基于灰度级显著度权重的红外图像增强方法及系统与流程

1.本发明属于红外图像处理技术领域，具体设计一种基于灰度级显著度权重的红外图像增强方法及系统。


背景技术：

2.大部分的红外图像都存在对比度较低、视觉效果模糊、空间相关性强的等问题，需要对完成了非均匀性校正的红外图像进行增强，以提高图像质量和目标清晰度。目前，红外图像增强的方法按照算法的操作域，可以分为空间域(spatial domain)方法和频率域(frequency domain)方法两类。
3.根据图像增强时对灰度级的映射方式，可以将空间域方法分为两类：全局映射方法(global
‑
mapping)和局部映射(local
‑
mapping)方法。在全局映射方法中，直方图均衡(histogram equalization,he)是应用最为广泛的方法，其改进型众多，可以在一定程度上减少各灰度级之间出现概率的差距，但是在安全监控、军事侦查等领域中，目标通常距离远、在图像中所占像素数少，基于概率直方图的方法无法充分增强目标与背景之间的对比度，因而不能完全满足红外热成像应用的需求。
4.拉普拉斯锐化和数字细节增强等传统的边缘增强方法就属于局部映射方法。通过直接改变像素灰度值的局部波形来实现图像增强，然而可能会丢失红外图像的相对热分布信息，增强后的图像中，像素值的大小无法反映出热辐射的相对大小。
5.频率域方法可以有效抑制背景部分集中的低频区域的信息，同时保留目标和噪声集中的高频区域的信息。但是该方法容易产生“振铃”现象，图像整体也有可能变得模糊。与空间域方法相比，变换域图像预处理算法在精细分析图像数据获得更多信息的同时伴随着算法运算量、存储量大和实时性差的缺点，不适用于实时性要求较高的场合。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提出了一种基于灰度级显著度权重的红外图像增强方法，用于解决目标在图像中所占像素数少的应用场景下，无法充分增强目标与背景之间的对比度的问题。
7.本发明第一方面，提出一种基于灰度级显著度权重的红外图像增强方法，所述方法包括：
8.获取红外图像各灰度级所包含的显著度值，建立各灰度级的显著度集合；
9.使用百分位的方式计算各灰度级的显著度权重；
10.采用自适应门限调节部分灰度级的显著度权重；
11.基于调节后的灰度级显著度权重来实现图像增强。
12.优选的，所述获取红外图像各灰度级所包含的显著度值，建立各灰度级的显著度集合具体包括：
13.根据红外图像的前景和背景建立显著度图u；
14.根据显著度图，将属于同一灰度级的像素点的显著度值收集到一个集合中，建立各灰度级的显著度集合：
15.e(l)＝{u(i,j)|(i,j)∈z(l)}
16.其中l＝0,1,
…
，l
‑
1表示灰度级，l为最大灰度级，(i,j)为空间坐标，u(i,j)为显著度图u中的显著度值，e(l)为灰度级l的显著度值的集合，z(l)表示灰度值为l的像素的坐标集合。
17.优选的，所述使用百分位的方式计算各灰度级的显著度权重具体包括：
18.将集合e(l)中的元素按升序排列；
19.预设百分位数θ；
20.令各灰度级的显著度权重为：
21.w(l)＝(1
‑
δa)u([a]) δa
·
u([a] 1)
[0022]
其中a＝[a] δa，[a]和δa分别是a的整数部分和小数部分，l
l
表示集合e(l)中的元素数量，u([a])为集合e(l)中百分位数[a]处对应的显著度值。
[0023]
优选的，所述采用自适应门限调节部分灰度级的显著度权重具体包括：
[0024]
通过自适应门限来增加数值低于预设权值门限的灰度级的显著度权重，自适应门限调节公式为：
[0025][0026]
其中w(l)为原灰度级的显著度权重，w
m
＝{w
m
(0),
…
,w
m
(k),
…
,w
m
(l)}是修改后的显著度权重，t
w
是权值门限，t
w
计算公式为：
[0027][0028]
其中是一个正比例系数，w
peak
为原显著度权重w(l)中最大的q个权值的平均值。
[0029]
优选的，所述基于调节后的灰度级显著度权重来实现图像增强具体包括：
[0030]
根据调节后的灰度级显著度权重建立以一张图像中某个灰度级的数量为横坐标、以对应的灰度级显著度权重值为纵坐标的直方图；
[0031]
计算相邻灰度级之间的数量差s；
[0032]
通过改变相邻灰度级的数量差来提高目标与背景之间的对比度；
[0033]
通过灰度级的全局映射来实现图像增强。
[0034]
优选的，所述通过改变相邻灰度级的数量差来提高目标与背景之间的对比度具体为：
[0035]
设图像中灰度级为k的数量为h(k)，将相邻灰度级之间的数量差记为s，则有：
[0036]
s(0)＝h(0)
[0037]
s(k)＝h(k)
‑
h(k
‑
1),k＝1，
…
，l
‑1[0038]
令c＝255/||w
m
