一種基于參數(shù)自適應(yīng)引導(dǎo)濾波的紅外圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法

歐陽(yáng)慧明，夏麗昆，李澤民，何 燕，朱曉杰，朱尤攀，曾邦澤，周永康

一種基于參數(shù)自適應(yīng)引導(dǎo)濾波的紅外圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法

歐陽(yáng)慧明1，夏麗昆2，李澤民1，何 燕1，朱曉杰3，朱尤攀1，曾邦澤1，周永康1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 陸軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局駐昆明地區(qū)第一軍事代表室，云南 昆明 650023；3. 中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 海淀 100094）

圖像分層濾波器中引導(dǎo)濾波器因其濾波保邊效果好和計(jì)算復(fù)雜度低，在紅外圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用。但傳統(tǒng)的引導(dǎo)濾波器固定的正則化參數(shù)不能在所有場(chǎng)景下都取得較好的濾波分層效果，所以本文提出基于局部方差的參數(shù)自適應(yīng)算法，以提高引導(dǎo)濾波器場(chǎng)景適應(yīng)性。此外本文進(jìn)一步通過(guò)自適應(yīng)參數(shù)值，提出了改進(jìn)的基于噪聲掩膜函數(shù)的細(xì)節(jié)層自適應(yīng)增強(qiáng)算法，從而在有效抑制了圖像噪聲水平同時(shí)提高了算法在不同場(chǎng)景下的細(xì)節(jié)增強(qiáng)能力。

引導(dǎo)濾波；參數(shù)自適應(yīng)；噪聲掩膜函數(shù)；噪聲抑制；細(xì)節(jié)增強(qiáng)

0 引言

紅外圖像增強(qiáng)是指提升紅外圖像的對(duì)比度和細(xì)節(jié)分辨能力，以達(dá)到豐富圖像信息量、加強(qiáng)圖像辨識(shí)效果以及改善紅外圖像可視化質(zhì)量的目的。傳統(tǒng)的紅外圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)方法可大致分為空域增強(qiáng)算法和頻域增強(qiáng)算法兩大類[1]，空域類的紅外圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法計(jì)算復(fù)雜度相對(duì)較低從而廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)紅外成像系統(tǒng)中，典型的空域增強(qiáng)算法有基于線性映射的增強(qiáng)方法（如自動(dòng)增益控制[2]）、基于圖像直方圖調(diào)整的增強(qiáng)方法（如直方圖均衡化[3]）、基于圖像分層的反銳化掩膜[4]的增強(qiáng)方法等；頻域增強(qiáng)算法需要傅里葉變換、DCT變換等方式將圖像轉(zhuǎn)換到某個(gè)變換域內(nèi)進(jìn)行處理，算法復(fù)雜度相對(duì)較高，典型的頻域增強(qiáng)算法有基于Retinex[5]、基于小波變換[6]、Contourlet變換[7]等。

其中，基于分層思想的紅外圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法[8-10]相較于其他傳統(tǒng)的增強(qiáng)算法，能更好地保留和增強(qiáng)原始寬動(dòng)態(tài)紅外圖像的細(xì)節(jié)信息，從而成為了紅外圖像可視化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向。因?yàn)橥ㄟ^(guò)具有場(chǎng)景邊緣保持能力的高斯低通濾波器先將原始寬動(dòng)態(tài)范圍紅外圖像進(jìn)行分層，以提取出原圖像中的細(xì)節(jié)信息進(jìn)行單獨(dú)的增強(qiáng)處理，并對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍的基礎(chǔ)層進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍壓縮[11]（一般由14位或16位壓縮至8位），最后再將增強(qiáng)后的細(xì)節(jié)層與壓縮后的背景層進(jìn)行擬合相加。這樣既實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)范圍的壓縮，同時(shí)可以有效保留原圖細(xì)節(jié)信息并進(jìn)一步進(jìn)行細(xì)節(jié)信息的增強(qiáng)處理。

