本技术提出一种基于自适应亮度提升与高保真色彩校正的低照度图像增强方法。包括:构建训练数据集,对成对的低照度/正常照度图像进行数据增强,得到用于训练的图像数据集;设计基于自适应亮度提升与高保真色彩校正的低照度图像增强网络;设计用于训练所设计网络的损失函数;并使用训练数据集训练所设计网络;将待测低照度图像输入到训练好的网络中,生成正常照度图像。本发明利用自适应亮度提升策略以及多色彩空间约束下的色彩校正,能够在自适应增强图像亮度,并将图像色彩进行高保真校正,得到亮度合适且色彩高保真的高质量图像,有效解决了低照度图像亮度不均匀、色彩失真以及细节丢失等问题。
背景技术
在现代图像处理和计算机视觉领域,低照度图像的增强技术日益受到关注。低照度图像通常出现在夜间、阴暗环境或拍摄条件不理想的情况下,此时传感器上接收到的光子数量有限,常常导致获取的图像出现亮度不足与色彩失真等问题,进而影响图像的视觉观感与可识别性。低照度图像增强作为一项关键且富有挑战性的任务,旨在提高低照度图像的亮度与清晰度,同时保持内容与色彩的准确性,从而使其能被广泛应用于各类下游任务中,并在夜间摄影、自动驾驶以及遥感等领域发挥不可或缺的作用,因此得到了相关领域研究人员的广泛关注。
在安全监控中,低照度图像增强方法能够改善夜间或光线不足环境下监控摄像头捕捉到的模糊或噪声严重的图像,从而提高公共安全和犯罪侦查的效率。在医学影像方面,低照度增强方法能够提升医学成像设备在低光照条件下获取图像的可视性和细节,提高疾病早期检测的准确性。低照度图像增强方法不仅提高了图像的质量和可用性,还在提升安全性、准确性和效率方面发挥了重要作用,促进了各行业的发展和创新。
早期的传统低照度图像增强方法主要基于直方图均衡化或Retinex理论。其中,直方图均衡化利用图像的累积分布函数重新分配图像的灰度值,以增强图像的对比度。Retinex理论旨在解释人类视觉系统如何在不同的光照条件下感知色彩和亮度,认为原始图像可以分解为反射图与照度图两个部分,其中反射图表示物体表面的固有色彩和纹理,而照度图则表示场景中的光照强度分布。虽然这些方法在早期的低照度图像增强中取得了一定的效果,但由于其对数学统计与手工设计的映射的依赖性,容易在增强过程中导致细节丢失与过度增强等问题并引入伪影。
随着深度学习的发展,近年来基于深度学习的方法得到了深入探索与研究,并得到了广泛应用。例如,部分方法将傅里叶变换引入卷积神经网络中,利用频域幅值与亮度的相关性实现亮度增强,并设计信噪比映射以改善细节。也有一些方法将Retinex理论与卷积神经网络相结合,通过分解原始图像的反射分量与照度分量实现低照度图像增强,或者通过分解、反射图恢复与光照增强三个子网络并利用损失函数约束反射分量与照明分量以实现低照度图像增强。
然而,由于Retinex理论基于人类视觉系统在不同光照条件下的色彩恒常性,认为人类感知到的物体色彩在光照变化的情况下保持不变,这虽然为低照度图像增强领域带来了新的启发,但它过于理想化的假设忽略了自发光物体的存在,其反射部分与光照部分的分解公式并不适用于自发光物体,因而基于Retinex理论的方法难以处理真实场景中的各类人造光源,导致过曝与色偏的产生。此外,对于普遍存在不均匀照明区域的真实低照度图像,虽然部分方法通过引入信噪比信息、频域信息或光照图以实现自适应亮度提升,但由于这些方法未能准确识别出需要提升亮度与抑制亮度的部分,依然可能出现过曝现象。同时,部分方法对色彩的针对性设计较少,对色彩的约束仅限于RGB色彩空间,导致在真实场景下出现色彩失真。因此,研究能够自适应提升亮度并准确校正色彩的针对真实低照度场景的低照度图像增强方法具有挑战性与必要性。
本发明本发明旨在进一步解决低照度图像增强方法中存在的过度增强、色彩失真以及其导致的细节丢失等问题,设计了一种基于自适应亮度提升与高保真色彩校正的低照度图像增强方法,首先设计自适应亮度提升子网络以实现图像亮度的自适应增强,包括多阶段双重注意力残差模块,用于对图像亮度先验进行准确提取;然后设计高保真色彩校正子网络以实现图像色彩的高保真校正,包括渐进式多尺度特征融合模块和自适应多感受野特征提取模块,用于从多尺度充分提取与融合图像色彩特征,以及多色彩空间损失函数,用于有效引导与约束色彩校正过程,得到色彩高保真图像;最后设计图像输出模块将最终增强后的特征转换为最终亮度合适且色彩高保真的高质量图像。这种基于自适应亮度提升与高保真色彩校正的低照度图像增强方法可以有效地避免增强过程中过曝和色彩失真的出现,并有效提高图像的质量
实现思路