||1，将相邻灰度级的数量差修改为s(k)＝c
·
w(k)，||
·
||1表示l1范数。
[0039]
优选的，所述通过灰度级的全局映射来实现图像增强具体为：
[0040]
修改相邻灰度级的数量差之后，则图像中灰度级为k的数量为：
[0041][0042]
通过灰度级的全局映射得到增强后的图像：
[0043]
r
re
(i,j)＝h(k
(i,j)
)
[0044]
其中r
re
(i,j)是增强后图像的在(i,j)处的像素值，k
(i,j)
表示增强前像素值r
(i,j)
在原始图像中对应的灰度级序号。
[0045]
本发明第二方面，公开一种基于灰度级显著度权重的红外图像增强系统，所述系统包括：
[0046]
显著度计算模块：用于获取红外图像各灰度级所包含的显著度值，建立各灰度级的显著度集合；
[0047]
权重计算模块：用于使用百分位的方式计算各灰度级的显著度权重；
[0048]
权重调节模块：用于采用自适应门限调节部分灰度级的显著度权重；
[0049]
图像增强模块：用于基于调节后的灰度级显著度权重来实现图像增强。
[0050]
本发明第三方面，公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；
[0051]
其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；
[0052]
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现如权利要求1～7任一项所述的方法。
[0053]
本方面第四方面，公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使计算机实现如权利要求1～7任一项所述的方法。
[0054]
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
[0055]
1)本发明针对目标在图像中所占像素数少的应用场景，利用目标的显著度高、背景的显著度低的特性，提出了基于显著度权重的全局映射红外图像增强方法。根据各灰度级集合中的元素数量，使用百分位的方式计算各灰度级的显著度权重，该显著度权重中，目标相关灰度级的权值大于背景相关灰度级的权值，从而能够重点增强目标与背景之间的对比度；在以上显著度权重的基础上，为了避免增强后背景区域出现过于抑制、可能导致背景区域的图像细节丢失的问题，提出了基于自适应门限的显著度调节方法，自适应门限来增加数值过低的灰度级显著度权重，实现对比度增强与背景区域抑制的平衡；
[0056]
2)本发明通过改变相邻灰度级的数量差来提高目标与背景之间的对比度，通过调节相邻灰度级的数量差来均衡各灰度级的像素数量，最后通过灰度级的全局映射来实现图像增强，增强后的图像可有效区分在图像中所占像素数少的目标区域，同时保留了背景区域细节特征，有效提高图像增强质量，不需要复杂运算即可快速实现图像增强，提高实时性。
附图说明
[0057]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
[0058]
图1为本发明基于灰度级显著度权重的红外图像增强方法流程图；
[0059]
图2为本发明采用自适应门限调节显著度权重之前的图像增强结果图；
[0060]
图3为本发明的图像增强方法与clahe算法的图像增强方法的效果比较图。
具体实施方式
[0061]
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0062]
在显著度提取的研究领域中，从图像中提取出的显著度图具有目标区域显著度，该特性可用于提高目标与背景间对比度。因此，针对目标在图像中所占像素数少的应用场景(例如目标距离远)，本发明提出了基于显著度权重的全局映射红外图像增强方法，利用目标的显著度高、背景的显著度低的特性，计算出一种新的灰度级显著度权重。在该显著度权重中，目标相关灰度级的权值大于背景相关灰度级的权值，从而能够重点增强目标与背景之间的对比度。
[0063]
请参阅图1，本发明一种基于灰度级显著度权重的红外图像增强方法，包括如下步骤：
[0064]
s1、获取红外图像各灰度级所包含的显著度值，建立各灰度级的显著度集合；
[0065]
s11、获取各灰度级所包含的显著度值。
[0066]
在显著度提取的计算中，将红外图像r建模为前景f(foreground)和背景b(background)的组合，形式如下：
[0067]
r＝f b
[0068]
对混合信号r的dct域系数进行sign函数运算，然后再反变换回空间域，得到：
[0069]
r
re
＝idct[sign[dct[r]]]
[0070]
接着用高斯核g进行平滑来建立显著度图u：
[0071][0072]
其中表示hadamard积，*是卷积运算符，其将u中的所有数值归一化到[0,1]数值区间内。