其中，如何選擇分層濾波器以保證圖像細(xì)節(jié)信息的有效分離出來(lái)，以及在增強(qiáng)細(xì)節(jié)信息的同時(shí)更好地抑制圖像噪聲是此類基于分層的紅外圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法的關(guān)鍵。基于此，本文在傳統(tǒng)的引導(dǎo)濾波算法的基礎(chǔ)上，將算法中的核心參數(shù)改為自適應(yīng)，從而提高了引導(dǎo)濾波算法對(duì)不同場(chǎng)景圖像的分層能力。此外，在自適應(yīng)參數(shù)的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步提出了基于噪聲掩膜函數(shù)的細(xì)節(jié)層增強(qiáng)改進(jìn)算法，該方法對(duì)不同清晰度圖像的細(xì)節(jié)層整體增益水平和同一圖像不同區(qū)域的局部細(xì)節(jié)信息增益水平，進(jìn)行不同程度的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)在增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)信息的同時(shí)更好地掩蔽圖像噪聲。

1 引導(dǎo)濾波器

常用的紅外圖像保邊分層濾波器有雙邊濾波器[12]，引導(dǎo)濾波器[13]，最小二乘濾波器[14]等。引導(dǎo)濾波器是以局部線性模型為基礎(chǔ)的線性濾波器，所以算法的計(jì)算復(fù)雜度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它非線性保邊濾波器，此外引導(dǎo)濾波器可以更好地保護(hù)原圖像的邊緣梯度信息，從而有效地減少了圖像“梯度反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象[15]的出現(xiàn)。假設(shè)輸入圖像為，輸出圖像為，引導(dǎo)圖像為，與在以像素為中心、為半徑的窗口中存在局部線性關(guān)系如式(1)所示：

當(dāng)計(jì)算a和b時(shí)，每個(gè)像素在不同的窗口下計(jì)算得到的將不同，所以為提高計(jì)算效率可在遍歷全圖后取a和b均值，以得到引導(dǎo)濾波后輸出圖像，即表示為式(2)：

而且當(dāng)引導(dǎo)圖像等于輸入圖像，及＝時(shí)，引導(dǎo)濾波器可以作為邊緣保持濾波器而表現(xiàn)出保邊濾噪的特性，此時(shí)求得a和b可以表示為式(3)：

2 改進(jìn)的參數(shù)自適應(yīng)引導(dǎo)濾波分層及細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法

本文將基于圖像分層的原理對(duì)原始紅外圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍壓縮和細(xì)節(jié)增強(qiáng)處理，其中分層濾波器采用本文提出的參數(shù)自適應(yīng)引導(dǎo)濾波器；對(duì)圖像進(jìn)行分層后，采用基于對(duì)比度受限的局部直方圖壓縮算法[16]對(duì)圖像基本層進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍壓縮；同時(shí)提出基于噪聲掩膜函數(shù)的細(xì)節(jié)層增強(qiáng)改進(jìn)算法對(duì)圖像細(xì)節(jié)層進(jìn)行處理；最后將處理后的圖像基本層和細(xì)節(jié)層進(jìn)行合并，得到最終的動(dòng)態(tài)范圍壓縮和細(xì)節(jié)增強(qiáng)的紅外圖像。

2.1 引導(dǎo)濾波參數(shù)e自適應(yīng)算法

由公式(3)可知，對(duì)a值影響的兩個(gè)變量為局部方差2和值，基于上一節(jié)中對(duì)引導(dǎo)濾波器的分析可以進(jìn)一步得出：當(dāng)2值遠(yuǎn)小于值時(shí)，a值趨于0，引導(dǎo)濾波后圖像的細(xì)節(jié)提取能力強(qiáng)；當(dāng)2值遠(yuǎn)大于值時(shí)，b值趨于0，引導(dǎo)濾波后圖像的細(xì)節(jié)提取能力弱。而局部方差2由原始紅外圖像的自身灰度值決定，所以濾波參數(shù)值的選擇在很大程度上影響著濾波分層的效果，但傳統(tǒng)算法中的值一般設(shè)定為一個(gè)固定參數(shù)。

