饱水简牍的水下图像处理方法及相关装置

本发明涉及图像处理，尤其涉及一种饱水简牍的水下图像处理方法及相关装置。

背景技术：

1、简牍作为重要的古代文献载体，承载了丰富的历史、法律、经济、文化等信息，其出土环境（如潮湿阴暗的古水井、河道沉积层）普遍为饱水环境，出土后简牍材质多为疏松竹木，纤维粗糙，若直接暴露于空气中极易发生翘曲、开裂与墨迹褪色，因此文物保存领域普遍采用“水浸保存”方案，使简牍在相对稳定的水环境中进行展示与长期存储，同时需对简牍表面文字进行高保真数字化留存，为后续文字识别、历史研究提供基础数据。

2、目前简牍数字化采集主要存在两类技术路径：一类是基于空气环境的红外成像法，该方法要求将饱水简牍进行脱水干燥处理后拍摄，但脱水过程会导致文物发生不可逆的物理损耗，包括墨迹淡化、晕染以及木质基底变形，造成宝贵的文字细节永久丢失；另一类是单体密闭水下采集法，直接在水下保存液中进行拍摄，但水下成像面临严重的光学退化效应：水分子及悬浮颗粒的吸收和散射会导致光能量快速衰减，传统点光源或面光源易产生强烈的背向散射眩光及局部阴影，导致采集图像出现颜色失真、虚假轮廓及对比度骤降，难以直接用于文字识别。

3、随着各地简牍集中大量出土，如何实现饱水简牍表面文字的高保真、大批量数字化采集，同时避免文物损伤，成为当前亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种饱水简牍的水下图像处理方法及相关装置，可以解决现有技术中水下采集的简牍图像存在文字失真、对比度低，难以直接用于文字识别的问题。

2、为实现上述目的，本发明第一方面提供一种获取在水下采集的饱水简牍的图像序列，所述图像序列包括n帧具有部分视场重叠的图像，所述n帧图像具有不同视角；

3、对所述n帧图像中的每一帧图像，依次执行跨介质几何畸变校正和三维平场归一化的预处理，得到预处理后的n帧图像；

4、利用所述预处理后的n帧图像中对应空间位置的像素信息，在水下成像物理模型框架下对所述预处理后的n帧图像剥离后向散射分量，得到n帧去散射图像；

5、对所述n帧去散射图像进行空间对齐，通过相同空间位置的图像块比对剔除异常图像块并融合重构，得到单帧的无遮挡图像；

6、对所述无遮挡图像的高频反射分量图像进行局部自适应对比度增强处理，输出增强后的目标简牍图像；所述高频反射分量图像用于反映所述饱水简牍的墨迹特征，所述高频反射分量图像基于受限照度分量图像解耦得出，所述受限照度分量图像是利用预先标定的照度下限阈值约束所述无遮挡图像的低频照度分量图像得到，所述照度下限阈值是根据饱水木材纤维在全波段的物理反射率下限基准预先标定的。

7、在一种可行实现方式中，所述利用所述预处理后的n帧图像中对应空间位置的像素信息，在水下成像物理模型框架下对所述预处理后的n帧图像剥离后向散射分量，得到n帧去散射图像，包括：

8、将所述预处理后的n帧图像分别划分为m个图像块；

9、从每一帧的每个图像块中提取最暗像素构成各帧的后向散射强度向量，得到n个后向散射强度向量；

10、横向比对不同帧的所述后向散射强度向量中对应空间位置的元素，确定m个图像块对应的m个局部区域的m个全局最小值；

11、基于所述m个全局最小值构建多视角后向散射强度向量；

12、基于所述多视角后向散射强度向量求解人工光照分布模型的系数，生成后向散射分量图像；

13、利用预先确定的水深参数、所述后向散射分量图像以及预设的jaffe-mcglamery模型对所述n帧几何校正图像执行散射退化反演，从所述n帧几何校正图像中逐像素剥离后向散射分量，得到n帧去散射图像；所述水下成像物理模型包括所述jaffe-mcglamery模型。

