【阅读笔记】低照度图像增强-《Fast efficient algorithm for enhancement of low lighting video》
本文介绍的是一种比较实用的低照度图像增强效果很好的方法,Xuan Dong论文《Fast efficient algorithm for enhancement of low lighting video》
概述
低光照图像取反(255 - 低光照图像),和有雾图像存在一些共性,比如在天空或者遥远的背景这些地方,亮度值都是很高的,但在近景的 RGB 三通道中至少有一个亮度值很低。作者提出直接用去雾算法对低光照图像的反转图像处理,去雾结果再取反得到低照度增强结果。

低照度图像增强算法
大气散射模型
大多透雾算法基于大气散射模型,模型如下:
I
(
x
)
=
J
(
x
)
t
(
x
)
+
A
(
1
−
t
(
x
)
)
I (x) = J (x)t(x) + A(1 − t(x))
I(x)=J(x)t(x)+A(1−t(x))
其中,
I
(
x
)
I(x)
I(x)表示含雾图,
J
(
x
)
J(x)
J(x)表示无雾图,
A
A
A表示大气光模型,
t
(
x
)
=
e
−
β
d
(
x
)
t(x)=e^{- \beta d(x)}
t(x)=e−βd(x)表示传输率矩阵,
β
\beta
β 表示大气散射系数,
d
(
x
)
d(x)
d(x)表示图像区域的景深。雾越浓,到达相机的物体反射的光越少,即传输率越小。
上式可以改写为:
J
(
x
)
=
I
(
x
)
−
A
t
(
x
)
+
A
J (x) = \frac{I (x) - A}{t(x)}+A
J(x)=t(x)I(x)−A+A
为了得到
J
(
x
)
J(x)
J(x),重点在估计
A
A
A和
t
(
x
)
t(x)
t(x)。
暗通道先验知识:
在大部分无雾图像的无天空区域,像素中至少存在一个颜色通道存在很低非常低的亮度值。这个最低的亮度值几乎等同于0。因此,对于一个观测图像J,其暗通道趋近于0,即
J
d
a
r
k
(
X
)
=
m
i
n
y
∈
Ω
(
x
)
(
m
i
n
c
∈
r
,
g
,
b
J
c
(
y
)
)
→
0
J^{dark}(X) = min_{y \in \Omega (x)}(min_{c \in {r,g,b }} J^{c}(y)) \to 0
Jdark(X)=miny∈Ω(x)(minc∈r,g,bJc(y))→0
其中,
J
c
J^{c}
Jc表示彩色图像每个通道,
Ω
(
x
)
\Omega(x)
Ω(x)表示以
x
x
x为中心的窗口
透雾算法
基于大气散射模型,透雾模型的方法步骤如下:
1、从雾图I (x) 估计传输率矩阵t(x)
2、估计大气光值A
3、通过公式估计无雾图J(x)
首先求出每个像素RGB分量中的最小值,存入一副和原始图像大小相同的灰度图中,然后再对这幅灰度图进行最小值滤波,滤波的半径由窗口大小决定,一般有
W
i
n
d
o
w
S
i
z
e
=
2
∗
R
a
d
i
u
s
+
1
WindowSize = 2 * Radius + 1
WindowSize=2∗Radius+1
将雾模型
I
(
x
)
=
J
(
x
)
t
(
x
)
+
A
(
1
−
t
(
x
)
)
I (x) = J (x)t(x) + A(1 − t(x))
I(x)=J(x)t(x)+A(1−t(x))
处理为:
I
c
(
x
)
A
c
=
J
c
(
x
)
A
c
t
(
x
)
+
1
−
t
(
x
)
\frac{I^{c} (x)}{A^{c}} = \frac{J^{c} (x)}{A^{c}}t(x) + 1 − t(x)
AcIc(x)=AcJc(x)t(x)+1−t(x)
假设在窗口内透射率$ t(x)
为常数,定义为
为常数,定义为
为常数,定义为\tilde t(x)
,
,
,A$值已知。对上式求两次最小值运算,得到
m
i
n
y
∈
Ω
(
x
)
(
m
i
n
c
I
c
(
y
)
A
c
)
=
t
~
(
x
)
m
i
n
y
∈
Ω
(
x
)
(
m
i
n
c
J
c
(
y
)
A
c
)
+
1
−
t
~
(
x
)