圖1(a)、(b)和圖1(c)、(d)，分別為能見(jiàn)度較高的晴朗天氣和能見(jiàn)度較低的陰雨天氣的場(chǎng)景下不同取值引導(dǎo)濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)處理結(jié)果?？梢钥闯鰣D1(a)最終的細(xì)節(jié)增強(qiáng)效果明顯好于圖1(b)，說(shuō)明較高的取值，針對(duì)能見(jiàn)度較高、目標(biāo)能量較強(qiáng)、場(chǎng)景細(xì)節(jié)信息明顯的清晰紅外圖像，由于濾波效果較強(qiáng)，提取的細(xì)節(jié)信息較多，能取得更好的處理效果；但圖1(c)最終的細(xì)節(jié)增強(qiáng)效果卻比圖1(d)差，說(shuō)明較低的取值引導(dǎo)濾波，針對(duì)雨霧天等能見(jiàn)度較低、目標(biāo)場(chǎng)景能量較弱、場(chǎng)景細(xì)節(jié)信息不明顯的模糊紅外圖像，反而能取得更好的細(xì)節(jié)增強(qiáng)效果，而較高的取值引導(dǎo)濾波的強(qiáng)濾波能力此時(shí)起不到很好的邊緣保護(hù)的分層作用，圖像將被過(guò)度平滑，細(xì)節(jié)層中將包含過(guò)多的圖像梯度紋理信息，從而導(dǎo)致細(xì)節(jié)增強(qiáng)效果較差。所以固定的值對(duì)不同場(chǎng)景下的紅外圖像不一定都能取得較好的濾波分層效果。

圖1 不同能見(jiàn)度場(chǎng)景下e的不同取值時(shí)引導(dǎo)濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)處理結(jié)果

上文中已經(jīng)分析了局部方差2和值之間的比較關(guān)系對(duì)圖像濾波效果的影響，所以只要建立起局部方差2和值兩者之間的映射關(guān)系，將不同場(chǎng)景下的原始紅外圖像局部方差2值作為參量來(lái)自適應(yīng)的求取合適的值，濾波器的場(chǎng)景適應(yīng)性將極大的提高。而本文考慮到局部方差2值反映的是圖像的細(xì)節(jié)和邊緣紋理，而2統(tǒng)計(jì)信息直方圖又可以作為2分布情況的重要參考，基于此，本文將結(jié)合不同圖像的2統(tǒng)計(jì)直方圖特性作為依據(jù)來(lái)求取相應(yīng)的值。

圖2(a)、(b)分別為圖1(a)和圖1(c)的原圖局部方差統(tǒng)計(jì)直方圖，直方圖橫坐標(biāo)表示局部方差數(shù)值大小，縱坐標(biāo)表示其相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)數(shù)量。從圖2的兩幅統(tǒng)計(jì)直方圖可以看出圖像的局部方差統(tǒng)計(jì)信息分布很廣（所以兩幅圖像的統(tǒng)計(jì)信息都只截取到6000的局部方差值），且局部方差值大部分都較小，但是由于局部方差2值反映了圖像的細(xì)節(jié)和邊緣紋理，所以圖2(a)細(xì)節(jié)紋理豐富圖像的局部方差統(tǒng)計(jì)直方圖的統(tǒng)計(jì)信息分布更寬，且相比于圖2(b)細(xì)節(jié)紋理不豐富圖像的局部方差統(tǒng)計(jì)直方圖，圖2(a)在局部方差較大的區(qū)間2分布數(shù)量也更多，但在局部方差較小的區(qū)間圖2(a)中2的分布數(shù)量卻又比圖2(b)要少很多。基于以上分析，本文進(jìn)一步考慮用局部直方圖中2的均值來(lái)求取值，其表達(dá)式如式(4)所示：

圖3為本文提出的自適應(yīng)引導(dǎo)濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法在不同場(chǎng)景下處理結(jié)果對(duì)比。從圖3可以看出本文算法求得的值基本符合我們前文中對(duì)理想的取值的預(yù)期，且基于本文算法求得的值在不同場(chǎng)景下都可以得到比較好的處理效果。

圖2 細(xì)節(jié)紋理豐富圖像和細(xì)節(jié)紋理不豐富圖像局部方差直方圖對(duì)比

圖3 本文自適應(yīng)e引導(dǎo)濾波細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法處理結(jié)果（k取2）

2.2 基于噪聲掩膜函數(shù)的細(xì)節(jié)層增強(qiáng)改進(jìn)算法

對(duì)細(xì)節(jié)層的處理對(duì)于最終的細(xì)節(jié)增強(qiáng)效果好壞有著重要的影響。而基于視覺(jué)掩蔽效應(yīng)的細(xì)節(jié)拉伸方法是目前最常用的細(xì)節(jié)層增強(qiáng)和噪聲抑制方法之一，視覺(jué)掩蔽效應(yīng)[17]理論認(rèn)為：平坦區(qū)域的噪聲對(duì)人眼視覺(jué)系統(tǒng)的刺激比復(fù)雜紋理區(qū)域中的噪聲要更大，所以平坦區(qū)域的噪聲將明顯降低圖像的可視化效果，而噪聲在圖像灰度信息豐富的區(qū)域卻表現(xiàn)出了低可見(jiàn)性。文獻(xiàn)[18]基于這種視覺(jué)掩蔽效應(yīng)提出了噪聲可見(jiàn)度函數(shù)，其表達(dá)式如式(5)所示：

