李 國，蔡海峰，王長春，張 佳

（1. 61206部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

基于遺傳優(yōu)化的海島礁彩色影像增強(qiáng)方法

李 國1，蔡海峰1，王長春1，張 佳1

（1. 61206部隊(duì)，遼寧 大連 116023）

針對(duì)海島礁彩色遙感影像內(nèi)容單一、色彩不鮮明、反差低的問題，將模糊增強(qiáng)技術(shù)與遺傳優(yōu)化策略應(yīng)用到海島礁遙感影像增強(qiáng)處理中，提出了一種無人工干預(yù)、無先驗(yàn)知識(shí)依賴、具有理論最佳色彩的海島礁遙感影像增強(qiáng)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不但提高了海島礁彩色遙感影像的視覺效果與質(zhì)量測度，還保持了影像的色彩信息。

彩色影像增強(qiáng)；色彩保持；海島礁影像；遺傳算法

我國部分遠(yuǎn)離大陸的島礁分布較為零散，對(duì)于登島困難的島礁進(jìn)行陸部要素測繪可采用遙感方法獲取海島礁影像再作相關(guān)后續(xù)處理。海島礁彩色遙感影像內(nèi)容單一，僅包括海島及海域兩部分，海域混濁不清加之海域空氣含水量大，海島礁彩色遙感影像普遍存在反差低、色彩不鮮明、輪廓不清的問題，增加了后續(xù)處理以及提取瞬時(shí)海岸線的難度。

影像增強(qiáng)技術(shù)是解決這類影像處理困難的一個(gè)重要手段，影像增強(qiáng)的首要目標(biāo)是通過處理使其比原始影像更適合特定的應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)灰度影像增強(qiáng)技術(shù)并不適用于彩色影像增強(qiáng)處理，主要是由于彩色影像的紅、綠、藍(lán)分量相關(guān)性很高，若直接將灰度影像增強(qiáng)技術(shù)分別用于紅、綠、藍(lán)分量，由于各分量的增強(qiáng)幅度不一致而導(dǎo)致影像色彩失真。

彩色影像增強(qiáng)技術(shù)可分為兩類：一是改善原始影像色調(diào)的彩色影像增強(qiáng)技術(shù)；二是保持原始影像色調(diào)的彩色影像增強(qiáng)技術(shù)。第一類增強(qiáng)技術(shù)主要針對(duì)存在光照不足或不均問題的彩色影像；第二類增強(qiáng)技術(shù)一般是以彩色空間變換技術(shù)為基礎(chǔ)，計(jì)算量十分巨大。文獻(xiàn)[2]指出，即使不進(jìn)行彩色空間變換，也可以通過對(duì)R、G、B 3個(gè)顏色分量進(jìn)行同尺度的平移或比例伸縮的線性變換，依然能保持彩色影像色調(diào)不變。對(duì)海島礁彩色影像采用文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行處理很容易產(chǎn)生嚴(yán)重的彩色灰度化現(xiàn)象。本文利用基于遺傳算法的模糊增強(qiáng)算法增強(qiáng)海島礁灰度影像，在增強(qiáng)灰度影像的同時(shí)仍考慮了彩色影像的視覺效果，避免了色彩灰度化現(xiàn)象的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了海島礁彩色影像色彩保持的增強(qiáng)方法。

1 基于遺傳算法的模糊增強(qiáng)理論

1.1 模糊增強(qiáng)理論

根據(jù)模糊集理論，海島礁灰度影像可視為如式（1）所示的由模糊點(diǎn)集組成的矩陣[3]：

其中，gij為第（i，j）點(diǎn)的灰度值；pij（0≤pij≤1）為模糊特征，表示第（i，j）點(diǎn)具有某種特征的程度。模糊特征按公式（2）計(jì)算，若gmax表示最大灰度值，則模糊特征表示第（i，j）點(diǎn)像素具有最大灰度的程度，其中Fd、Fe是模糊參數(shù)，本文Fe取3/2。