\underset {y \in \Omega (x)}{min}(\underset{c}{min} \frac{I^{c} (y)}{A^{c}}) = \tilde t(x) \underset {y \in \Omega (x)}{min}(\underset{c}{min} \frac{J^{c} (y)}{A^{c}})+ 1 − \tilde t(x)
y∈Ω(x)min(cminAcIc(y))=t~(x)y∈Ω(x)min(cminAcJc(y))+1−t~(x)
根据暗原色先验理论
J
d
a
r
k
(
x
)
=
m
i
n
y
∈
Ω
(
x
)
(
m
i
n
c
J
c
(
y
)
)
=
0
J^{dark}(x) = \underset {y \in \Omega (x)}{min}(\underset{c }{min} J^{c}(y)) = 0
Jdark(x)=y∈Ω(x)min(cminJc(y))=0
推导出
m
i
n
y
∈
Ω
(
x
)
(
m
i
n
c
J
c
(
y
)
A
c
)
=
0
\underset {y \in \Omega (x)}{min}(\underset{c }{min} \frac{J^{c}(y)}{A^{c}}) = 0
y∈Ω(x)min(cminAcJc(y))=0
带入透射率为常数的公式,得到透射率预估值
t
~
(
x
)
=
1
−
m
i
n
y
∈
Ω
(
x
)
(
m
i
n
c
I
c
(
y
)
A
c
)
\tilde t(x) = 1-\underset {y \in \Omega (x)}{min}(\underset{c }{min} \frac{I^{c}(y)}{A^{c}})
t~(x)=1−y∈Ω(x)min(cminAcIc(y))
上式添加一个限制系数,得到
t
~
(
x
)
\tilde t(x)
t~(x):
t
~
(
x
)
=
1
−
ω
m
i
n
y
∈
Ω
(
x
)
(
m
i
n
c
I
c
(
y
)
A
c
)
\tilde t(x) = 1-\omega\underset {y \in \Omega (x)}{min}(\underset{c }{min} \frac{I^{c}(y)}{A^{c}})
t~(x)=1−ωy∈Ω(x)min(cminAcIc(y))
ω
\omega
ω取值0.95
以上假设全球达气光A值时已知的,在实际中,我们可以借助于暗通道图来从有雾图像中获取该值。具体步骤如下:
1)从暗通道图中按照亮度的大小取前0.1%的像素。
2)在这些位置中,在原始有雾图像I中寻找对应的具有最高亮度的点的值,作为
A
A
A值。
算法参数优化
文中自适应调节
t
(
x
)
t(x)
t(x),如下式
t
′
(
x
)
=
{
2
∗
t
(
x
)
,
0
<
t
(
x
)
<
0.5
1
,
0.5
<
t
(
x
)
<
1
t'(x) = \begin{cases} 2*t(x),0<t(x)<0.5\\1,0.5<t(x)<1 \end{cases}
t′(x)={2∗t(x),0<t(x)<0.51,0.5<t(x)<1
优化
t
(
x
)
t(x)
t(x)如下,增强暗区提亮,亮区微处理,效果更好
t
′
(
x
)
=
{
t
(
x
)
2
∗
2
,
0
<
t
(
x
)
<
0.5
t
(
x
)
,
0.5
<
t
(
x
)
<
1
t'(x) = \begin{cases} t(x)^2*2,0<t(x)<0.5\\t(x),0.5<t(x)<1 \end{cases}
t′(x)={t(x)2∗2,0<t(x)<0.5t(x),0.5<t(x)<1
效果对比



图、测试图像1、原文处理效果、算法优化处理效果



图、测试图像2、原文处理效果、算法优化处理效果



图、测试图像3、原文处理效果、算法优化处理效果 ## 算法总结 简单易实现的增强算法,普世性较好,透雾算法处理部分兼容各种透雾算法。
算法实现参考
https://github.com/AomanHao/ISP_Low_Light_Image_Enhancement
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