式中：(,)表示基于圖像局部方差的噪聲掩膜函數(shù)；為調(diào)節(jié)參量。從上式可以看出，噪聲可見(jiàn)度函數(shù)與表征圖像局部信息豐富程度的噪聲掩膜函數(shù)的值成反比：當(dāng)區(qū)域中的灰度信息豐富時(shí)，噪聲的可見(jiàn)度較低；而當(dāng)圖像處于灰度信息較少的平坦區(qū)域時(shí)，圖像噪聲將更為凸顯?；谏鲜鲈肼曆谀ば?yīng)，基于雙邊濾波的色調(diào)映射算法（bilateral filter and dynamic range partitioning，BF & DRP[19]）、基于引導(dǎo)濾波器的圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法（guided filter and dynamic detailed enhancement，GF & DDE[20]）等算法將圖像濾波分層過(guò)程中計(jì)算得到的某些權(quán)值和中間系數(shù)來(lái)作為對(duì)圖像噪聲進(jìn)行抑制的掩膜，得到細(xì)節(jié)層增益基本計(jì)算公式如式(6)所示：

式中：max和min分別為圖像的高、低增益值系數(shù)，代表了圖像的增益范圍，取值一般在（1～2.5）；(,)是表示圖像區(qū)域灰度信息豐富程度的關(guān)系式。但是上式(6)僅對(duì)圖像細(xì)節(jié)層進(jìn)行單一的指定增益區(qū)間的拉伸處理，卻沒(méi)有考慮不同場(chǎng)景下細(xì)節(jié)層的整體增益調(diào)整問(wèn)題，所以細(xì)節(jié)層增強(qiáng)方法的場(chǎng)景適應(yīng)性較差?；诖?，本文在式(6)的基礎(chǔ)上增加了表征圖像清晰度的整體增益系數(shù)，本文提出的細(xì)節(jié)層圖像增強(qiáng)算法如式(7)所示：

式中：為上一節(jié)中求得的自適應(yīng)濾波正則化參數(shù)；為的歸一化調(diào)整因子，取值接近于標(biāo)準(zhǔn)清晰場(chǎng)景下圖像求得的，一般取值500；2為圖像的局部方差。該增益系數(shù)公式主要是基于圖像的濾波參數(shù)和局部方差2設(shè)計(jì)的。此處剛好可以應(yīng)用上一節(jié)中求得的值來(lái)表征圖像的整體清晰度水平，而/代表了圖像的整體增益調(diào)整參量，在整體細(xì)節(jié)紋理清晰的圖像中，/較小，圖像不需要額外的整體增益，從而避免了圖像強(qiáng)邊緣信息和圖像噪聲的過(guò)度增強(qiáng)；在整體細(xì)節(jié)紋理模糊的圖像中，細(xì)節(jié)層信息提取量較少，所以需要更大的整體增益，而求得的/更大，最后圖像的整體增益也相應(yīng)會(huì)更強(qiáng)。2/(2＋)代表了圖像各個(gè)區(qū)域的細(xì)節(jié)紋理豐富度信息，當(dāng)2/(2＋)較大時(shí)，代表該區(qū)域圖像細(xì)節(jié)豐富，基于噪聲掩膜原理，與增益系數(shù)相乘后該區(qū)域像素將獲得較大的增強(qiáng)；當(dāng)2/(2＋)較小時(shí)，代表該區(qū)域較為平坦，根據(jù)噪聲掩膜原理，與增益系數(shù)相乘后該區(qū)域像素也將相應(yīng)獲得較小的增強(qiáng)。所以本文算法在同時(shí)考慮了圖像局部清晰度和圖像整體清晰度水平的基礎(chǔ)上，對(duì)圖像細(xì)節(jié)層進(jìn)行增強(qiáng)處理。最后再將處理后的圖像細(xì)節(jié)層和基礎(chǔ)層按一定比例相加，可以得到最終動(dòng)態(tài)范圍壓縮及細(xì)節(jié)增強(qiáng)后的紅外圖像。