[0073]
s12、建立各灰度级的显著度集合。
[0074]
根据显著度图u，将属于同一灰度级的像素点的显著度值收集到一个集合中，建立各灰度级的显著度集合：
[0075]
e(l)＝{u(i,j)|(i,j)∈z(l)}
[0076]
其中l＝0,1,
…
，l
‑
1表示灰度级，l为最大灰度级数量，(i,j)为红外图像上像素点的空间坐标，u(i,j)为显著度图u中的显著度值，e(l)为灰度级l的显著度值的集合，z(l)表示灰度值为l的像素的坐标集合。
[0077]
s2、使用百分位的方式计算各灰度级的显著度权重；
[0078]
常规的图像增强方式中，由于噪声和显著度提取的准确度等因素的干扰，无法保证背景区域中的任意一个显著度值绝对小于目标区域中的所有显著度值。因此，本发明使
[0099]
s43、通过改变相邻灰度级的数量差来提高目标与背景之间的对比度；
[0100]
令c＝255/||w
m
||1，将相邻灰度级的数量差修改为s(k)＝c
·
w(k)，||
·
||1表示l1范数。
[0101]
通过参数c，一方面可将图像映射到[0,255]的动态范围内，另一方面可调节相邻灰度级的数量差。
[0102]
s44、通过灰度级的全局映射来实现图像增强。
[0103]
修改相邻灰度级的数量差之后，则图像中灰度级为k的数量为：
[0104][0105]
通过灰度级的全局映射得到增强后的图像：
[0106]
r
re
(i,j)＝h(k
(i,j)
)
[0107]
其中r
re
(i,j)是增强后图像的在(i,j)处的像素值，k
(i,j)
表示增强前像素值r
(i,j)
在原始图像中对应的灰度级序号。该全局映射方式借鉴了直方图均衡的原理，将直方图统计数据替换为本发明修改相邻灰度级的数量差之后得到的图像中灰度级为k的数量，最终实现图像增强。
[0108]
为了验证本发明的实施效果，将本发明基于灰度级显著度权重的红外图像增强与clahe算法的图像增强方法做了比较，如图3所示，图3为本发明的图像增强方案与clahe算法的图像增强方法的效果比较图，其中图(d)为原图、(e)为采用clahe算法的图像增强结果图、图(f)为采用本发明基于灰度级显著度权重的红外图像增强方法的图像增强结果图。比较三张图片可知，目标在图像中所占像素数少的应用场景下，采用本发明基于灰度级显著度权重的红外图像增强方法可有效增强原图片的对比度。且相对于传统clahe算法，本发明除了可进一步增强原图片前景区域与背景区域的对比度，还能在保留背景区域细节特征的前提下，使目标的显著度高于背景区域的显著度。
[0109]
与上述方法实施例相对应，本发明还公开一种基于灰度级显著度权重的红外图像增强系统，所述系统包括：
[0110]
显著度计算模块：用于获取红外图像各灰度级所包含的显著度值，建立各灰度级的显著度集合；
[0111]
权重计算模块：用于使用百分位的方式计算各灰度级的显著度权重；
[0112]
权重调节模块：用于采用自适应门限调节部分灰度级的显著度权重；
[0113]
图像增强模块：用于基于调节后的灰度级显著度权重来实现图像增强。
[0114]
以上方法实施例和系统实施例是一一对应的，系统实施例简述之处请参阅方法实施例即可。
[0115]
本发明针对目标在图像中所占像素数少的应用场景，利用目标的显著度高、背景的显著度低的特性，提出了基于显著度权重的全局映射红外图像增强方法及系统，可有效提高目标的显著度，并且保留背景区域的细节特征，不需要复杂运算即可有效提高图像增强质量。
[0116]
本发明还公开一种电子设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器、通信接口和总线；其中，所述处理器、存储器、通信接口通过所述总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以实现本发明前
述的基于灰度级显著度权重的红外图像增强方法。
[0117]
本发明还公开一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机实现本发明实施例所述基于灰度级显著度权重的红外图像增强方法的全部或部分步骤。所述存储介质包括：u盘、移动硬盘、只议存储器rom、随机存取存储器ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0118]
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以分布到多个网络单元上。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
[0119]
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。