14、在一种可行实现方式中，所述n为奇数，所述n大于1，则所述对所述n帧去散射图像进行空间对齐，包括：

15、将所述n帧去散射图像的中间帧作为参考帧；

16、利用预设的特征检测算法分别对各帧所述去散射图像进行特征点检测，得到各帧的特征点；

17、利用预设的特征点匹配算法对除所述参考帧以外的其余帧进行与所述参考帧的特征点匹配处理，得到其余帧与所述参考帧之间的匹配的特征点对；

18、基于所述特征点对计算各个所述其余帧相对于参考帧的透视变换矩阵；

19、基于所述透视变换矩阵将所述其余帧的图像变换至所述参考帧的坐标系下，得到空间对齐后的图像。

20、在一种可行实现方式中，所述通过相同空间位置的图像块比对剔除异常图像块并融合重构，得到单帧的无遮挡图像，包括：

21、从所述空间对齐后的图像中提取完全重叠的共视区域，确定为感兴趣区域；

22、将所述感兴趣区域划分为多个图像块；

23、对相同空间位置的图像块进行两两配对计算平均强度差；

24、剔除所述平均强度差超过预设阈值的异常图像块；并选取所述平均强度差最小的图像块对逐像素求均值进行融合重构，得到单帧的无遮挡图像。

25、在一种可行实现方式中，所述对所述无遮挡图像的高频反射分量图像进行局部自适应对比度增强处理，输出增强后的目标简牍图像，之前还包括：

26、将所述无遮挡图像转换到对数域，得到对数域图像；

27、通过多尺度高斯卷积函数对所述对数域图像进行平滑，得到低频照度分量图像；

28、利用所述照度下限阈值，将所述低频照度分量图像中低于所述照度下限阈值的目标照度值截断并提升至所述照度下限阈值，生成受限照度分量图像；

29、基于所述受限照度分量图像以及所述对数域图像，解耦出高频反射分量图像。

30、在一种可行实现方式中，所述对所述n帧图像中的每一帧图像，依次执行跨介质几何畸变校正和三维平场归一化的预处理，得到预处理后的n帧图像，包括：

31、利用预设的三维平场归一化算法、预先标定的不同颜色通道的白场图像以及黑场图像对所述每一帧图像进行逐像素且分颜色通道的三维平场归一化处理，得到n帧归一化后的图像；

32、基于斯涅耳定律构建跨介质射线追踪模型，以防水罩玻璃的厚度和折射率、保存液的折射率以及相机光心到所述饱水简牍的表面的垂直物距作为已知常量输入，逆向追踪从相机像素坐标经各介质层到达所述饱水简牍的表面的光线路径，计算每帧归一化后的图像各像素点的非线性偏移向量；

33、根据所述偏移向量对各帧所述归一化后的图像执行空间坐标重映射，得到消除跨介质畸变的校正图像，所述预处理后的n帧图像包括所述校正图像。

34、为实现上述目的，本发明第二方面提供一种饱水简牍的水下图像处理装置，所述装置包括：

35、图像获取模块：用于获取在水下采集的饱水简牍的图像序列，所述图像序列包括n帧具有部分视场重叠的图像，所述n帧图像具有不同视角；

36、图像预处理模块：用于对所述n帧图像中的每一帧图像，依次执行跨介质几何畸变校正和三维平场归一化的预处理，得到预处理后的n帧图像；

37、去散射模块：用于利用所述预处理后的n帧图像中对应空间位置的像素信息，在水下成像物理模型框架下对所述预处理后的n帧图像剥离后向散射分量，得到n帧去散射图像；

38、去遮挡模块：用于对所述n帧去散射图像进行空间对齐，通过相同空间位置的图像块比对剔除异常图像块并融合重构，得到单帧的无遮挡图像；

39、墨迹增强模块：用于对所述无遮挡图像的高频反射分量图像进行局部自适应对比度增强处理，输出增强后的目标简牍图像；所述高频反射分量图像用于反映所述饱水简牍的墨迹特征，所述高频反射分量图像基于受限照度分量图像解耦得出，所述受限照度分量图像是利用预先标定的照度下限阈值约束所述无遮挡图像的低频照度分量图像得到，所述照度下限阈值是根据饱水木材纤维在全波段的物理反射率下限基准预先标定的。