圖4(a)、(b)和圖4(c)、(d)分別代表了不同清晰度場(chǎng)景下，細(xì)節(jié)層處理方法應(yīng)用GF & DDE算法細(xì)節(jié)層處理方法和本文細(xì)節(jié)層處理方法不同的處理效果對(duì)比。從圖4(a)、(b)可以看出，本文算法通過(guò)減小清晰圖像整體增益水平，相比GF & DDE算法，在有效增強(qiáng)目標(biāo)細(xì)節(jié)時(shí)，避免了云層等處噪聲的過(guò)度放大。從圖4(c)、(d)可以看出，本文算法通過(guò)增大模糊圖像的整體增益水平，相比GF & DDE算法，進(jìn)一步增強(qiáng)了全圖的細(xì)節(jié)信息。

2.3 針對(duì)FPGA嵌入式實(shí)現(xiàn)的算法優(yōu)化和可行性分析

針對(duì)本文所提的參數(shù)自適應(yīng)引導(dǎo)濾波及細(xì)節(jié)增強(qiáng)改進(jìn)算法，式(4)和式(7)只涉及簡(jiǎn)單的加法和乘、除法運(yùn)算，像素局部方差已通過(guò)引導(dǎo)濾波求得，而引導(dǎo)濾波遍歷全圖像素過(guò)程中就可以統(tǒng)計(jì)出局部方差小于閾值的像素總數(shù)及局部方差總和，再根據(jù)式(4)可以直接求取自適應(yīng)值，并進(jìn)一步通過(guò)式(7)求得細(xì)節(jié)增益系數(shù)，因此兩個(gè)算法也基本不占用存儲(chǔ)空間。所以本文所提的參數(shù)自適應(yīng)引導(dǎo)濾波及細(xì)節(jié)增強(qiáng)改進(jìn)算法不用優(yōu)化，可以基于FPGA硬件平臺(tái)直接實(shí)現(xiàn)。此外，對(duì)于硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，考慮實(shí)際應(yīng)用時(shí)目標(biāo)場(chǎng)景的變化速度一般遠(yuǎn)小于紅外實(shí)時(shí)系統(tǒng)的幀頻率，所以我們可以通過(guò)使用前一幀圖像的局部方差統(tǒng)計(jì)直方圖求得的值作為下一幀圖像引導(dǎo)濾波和自適應(yīng)細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法所需的值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為進(jìn)一步說(shuō)明本文所提算法的處理效果好壞，本章將從主觀和客觀兩個(gè)方面對(duì)本文所提的紅外圖像動(dòng)態(tài)范圍壓縮及細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法做綜合評(píng)價(jià)。同時(shí)選擇了5個(gè)經(jīng)典的紅外圖像動(dòng)態(tài)范圍壓縮和細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法與本文算法進(jìn)行綜合的比較：最簡(jiǎn)單也是最基礎(chǔ)的線性映射算法AGC、線性映射和直方圖均衡化相結(jié)合算法HALEQ（histogram adjustment based on linear to equalized quantizer）[21]、經(jīng)典局部直方圖色調(diào)映射算法CLAHE[22]（contrast limited adaptive histogram equalization）、基于雙邊濾波的色調(diào)映射算法BF & DRP、基于引導(dǎo)濾波器的圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法GF & DDE。為了更好地說(shuō)明本文算法的處理效果和算法適應(yīng)性，本文選用了3個(gè)典型場(chǎng)景下的非制冷紅外圖像（圖5～圖7）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，場(chǎng)景分別為：細(xì)節(jié)豐富的清晰圖像、細(xì)節(jié)紋理不豐富的模糊圖像、測(cè)試紅外圖像NETD等重要性能指標(biāo)的四杠靶圖像。本文中使用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均為艾睿光電12mm氧化釩長(zhǎng)波探測(cè)器采集，并進(jìn)行非均勻性校正后輸出的16bit、1024×768像素的原始非制冷紅外圖像。

