Low illumination image enhancement method based on quad-stable stochastic resonance

Min WEI; Xiao-feng HU; Min LIN

doi:10.37188/CJLCD.2021-0349

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Low illumination image enhancement method based on quad-stable stochastic resonance

Image Processing | 更新时间：2022-07-25

- Low illumination image enhancement method based on quad-stable stochastic resonance
- Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays Vol. 37, Issue 7, Pages: 871-879(2022)
- 作者机构：
  
  中国计量大学计量测试工程学院，浙江杭州 310018
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(11872061);Basic Public Welfare Research Project of Zhejiang Province(LGG21E050019)
- DOI：10.37188/CJLCD.2021-0349
  CLC： TP391
- Received：30 December 2021，
  
  Revised：07 February 2022，
  
  Published：05 July 2022
- 稿件说明：
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Min WEI, Xiao-feng HU, Min LIN. Low illumination image enhancement method based on quad-stable stochastic resonance[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2022, 37(7): 871-879.
DOI：

Min WEI, Xiao-feng HU, Min LIN. Low illumination image enhancement method based on quad-stable stochastic resonance[J]. Chinese journal of liquid crystals and displays, 2022, 37(7): 871-879. DOI： 10.37188/CJLCD.2021-0349.

摘要

为解决低照度环境下拍摄的图像对比度低、噪声强等问题，提出了基于四稳随机共振的图像增强方法。从产生随机共振的噪声与非线性相互作用出发，构建了非线性的四稳系统并分析其Kramers逃逸率，采用方差作为图像随机共振的衡量指标，建立了系统输出图像方差与噪声强度的近似解析表达式，研究了四稳随机共振在图像增强中的应用。理论分析与数值仿真结果表明，四稳系统输出图像的方差随噪声强度的变化呈现单峰特性，存在图像随机共振现象，且四稳系统产生的共振峰更高，共振效应更强。结合主观评价和客观评价指标，与直方图均衡化、单尺度Retinex、MSRCR和双稳系统进行了比较，结果表明四稳随机共振增强后图像的视觉效果最佳，信息熵为7.7，噪声方差小于0.002，相比于双稳随机共振分别提高了5%和38%。四稳系统更强的随机共振效应能进一步提高图像质量，在低照度图像增强方面更具优势。

Abstract

To solve the problems of low contrast， strong noise and lack of detail information of the images taken in low illumination environment， a low illumination image enhancement method based on quad-stable stochastic resonance is proposed. The interaction of noise and nonlinearity can produce stochastic resonance. Based on the theory， a nonlinear quad-stable system is constructed and its Kramers escape rate is analyzed. In order to measure stochastic resonance effect of quad-stable system objectively， the variance is used as an index of image stochastic resonance. The approximate analytical expression of the system output image variance with respect to noise intensity is established， and the effect of noise on image contrast enhancement is discussed. The theoretical analysis and numerical simulation indicate that with the change of noise intensity， the quad-stable system output image variance shows a single peak characteristic， which means that the phenomenon of image stochastic resonance appears. Compared with the classical bistable system， the peak of the formant produced by the quad-stable system is larger and the resonance effect is stronger. The proposed method is compared with the histogram equalization algorithm， single-scale Retinex algorithm， multi-scale Retinex with color restoration algorithm and bistable stochastic resonance method by subjective evaluation and objective evaluation indexes. The experimental results show that the visuals of the image enhanced by quad-stable stochastic resonance is the best， which information entropy is 7.7， and the estimated noise variance is less than 0.002. Under the joint action of low illumination image and noise， the stochastic resonance effect produced by the quad-stable system is more intense. This is beneficial to improve the noise utilization rate and further improve the image quality， so that the quad-stable stochastic resonance method has more advantages in low-illuminance image enhancement.

关键词

Keywords

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BENZI R ， SUTERA A ， VULPIANI A . The mechanism of stochastic resonance ［J］. Journal of Physics A： Mathematical and General ， 1981 ， 14 （ 11 ）： L453 - L457 . doi: 10.1088/0305-4470/14/11/006 http://dx.doi.org/10.1088/0305-4470/14/11/006

FU Y X ， KANG Y M ， CHEN G R . Stochastic resonance based visual perception using spiking neural networks ［J］. Frontiers in Computational Neuroscience ， 2020 ， 14 ： 24 . doi: 10.3389/fncom.2020.00024 http://dx.doi.org/10.3389/fncom.2020.00024

KOJIMA N ， LAMSAL B ， MATSUMOTO N ， et al . Proposing autotuning image enhancement method using stochastic resonance ［J］. Electronics and Communications in Japan ， 2019 ， 102 （ 4 ）： 35 - 46 .

