖能量80 mJ，脈寬7 ns，重復(fù)頻率最大20 Hz；實(shí)測水道的水體濁度為1.3425NTU，水體衰減系數(shù)為0.47m－1。

在選通成像系統(tǒng)達(dá)到靶標(biāo)觀察極限時，分別采集非選通圖像、單幀選通圖像、單幀＋雙平臺法、四幀疊加＋雙平臺法的硬件處理視頻圖像如圖4 所示（處理中平臺值Nth1 為20000，Nth2 為100）。由圖4 可以看出：圖4(a)由于后向散射影響無法觀察到任何靶標(biāo)信息；圖4(b)包含有部分微弱的靶標(biāo)信息；圖4(c)可以分辨輪廓及部分靶面信息；圖4(d)輪廓清晰、靶面信息豐富；由圖4(b)、圖4(c)可知，雙平臺法對對比度差的選通圖像增強(qiáng)效果明顯；由圖4(c)和圖4(d)可知，幀疊加去噪算法可以大大改善增強(qiáng)效果。

針對水下選通圖像可能出現(xiàn)的“照明不均勻”的現(xiàn)象，本文也進(jìn)行了相應(yīng)的成像實(shí)驗(yàn)和增強(qiáng)處理，分別采集到了照明不均勻、四幀疊加＋全局直方圖均衡化、四幀疊加＋單平臺法、四幀疊加＋雙平臺法的圖像如圖5 所示，其中單平臺法只保留了閾值Nth1，而Nth2 值為0，用于與雙平臺法進(jìn)行對比，可反映閾值Nth2 對細(xì)節(jié)增強(qiáng)的影響。

圖3 雙平臺法狀態(tài)機(jī)流程圖

圖4 對比度差增強(qiáng)效果圖

圖5 照明不均勻增強(qiáng)效果

可以看出：圖 5(a)光斑內(nèi)靶面上的信息較為清晰，但光斑外靶標(biāo)的輪廓無法分辨；圖5(b)可分辨出靶標(biāo)的輪廓，但靶面上光斑內(nèi)的信息完全淹沒，且噪聲很大；圖5(c)圖像噪聲明顯下降，靶標(biāo)邊緣清晰，靶面大部分信息可見，但光斑內(nèi)有小部分信息丟失；圖5(d)相對于圖5(c)，靶標(biāo)中心光斑最亮處的信息依舊存在，沒有發(fā)生淹沒現(xiàn)象，且其他位置部分的增強(qiáng)效果良好。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文的水下激光距離選通圖像雙平臺直方圖增強(qiáng)算法效果良好，在“對比度差”情況下，經(jīng)過實(shí)時處理后，原來較難辨識的靶標(biāo)輪廓、靶面部分信息都可以被分辨出來；在“照明不均勻”情況下，既可增強(qiáng)光斑外的區(qū)域，又可保留光斑內(nèi)的細(xì)節(jié)信息，獲得更多的全視場信息。

4 結(jié)語

本文采用幀疊加＋雙平臺直方圖均衡化實(shí)時增強(qiáng)算法，實(shí)現(xiàn)了水下激光距離選通成像的圖像增強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)證明：在采用適當(dāng)?shù)膸B加方法有效降低距離選通圖像噪聲的基礎(chǔ)上，單平臺直方圖均衡化的處理效果優(yōu)于傳統(tǒng)的全局直方圖均衡化，而雙平臺直方圖均衡化的處理效果又優(yōu)于單平臺直方圖均衡化的效果。本文雙平臺直方圖均衡化算法已成功移植到實(shí)驗(yàn)室研制的水下激光距離選通成像系統(tǒng)的FPGA 控制與圖像處理平臺，對高性能水下選通成像設(shè)備的發(fā)展具有推進(jìn)作用。