圖4 不同能見(jiàn)度下基于GF & DDE細(xì)節(jié)層處理方法和本文細(xì)節(jié)層處理方法結(jié)果對(duì)比

圖5 場(chǎng)景一：細(xì)節(jié)豐富的清晰室外場(chǎng)景

圖6 場(chǎng)景二：細(xì)節(jié)紋理模糊的室外場(chǎng)景

圖7 場(chǎng)景三：四杠靶圖像

從上述典型的3個(gè)場(chǎng)景中，我們可以看出AGC算法簡(jiǎn)單，但是整體的處理效果很差，只能將其作為原始紅外圖像的可視化參考圖像。CLAHE算法映射后對(duì)圖像的局部對(duì)比度拉伸明顯，圖像的細(xì)節(jié)增強(qiáng)能力相對(duì)較好，但是圖像整體層次感和均勻性較差，圖像噪聲水平較高。HALEQ算法處理后圖像整體對(duì)比度拉伸明顯，但是和AGC算法、CLAHE算法一樣對(duì)圖像的細(xì)節(jié)保持和增強(qiáng)方面的能力相比于其他基于分層的細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法明顯更差。BF & DRP算法對(duì)圖像的細(xì)節(jié)保持和增強(qiáng)方面的能力較好，但是也存在強(qiáng)邊緣過(guò)度增強(qiáng)等現(xiàn)象，且對(duì)于圖像噪聲的抑制能力較差。GF & DDE算法細(xì)節(jié)增強(qiáng)效果好于BF & DRP算法，但算法對(duì)不同場(chǎng)景的適應(yīng)性較差，平坦區(qū)域的噪聲也不能得到有效抑制。而本文算法相比其它算法在實(shí)驗(yàn)中的綜合表現(xiàn)最好，算法在圖像細(xì)節(jié)保留及增強(qiáng)、對(duì)比度提升、噪聲水平抑制、場(chǎng)景適應(yīng)性等方面都表現(xiàn)出了很好的處理效果。

客觀評(píng)價(jià)方面，本文選擇了平均梯度（average gradient，AG）[23]和基于圖像信息熵概念的增強(qiáng)指標(biāo)EMEE（measure of image enhancement of Entropy）[24]兩個(gè)指標(biāo)來(lái)定量分析本文所提算法的好壞。其中平均梯度AG指標(biāo)通過(guò)對(duì)全圖平均梯度水平的計(jì)算來(lái)刻畫(huà)和評(píng)判圖像中細(xì)節(jié)紋理信息的豐富程度，為得到更精確的AG值，本文選用了對(duì)噪聲不敏感的sobel算子來(lái)求圖像梯度；基于圖像信息熵概念的增強(qiáng)指標(biāo)EMEE主要是對(duì)圖像進(jìn)行分塊，然后計(jì)算各子塊內(nèi)像素灰度最大值和最小值的比值來(lái)表征圖像的局部增強(qiáng)程度，EMEE值越大，表明圖像的局部對(duì)比度拉伸越強(qiáng)，圖像增強(qiáng)效果越好。各算法在上述不同場(chǎng)景下的AG值和EMEE值情況如表1所示。

表1 各算法在3個(gè)場(chǎng)景下處理圖像的AG值和EMEE值結(jié)果對(duì)比

從表1可以看出，基于分層思想的3種算法的細(xì)節(jié)信息AG值要明顯高于其他3種傳統(tǒng)算法，而基于雙邊濾波的細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法比基于引導(dǎo)濾波算法往往表現(xiàn)出過(guò)度的邊緣增強(qiáng)現(xiàn)象，所以BF & DRP算法的AG值要大于GF & DDE，但處理圖像的可視化效果要比GF & DDE算法差。而本文算法雖然也是基于引導(dǎo)濾波分層但是經(jīng)過(guò)了改進(jìn)和完善后，不僅表現(xiàn)出來(lái)的可視化效果要優(yōu)于其他算法，而且在各場(chǎng)景下的AG值也是所有算法中整體表現(xiàn)最好的。此外由于CHALE算法和本文算法對(duì)圖像局部對(duì)比度的拉伸能力要強(qiáng)于其他幾種算法，CHALE算法和本文算法的EMEE值總體要高于其他算法，而本文算法的細(xì)節(jié)增強(qiáng)能力更強(qiáng)，所以在各場(chǎng)景下的EMEE值表現(xiàn)也要比CHALE算法更好。