1.2 遺傳算法優(yōu)化

遺傳算法GA（genetic algorithms）是借鑒生物界進(jìn)化規(guī)律演化而來的隨機(jī)搜索方法[4]。遺傳算法主要由編/解碼方案、適應(yīng)度函數(shù)、遺傳操作等要素構(gòu)成，其中編/解碼方案是搜索空間與解空間的聯(lián)系，適應(yīng)度函數(shù)是評(píng)價(jià)個(gè)體優(yōu)劣的重要準(zhǔn)則，遺傳操作是實(shí)現(xiàn)搜索優(yōu)化的具體操作。遺傳算法作為一種并行性好、魯棒性高的搜索算法，與傳統(tǒng)的搜索方法相比具有更好的全局優(yōu)化能力。但遺傳算法也存在一定的不足，如運(yùn)行參數(shù)的選擇還沒有合理的理論依據(jù)，只能通過多次實(shí)驗(yàn)來確定其取值大小。本文利用文獻(xiàn)[5]方法（fibonacci genetic algorithms，F(xiàn)GA）自適應(yīng)調(diào)整遺傳算法的交叉概率、變異概率，并將其應(yīng)用于海島礁彩色遙感影像增強(qiáng)處理中。

1.2.1 編碼方式實(shí)現(xiàn)

綜合式（2）、式（3），合理選擇模糊參數(shù)Fd是保證增強(qiáng)效果的重要因素，F(xiàn)d可由公式（2）解算。本文將分界點(diǎn)gc作為直接目標(biāo)解，采用8位的Gray碼對(duì)gc進(jìn)行編碼，通過遺傳優(yōu)化gc以達(dá)到求解模糊參數(shù)Fd的目的。

1.2.2 遺傳操作確定

遺傳操作包括選擇操作、交叉操作、變異操作。選擇操作采用賭輪法與最優(yōu)保存相結(jié)合的策略，在理論上已經(jīng)證明使用最優(yōu)保存策略的遺傳算法總能夠以概率1搜索到最優(yōu)解；交叉操作采用均勻交叉算子，為了防止近親繁殖，規(guī)定雜交的兩個(gè)父代個(gè)體不能為同一個(gè)體；變異操作采用基本位變異算子。

1.2.3 適應(yīng)度函數(shù)設(shè)計(jì)

適應(yīng)度函數(shù)是遺傳算法評(píng)價(jià)個(gè)體優(yōu)劣的重要準(zhǔn)則，本文的適應(yīng)度函數(shù)要能正確衡量海島礁灰度遙感影像的視覺質(zhì)量。文獻(xiàn)[6]提出了通用的具有視覺感知特性的最佳質(zhì)量彩色影像評(píng)價(jià)函數(shù)CAF。CAF的計(jì)算基于獨(dú)立彩色遙感影像，不依賴于與參考彩色遙感影像輔助。本文是針對(duì)海島礁灰度遙感影像的增強(qiáng)方法，無法直接采用文獻(xiàn)[6]提出的通用彩色影像評(píng)價(jià)函數(shù)，為此本文提出了如式（4）所示的最佳質(zhì)量灰度影像評(píng)價(jià)函數(shù)CAFg。其中Eng是信息熵。文獻(xiàn)[7]指出，若直接使用傳統(tǒng)信息熵表達(dá)式可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，因此本文設(shè)計(jì)了一種如式（5）所示的信息熵。其中Cj是灰度值域的子集，cj為補(bǔ)償系數(shù)且。本文將灰度值域劃分為50個(gè)子集，cj=(?1)j0.01/50。ACg是如式（6）所示的平均對(duì)比度，ACx、ACy分別是海島礁灰度影像在x、y方向的平均對(duì)比度，如式（8）、式（9）所示。NVDg是如式（7）所示的歸一化亮度差，G(x, y)是影像灰度值，G(x, y)是灰度的均值。