40、为实现上述目的，本发明第三方面提供一种水下简牍多视角扫描装置，所述水下简牍多视角扫描装置包括：

41、水箱，所述水箱的底部用于放置若干枚简牍，所述水箱用于提供简牍图像的水下采集环境；

42、进给执行组件，所述进给执行组件架设于所述水箱的顶部；

43、图像采集装置，所述图像采集装置设置在所述进给执行组件上，用于随所述进给执行组件移动，以在进给过程中对所述水箱底部的简牍进行图像采集，以得到所述饱水简牍的图像序列；

44、平场防水罩组件，所述平场防水罩组件套设于所述图像采集装置的外部，在图像采集时，所述平场防水罩组件的底部探入所述水箱的液面下方或紧贴液面；

45、环形无影柔光照明阵列，所述环形无影柔光照明阵列环绕贴附于所述水箱内壁的水位线下方，在图像采集时提供无阴影环境；

46、主控单元，所述主控单元与环形无影柔光照明阵列、图像采集装置以及进给执行组件之间具有通讯连接，以向所述环形无影柔光照明阵列、图像采集装置以及进给执行组件发送工作指令，所述主控单元还用于执行如第一方面及任一可行实现方式所示步骤。

47、为实现上述目的，本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如第一方面及任一可行实现方式所示步骤。

48、为实现上述目的，本发明第五方面提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如第一方面及任一可行实现方式所示步骤。

49、采用本发明实施例，具有如下有益效果：

50、本发明提供一种饱水简牍的水下图像处理方法，方法包括：获取在水下采集的简牍的图像序列，图像序列包括n帧具有部分视场重叠的图像，n帧图像具有不同视角；对n帧图像中的每一帧图像，依次执行跨介质几何畸变校正和三维平场归一化的预处理，得到预处理后的n帧图像；利用预处理后的n帧图像中对应空间位置的像素信息，在水下成像物理模型框架下对预处理后的n帧图像剥离后向散射分量，得到n帧去散射图像；对所述无遮挡图像的高频反射分量图像进行局部自适应对比度增强处理，输出增强后的目标简牍图像；所述高频反射分量图像用于反映所述饱水简牍的墨迹特征，所述高频反射分量图像基于受限照度分量图像解耦得出，所述受限照度分量图像是利用预先标定的照度下限阈值约束所述无遮挡图像的低频照度分量图像得到，所述照度下限阈值是根据饱水木材纤维在全波段的物理反射率下限基准预先标定的。

51、本发明提供一种饱水简牍的水下图像处理方法，通过多视角图像采集结合分层处理架构，首先针对水下成像的跨介质畸变问题，基于斯涅尔定律构建射线追踪模型进行非线性畸变校正，同时通过三维平场归一化消除光照不均，得到无畸变、曝光均匀的预处理图像；其次基于水下成像物理模型，利用多视角图像的最暗像素信息构建全局后向散射强度向量，逐像素剥离后向散射分量，有效消除水下眩光与颜色失真；再通过多视角图像对齐与异常块剔除融合，消除悬浮颗粒、气泡等瞬时遮挡干扰，得到无遮挡的清晰基底图像；最后针对饱水简牍的材质特性，利用根据饱水木材纤维在全波段的物理反射率下限基准预先标定的照度下限阈值约束低频照度分量，解耦出反映墨迹特征的高频反射分量并进行局部自适应对比度增强，在抑制木质纹理干扰的同时强化墨迹边缘清晰度。该方法无需对饱水简牍进行脱水处理，避免了文物损伤，同时输出的目标简牍图像墨迹清晰、失真度低，可直接用于文字识别与数字化存档，支持批量连续处理，大幅提升了简牍数字化采集的效率与保真度。