LI M D ， SHI P M ， ZHANG W Y ， et al . Study on the optimal stochastic resonance of different bistable potential models based on output saturation characteristic and application ［J］. Chaos ， Solitons & Fractals， 2020 ， 139 ： 110098 . doi: 10.1016/j.chaos.2020.110098 http://dx.doi.org/10.1016/j.chaos.2020.110098

ZHAO S ， SHI P M ， HAN D Y . A novel mechanical fault signal feature extraction method based on unsaturated piecewise tri-stable stochastic resonance ［J］. Measurement ， 2021 ， 168 ： 108374 . doi: 10.1016/j.measurement.2020.108374 http://dx.doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108374

ITZCOVICH E ， RIANI M ， SANNITA W G . Stochastic resonance improves vision in the severely impaired ［J］. Science Reports ， 2017 ， 7 （ 1 ）： 12840 . doi: 10.1038/s41598-017-12906-2 http://dx.doi.org/10.1038/s41598-017-12906-2

WUEHR M ， BOERNER J C ， PRADHAN C ， et al . Stochastic resonance in the human vestibular system—noise-induced facilitation of vestibulospinal reflexes ［J］. Brain Stimulation ， 2018 ， 11 （ 2 ）： 261 - 263 . doi: 10.1016/j.brs.2017.10.016 http://dx.doi.org/10.1016/j.brs.2017.10.016

赖志慧，冷永刚 . 三稳系统的动态响应及随机共振［J］. 物理学报， 2015 ， 64 （ 20 ）： 200503 . doi: 10.7498/aps.64.200503 http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.200503

LAI Z H ， LENG Y G . Dynamic response and stochastic resonance of a tri-stable system ［J］. Acta Physica Sinica ， 2015 ， 64 （ 20 ）： 200503 . （in Chinese） . doi: 10.7498/aps.64.200503 http://dx.doi.org/10.7498/aps.64.200503

TANG J C ， SHI B Q ， LI Z X ， et al . Weak fault feature extraction method based on compound tri-stable stochastic resonance ［J］. Chinese Journal of Physics ， 2020 ， 66 ： 50 - 59 . doi: 10.1016/j.cjph.2020.05.009 http://dx.doi.org/10.1016/j.cjph.2020.05.009

俞莹丹，林敏，黄咏梅，等 . 四稳系统的双重随机共振特性［J］. 物理学报， 2021 ， 70 （ 4 ）： 040501 . doi: 10.7498/aps.70.20201346 http://dx.doi.org/10.7498/aps.70.20201346

YU Y D ， LIN M ， HUANG Y M ， et al . Double stochastic resonance characteristics of quad-stable system ［J］. Acta Physica Sinica ， 2021 ， 70 （ 4 ）： 040501 . （in Chinese） . doi: 10.7498/aps.70.20201346 http://dx.doi.org/10.7498/aps.70.20201346

吕建威，钱锋，韩昊男，等 . 结合光源分割和线性图像深度估计的夜间图像去雾［J］. 中国光学， 2022 ， 15 （ 1 ）： 34 - 44 . doi: 10.37188/co.2021-0114 http://dx.doi.org/10.37188/co.2021-0114

LV J W ， QIAN F ， HAN H N ， et al . Nighttime image dehazing with a new light segmentation method and a linear image depth estimation model ［J］. Chinese Optics ， 2022 ， 15 （ 1 ）： 34 - 44 . （in Chinese） . doi: 10.37188/co.2021-0114 http://dx.doi.org/10.37188/co.2021-0114

WANG X W ， CHEN L X . Contrast enhancement using feature-preserving bi-histogram equalization ［J］. Signal， Image and Video Processing ， 2018 ， 12 （ 4 ）： 685 - 692 . doi: 10.1007/s11760-017-1208-2 http://dx.doi.org/10.1007/s11760-017-1208-2

路皓翔，刘振丙，郭棚跃，等 . 多尺度卷积结合自适应双区间均衡化的图像增强［J］. 光子学报， 2020 ， 49 （ 10 ）： 1010002 . doi: 10.3788/gzxb20204910.1010002 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20204910.1010002

LU H X ， LIU Z B ， GUO P Y ， et al . Multi-scale convolution combined with adaptive bi-interval equalization for image enhancement ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2020 ， 49 （ 10 ）： 1010002 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20204910.1010002 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20204910.1010002

常戬，任营，贺春泽 . 改进双边滤波Retinex的多聚焦图像融合［J］. 中国图象图形学报， 2020 ， 25 （ 3 ）： 432 - 441 . doi: 10.11834/jig.190201 http://dx.doi.org/10.11834/jig.190201

CHANG J ， REN Y ， HE C Z . Improved multifocus image fusion algorithm for bilateral filtering Retinex ［J］. Journal of Image and Graphics ， 2020 ， 25 （ 3 ）： 432 - 441 . （in Chinese） . doi: 10.11834/jig.190201 http://dx.doi.org/10.11834/jig.190201