最后對(duì)本文所提算法的復(fù)雜度進(jìn)行分析：上述6個(gè)算法在不同場(chǎng)景下，AGC算法、CLAHE算法、HALEQ算法和GF & DDE算法的仿真計(jì)算時(shí)間分別為0.1s、0.8s、0.9s和1.6s左右，BF & DRP算法和本文算法的仿真計(jì)算時(shí)間分別在3s和2.4s左右，由于BF & DRP算法和本文算法的計(jì)算量相對(duì)更大，仿真時(shí)間都要高于其他4個(gè)算法。

4 結(jié)論

本文提出了基于原始紅外圖像的局部方差直方圖的引導(dǎo)濾波參數(shù)自適應(yīng)算法，以取代傳統(tǒng)算法中固定的參數(shù)值；進(jìn)一步的，通過(guò)自適應(yīng)值設(shè)計(jì)了圖像清晰度評(píng)價(jià)系數(shù)，提出了基于噪聲掩膜函數(shù)的細(xì)節(jié)增強(qiáng)改進(jìn)算法對(duì)圖像細(xì)節(jié)層進(jìn)行處理。從而較大地改善了引導(dǎo)濾波器在不同場(chǎng)景下的濾波分層效果，并在有效抑制圖像噪聲水平同時(shí)提高了細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法的場(chǎng)景適應(yīng)性。最后本文選擇了5個(gè)經(jīng)典的紅外圖像動(dòng)態(tài)范圍壓縮和細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法，結(jié)合不同的典型紅外場(chǎng)景和評(píng)價(jià)指標(biāo)，從主觀和客觀兩個(gè)方面對(duì)本文提出的算法的綜合性能進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證和評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文算法的綜合可視化效果更好、場(chǎng)景適應(yīng)性更高，在不同場(chǎng)景下，能保證原始圖像的灰度信息在映射后不會(huì)過(guò)度丟失，并可以對(duì)圖像的對(duì)比度和細(xì)節(jié)信息進(jìn)行有效增強(qiáng)，同時(shí)能更好地抑制圖像噪聲。

[1] 楊靜, 李爭(zhēng). 一種基于雙邊濾波的紅外圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)方法[J]. 激光與紅外, 2016, 46(4): 507-511.

YANG Jing, LI Zheng. Detail enhancement method for infrared image based on bilateral filter[J]., 2016, 46(4): 507-511.

[2] 金偉其, 劉斌, 范永杰, 等. 紅外圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 紅外與激光工程, 2011, 40(12): 2521-2527.

JIN Weiqi, LIU Bin, FAN Yongjie, et al. Research progress of infrared image detail enhancement technology[J]., 2011, 40(12): 2521-2527.

[3] 紀(jì)平, 胡學(xué)友, 張瑞琦, 等. 基于直方圖均衡算法的圖像增強(qiáng)技術(shù)研究[J]. 蚌埠學(xué)院學(xué)報(bào), 2021, 10(2): 20-43.

JI Ping, HU Xueyou, ZHANG Ruiqi, et al. Research on image enhancement technology based on histogram equalization algorithm[J]., 2021, 10(2): 20-43.

[4] Polesel A, Ramponi G, Mathews V J. Image enhancement via adaptive unsharp masking[J]., 2000, 9(3): 505-510.

[5] Jobson D J, Rahman Z, Woodell G A. A multiscale retinex for bridging the gap between color images and the human observation of scenes[J]., 1997, 6(7): 965-976.

[6] 吳穎謙, 施鵬飛. 基于小波變換的低對(duì)比度圖像增強(qiáng)紅外[J].紅外與激光工程, 2003, 32(1): 4-7.

WU Yingqian, SHI Pengfei. Approach on image contrast enhancement based on wavelet transform[J]., 2003, 32(1): 4-7.

[7] ZHOU P, ZHAO B J. Novel scheme for infrared image enhancement based on contourlet transform and fuzzy theory[J]., 2011, 41(6): 635-640.

[8] HE K, SUN J, TANG X. Guided Image Filtering[J]., 2013, 35(6): 1397-1409.

[9] SONG Q, WANG Y, BAI K. High dynamic range infrared images detail enhancement based on local edge preserving filter[J]., 2016, 77: 464-473.

[10] 葛朋, 楊波. 一種基于引導(dǎo)濾波圖像分層的紅外圖像細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法[J]. 紅外技術(shù), 2018, 40(12): 1161-1196. GE Peng, YANG Bo. A detailed enhancement algorithm for infrared images based on hierarchical guided filtering[J]., 2018, 40(12): 1161-1196.

