基于四稳随机共振的低照度图像增强方法

魏敏; 胡晓峰; 林敏

doi:10.37188/CJLCD.2021-0349

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基于四稳随机共振的低照度图像增强方法

图像处理 | 更新时间：2022-07-25

- 基于四稳随机共振的低照度图像增强方法
- Low illumination image enhancement method based on quad-stable stochastic resonance
- 液晶与显示 2022年37卷第7期页码：871-879
- 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：
  
  [ "魏敏（1996—），女，安徽芜湖人，硕士研究生，2018年于中国计量大学获得学士学位，主要研究方向为信号处理。E-mail： the_angel_scroll@163.com" ]
  [ "林敏（1962—），男，浙江台州人，硕士，教授，1997年于浙江大学获得硕士学位，主要研究方向为信号处理、近红外光谱检测、汽车关键零部件检测。E-mail： linm@cjlu.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(11872061);浙江省公益技术研究计划(LGG21E050019)
- DOI：10.37188/CJLCD.2021-0349
  中图分类号： TP391
- 收稿日期：2021-12-30，
  
  修回日期：2022-02-07，
  
  纸质出版日期：2022-07-05
- 稿件说明：
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魏敏, 胡晓峰, 林敏. 基于四稳随机共振的低照度图像增强方法[J]. 液晶与显示, 2022,37(7):871-879.

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.
魏敏, 胡晓峰, 林敏. 基于四稳随机共振的低照度图像增强方法[J]. 液晶与显示, 2022,37(7):871-879. DOI： 10.37188/CJLCD.2021-0349.

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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