汤新雨，李敏，徐灵丽，等 . 基于透射率修正的湍流模型与动态调整Retinex的水下图像增强［J］. 中国图象图形学报， 2020 ， 25 （ 7 ）： 1380 - 1392 . doi: 10.11834/jig.190482 http://dx.doi.org/10.11834/jig.190482

TANG X Y ， LI M ， XU L L ， et al . Underwater image enhancement based on turbulence model corrected by transmittance and dynamically adjusted Retinex ［J］. Journal of Image and Graphics ， 2020 ， 25 （ 7 ）： 1380 - 1392 . （in Chinese） . doi: 10.11834/jig.190482 http://dx.doi.org/10.11834/jig.190482

田子建，王满利，张元刚 . 基于双域分解的图像增强算法［J］. 电子学报， 2020 ， 48 （ 7 ）： 1311 - 1320 . doi: 10.3969/j.issn.0372-2112.2020.07.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0372-2112.2020.07.009

TIAN Z J ， WANG M L ， ZHANG Y G . Image enhancement algorithm based on dual domain decomposition ［J］. Acta Electronica Sinica ， 2020 ， 48 （ 7 ）： 1311 - 1320 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.0372-2112.2020.07.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.0372-2112.2020.07.009

李佳，李少娟，段小虎，等 . 基于Retinex理论与概率非局部均值的红外图像增强方法［J］. 光子学报， 2020 ， 49 （ 4 ）： 0410003 . doi: 10.3788/gzxb20204904.0410003 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20204904.0410003

LI J ， LI S J ， DUAN X H ， et al . Infrared image enhancement based on Retinex and probability nonlocal means filtering ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2020 ， 49 （ 4 ）： 0410003 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20204904.0410003 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20204904.0410003

程亚亚，于化东，于占江，等 . 微铣刀同轴全息图像增强方法［J］. 中国光学， 2020 ， 13 （ 4 ）： 705 - 712 . doi: 10.37188/CO.2019-0217 http://dx.doi.org/10.37188/CO.2019-0217

CHENG Y Y ， YU H D ， YU Z J ， et al . Method of enhancing the quality of in-line holographic images for micro-milling tool ［J］. Chinese Optics ， 2020 ， 13 （ 4 ）： 705 - 712 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CO.2019-0217 http://dx.doi.org/10.37188/CO.2019-0217

周文舟，范晨，胡小平，等 . 多尺度奇异值分解的偏振图像融合去雾算法与实验［J］. 中国光学， 2021 ， 14 （ 2 ）： 298 - 306 . doi: 10.37188/CO.2020-0099 http://dx.doi.org/10.37188/CO.2020-0099

ZHOU W Z ， FAN C ， HU X P ， et al . Multi-scale singular value decomposition polarization image fusion defogging algorithm and experiment ［J］. Chinese Optics ， 2021 ， 14 （ 2 ）： 298 - 306 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CO.2020-0099 http://dx.doi.org/10.37188/CO.2020-0099

高文，肖海峰 . 基于动态双稳随机共振的低照度彩色图像增强［J］. 液晶与显示， 2021 ， 36 （ 6 ）： 861 - 868 . doi: 10.37188/CJLCD.2020-0283 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2020-0283

GAO W ， XIAO H F . Low illumination color image enhancement based on dynamic bistable stochastic resonance ［J］. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays ， 2021 ， 36 （ 6 ）： 861 - 868 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJLCD.2020-0283 http://dx.doi.org/10.37188/CJLCD.2020-0283

JHA R K ， CHOUHAN R ， BISWAS P K . Noise-induced contrast enhancement of dark images using non-dynamic stochastic resonance ［C］// National Conference on Communications . Kharagpur， India ： IEEE ， 2012 ： 1 - 5 . doi: 10.1109/ncc.2012.6176793 http://dx.doi.org/10.1109/ncc.2012.6176793

ASHA C S ， SINGH M ， SURESH S ， et al . Optimized dynamic stochastic resonance framework for enhancement of structural details of satellite images ［J］. Remote Sensing Applications： Society and Environment ， 2020 ， 20 ： 100415 . doi: 10.1016/j.rsase.2020.100415 http://dx.doi.org/10.1016/j.rsase.2020.100415

GAMMAITONI L ， MARCHESONI F ， MENICHELLA-SAETTA E ， et al . Stochastic resonance in bistable systems ［J］. Physical Review Letters ， 1989 ， 62 （ 4 ）： 349 - 352 . doi: 10.1103/physrevlett.62.349 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.62.349

JOBSON D J ， RAHMAN Z U ， WOODELL G A . A multiscale Retinex for bridging the gap between color images and the human observation of scenes ［J］. IEEE Transactions on Image Processing ， 1997 ， 6 （ 7 ）： 965 - 976 . doi: 10.1109/83.597272 http://dx.doi.org/10.1109/83.597272

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