[11] 歐陽(yáng)慧明, 李澤明, 周永康, 等. 非制冷紅外圖像動(dòng)態(tài)范圍壓縮算法研究綜述[J]. 紅外技術(shù), 2021, 43(3): 208-217.

OUYANG Huiming, LI Zeming, ZHOU Yongkang, et al. A review of dynamic range compression algorithms for infrared images[J]., 2021, 43(3): 208-217.

[12] Barash D, Comaniciu D. A common framework for nonlinear diffusion, adaptive smoothing, bilateral filtering and mean shift[J]., 2004, 22(1): 73-81.

[13] HE K, SUN J, TANG X.[M]//Computer Vision – ECCV 2010. Berlin Heidelberg: Springer, 2010.

[14] 朱道廣, 隋修寶, 朱才高, 等. 基于多尺度的高動(dòng)態(tài)紅外圖像增強(qiáng)算法[J]. 紅外技術(shù), 2013, 35(8): 476-481.

ZHU Daoguang, SUI Xiubao, ZHU Caigao, et al. High dynamic infrared image enhancement algorithm based on multi-scale[J]., 2013, 35(8): 476-481.

[15] 樊啟明. 基于濾波分層的紅外圖像增強(qiáng)算法研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2017.

FAN Qiming. Research on Infrared Image Enhancement Algorithm Based on Filtering Layering[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2017.

[16] Pizer S M, Amburn E P, Austin J D, et al. Adaptive histogram equalization and its variations[J]., 1987, 39(3): 355-368.

[17] 周永康, 朱尤攀, 曾邦澤, 等. 寬動(dòng)態(tài)紅外圖像增強(qiáng)算法綜述[J].激光技術(shù), 2018, 42(5): 718-726.

ZHOU Yongkang, ZHU Youpan, ZENG Bangze, et al. A review for high dynamic range infrared image enhancement algorithms[J]., 2018, 42(5): 718-726.

[18] Katsaggelos A K, Biemond J, Schafer R W, et al. A regularized iterative image restoration algorithm[J]., 1991, 39(39): 914-929.

[19] Branchitta F, Diani M, Corsini G, et al. New technique for the visualization of high dynamic range infrared images[J]., 2009, 48(9): 096401.

[20] LIU N, ZHAO D. Detail enhancement for high-dynamic-range infrared images based on guided image filter[J]., 2014, 67: 138-147.

[21] DUAN J, Bressan M, Dance C, et al. Tone-mapping high dynamic range images by novel histogram adjustment[J]., 2010, 43(5): 1847-1862.

[22] Zuiderveld K.[M] //Graphics Gems IV, Academic Press Professional,. 1994: 474-485.

[23] ZHANG F, XIE W, MA G, et al. High dynamic range compression and detail enhancement of infrared images in the gradient domain[J]., 2014, 67: 441-454.

[24] Agaian S S, Silver B, Panetta K A. Transform coefficient histogram-based image enhancement algorithms contrast entropy.[J]., 2007, 16(3): 741-58.

An Infrared Image Detail Enhancement Algorithm Based on Parameter Adaptive Guided Filtering

OUYANG Huiming1，XIA Likun2，LI Zemin1，HE Yan1，ZHU Xiaojie3，ZHU Youpan1，ZENG Bangze1，ZHOU Yongkang1

(1.,650223,;2.,650023,;3.,100094,)

Of all the image layered filters, guided filter has been widely studied and applied in the field of infrared image detail enhancement because of its good edge preserving effect and low computational complexity. However, traditional fixed regularization parameter ε of the guide filter cannot achieve good filtering layering effect in all scenarios. Therefore, an adaptive algorithm of parameterbased on local variance is proposed in this paper to improve the adaptability of the guide filter in all scenarios. In addition, an improved detail layer adaptive enhancement algorithm based on noise mask function is proposed by using the adaptive parameter ε value, which can effectively suppress the noise level and improve the detail enhancement ability of the algorithm in different scenes.

guided filtering, parameter adaptation, noise mask function, noise suppression, detail enhancement

TP751.1

A

1001-8891(2022)12-1324-08

2021-04-18；

2021-06-23.

歐陽(yáng)慧明（1991-），男，白族，碩士，工程師。主要研究方向：紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)。E-mail: 799049681@qq.com。

周永康（1991-），男，碩士，工程師，紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)。E-mail：zyk1120102464@163.com