1.2.4 運(yùn)行參數(shù)設(shè)定

遺傳算法需設(shè)定的運(yùn)行參數(shù)有種群大小、終止遺傳代數(shù)、交叉概率、變異概率。本文采用文獻(xiàn)[5]提出的自適應(yīng)改進(jìn)方法，認(rèn)為交叉概率的增長率、變異概率構(gòu)成Fibonacci數(shù)列。交叉概率Pc、變異概率Pm依式（10）、式（11）自適應(yīng)變化，其中Pcb、?1、?2分別是常數(shù)0.70、0.000 036 9、0.000 015，t為最大個(gè)體維持不變的代數(shù)，F(xiàn)ibo(t)是Fibonacci函數(shù)。遺傳算法具體運(yùn)行時(shí)種群大小為8，終止遺傳代數(shù)為100，最大終止代數(shù)為30。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文選用兩幅由RC30相機(jī)獲取的舟山群島附近的海島礁彩色遙感影像，實(shí)驗(yàn)影像塊大小是256×256像素。以AMD Athlon 5200+處理器為硬件平臺(tái)，以Microsoft Visual C++6.0為軟件環(huán)境進(jìn)行了海島礁彩色遙感影像色彩保持增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)直方圖方法（對(duì)HSV變換中的亮度分量采用傳統(tǒng)直方圖均衡化方法處理）、文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[8]方法進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。表1為海島礁彩色影像質(zhì)量測度。海島礁彩色遙感影像的質(zhì)量測度主要包括信息熵lnEnc、平均對(duì)比度ACC、平均亮度AG'、能量函數(shù)Fac。具體計(jì)算方法見公式（12）～公式（16）。其中信息熵越大，彩色遙感影像信息量越豐富，色度分布越均勻；能量函數(shù)越大，彩色遙感影像像元的平均變化越劇烈；平均亮度越大，彩色遙感影像的亮度越高；平均對(duì)比度越大，彩色遙感影像的反差越高。

圖1 海島礁彩色遙感影像的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1 海島礁彩色遙感影像質(zhì)量測度及運(yùn)行時(shí)間

由表1可以看出，與原始海島礁彩色影像相比，傳統(tǒng)直方圖方法、文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[8]方法均在大幅提升海島礁彩色遙感影像的信息熵、能量函數(shù)、平均對(duì)比度的同時(shí)，降低了海島礁彩色遙感影像的平均亮度；本文方法盡管對(duì)海島礁彩色遙感影像的信息熵、能量函數(shù)、平均對(duì)比度的提升幅度沒有其他方法那么大，但本文方法也是唯一在提高這三種質(zhì)量測度的同時(shí)還提高了海島礁彩色遙感影像的平均亮度測度。本文方法視覺效果最好、色彩鮮明，有效突出了彩色遙感影像在表達(dá)遙感影像信息方面的優(yōu)越性。

3 結(jié) 語

本文將模糊增強(qiáng)方法引入到海島礁彩色遙感影像增強(qiáng)處理中，再輔以遺傳算法優(yōu)化模糊增強(qiáng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有最佳彩色質(zhì)量的海島礁彩色遙感影像增強(qiáng)。該方法有效改善了海島礁彩色遙感影像的視覺質(zhì)量，滿足了遙感影像處理對(duì)質(zhì)量測度“適中”的要求，保持了海島礁彩色遙感影像的色彩信息；充分利用了遺傳算法優(yōu)化模糊增強(qiáng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了無人工干預(yù)的海島礁彩色遙感影像增強(qiáng)處理，降低了對(duì)海島礁彩色遙感影像先驗(yàn)知識(shí)的依賴。

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P237

B

1672-4623（2017）02-0083-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.02.026

2015-01-30。

項(xiàng)目來源：61206部隊(duì)一般科研項(xiàng)目“海岸帶地形圖測量初探”。

李國，碩士，工程師，主要從事數(shù)字圖像處理、遺傳算法及其應(yīng)用研究。