【2024APMCM亚太杯A题】详细解题思路

解题思路

问题一

问题 1：请使用类似上文提到的图像统计分析技术，对附件 1 提供的水下图像进行多角度分析。将附件 1 提供的图像分为偏色、弱光、模糊三类，并在“Answer.xls”附件中三个位置填写文件名，并说明这样分类的原因。

图像统计分析技术

除了文中提到的直方图和边缘算子，以下是一些常见的图像统计分析技术，这些技术可用于对水下图像或其他图像进行深入分析：

• 灰度共生矩阵（GLCM）
  用于分析图像的纹理特征，通过统计像素灰度值之间的空间关系提取特征，例如对比度、能量、熵和相关性。
• 频域分析
  通过傅里叶变换将图像从空间域转换到频域，分析图像的频率分布，例如低频区域用于检测整体亮度分布，高频区域用于检测边缘和纹理。
• 颜色空间转换与分析
  将图像从RGB空间转换到其他颜色空间（如HSV、Lab），分析亮度、饱和度和色调的分布，用于处理水下光照和色彩失真的问题。
• 梯度计算
  利用梯度算子（如Sobel、Prewitt、Scharr）计算图像的梯度强度和方向，以检测边缘清晰度和形状特征。
• 熵计算
  图像熵用于量化图像中信息的复杂度。熵越高，表示图像信息越丰富，随机性越高。
• 小波变换
  通过小波分解图像，分析其不同尺度的细节和纹理特征，用于检测图像的细节信息和去噪处理。
• 边缘分割和轮廓分析
  应用Canny、Laplacian等边缘检测算子，通过统计物体轮廓的长度、面积或形状，获取图像中目标的结构信息。
• 光流分析
  用于动态图像或视频中，统计像素的运动信息（如方向和速度），评估水下物体移动的轨迹。
• 直方图均衡化与统计
  分析图像亮度值分布，检查亮度均匀性并评估对比度调整的效果。
• 图像特征点统计
  通过特征点检测算法（如SIFT、SURF、ORB）统计图像中的关键点密度和分布，用于评估图像质量或检测关键区域。
• 噪声分布分析
  分析图像中的噪声类型（高斯噪声、椒盐噪声等）及其强度，确定去噪处理的必要性和方法。
• 形态学分析
  使用数学形态学操作（如腐蚀、膨胀、开运算和闭运算）分析图像结构和目标物体的形态特征。
• 亮度对比分析
  统计图像中明暗区域的分布比例，分析亮度对比度是否适合人眼感知。

一、检测 偏色 的技术

1.颜色直方图分析
统计不同通道（R、G、B或HSV空间中的H通道）的颜色分布，检查颜色是否集中在某一特定通道上。例如，偏蓝或偏绿色可能是水下图像常见的偏色情况。
2.颜色空间转换与分析
转换到Lab或YUV颜色空间，分析亮度（L通道）和色彩信息（a、b通道）的偏移程度。Lab颜色空间中的a、b分量可以直观反映色彩失衡。
3.白平衡检测
计算图像中灰度均衡性是否异常，例如通过灰度世界假设（Gray World Assumption）检测整体色彩是否失衡。
4.颜色饱和度检测
在HSV颜色空间中分析S通道分布。如果S值异常集中或过低，可能暗示偏色情况。

二、检测 弱光 的技术

1.亮度直方图分析
分析图像灰度分布或亮度分布（Y通道、L通道或HSV的V通道）。当亮度值集中在低范围时，可以判定图像为弱光。
2.对比度测量
使用亮度对比度公式（如对比度=亮度最大值与最小值的差值）检测整体对比度。弱光图像通常对比度较低。
3.熵计算
弱光图像的信息熵较低，因为暗区像素分布单一，图像信息不丰富。
4.伽马分布分析
检测亮度分布曲线是否偏向低值区域，低伽马值可能表明弱光问题。
5.动态范围分析
检查图像的动态范围（即亮度值从最低到最高的跨度）。弱光图像动态范围通常较窄。

三、检测 模糊 的技术

1.梯度分布统计
使用梯度算子（如Sobel、Prewitt）统计图像中梯度值的分布情况。模糊图像通常梯度强度较低，边缘模糊。
2.拉普拉斯方差分析
计算图像的拉普拉斯算子方差。如果方差值过低，说明图像的清晰度较差。
3.频域分析
对图像进行傅里叶变换，分析高频分量的分布。模糊图像高频成分衰减显著。
4.边缘检测结果统计
使用Canny或其他边缘检测算法统计边缘数量和清晰度。如果边缘数量明显减少或边缘较软，则可能是模糊图像。
5.对比度梯度分析（Contrast Gradient Analysis）
模糊图像的局部对比度梯度变化较小，清晰度低。
6.视觉感知清晰度模型（VSI）
通过视觉感知清晰度指数（Visual Saliency Index）分析图像模糊程度，模拟人眼感知。

聚类算法

将所有特征进行值计算出来，进行聚类算法。

问题二

基于问题 1 中提出的退化类型，利用问题中提供的水下成像模型，构建附有图像的水下场景图像退化模型。分析不同场景 [1] 拍摄的水下图像的退化原因（包括但不限于偏色、弱光等）。分析这些退化模型的相同点或不同点（例如，从颜色、光照、清晰度等角度进行分类）。

1. 偏色
   偏色主要由水对不同波长光的吸收和散射导致。由于水对红光吸收更强、对蓝光吸收较弱，深水区域通常会出现偏蓝或偏绿色现象。
   原因分析：
   水深：光吸收随着水深增加，红光消失，绿光和蓝光主导。
   水体成分：悬浮颗粒和有机物会改变光的散射特性。
   环境光变化：水下环境光随光源类型、光照强度和方向变化。
2. 弱光
   弱光由环境光随深度衰减和光散射引起，导致整体亮度降低。
   原因分析：
   光照强度不足：在深水或阴影区域，光线衰减较快。
   后向散射分量：增加了散射光线，导致环境光的有效亮度降低。
   光透射率变化：水体浑浊度降低了光传递到目标的能力。
3. 模糊
   模糊通常是由前向散射引起的。光线被悬浮颗粒散射后进入成像系统，形成模糊的视觉效果。
   原因分析：
   悬浮颗粒的浓度：颗粒密度增加会导致更多的前向散射。
   物体与相机的距离：距离越远，散射效应越显著，导致图像模糊。
   
   具体退化类型的影响可以通过调整参数进行模拟：
   1.偏色：在 J(x)中增加颜色吸收模型（对 R/G/B 三通道的光强分别进行非线性衰减）。
   

2.弱光：降低环境光 B 的强度，同时调整透射率 t(x) 使整体亮度衰减。
弱光表现为整体亮度降低，常由环境光衰减、后向散射等引起。弱光退化可以通过调整环境光强度 B 和透射率 t(x) 来模拟。

3.模糊：加入基于前向散射的点扩散函数（PSF），模拟悬浮颗粒散射导致的模糊效果。

问题三

问题 3：基于问题 2 中建立的水下场景图像退化模型，提出针对单一场景（如偏色、模糊、弱光）量身定制的水下图像增强方法，并使用附件中提供的图像数据验证所提出的增强方法。将附件 2 中的测试图像的增强结果及其对应的评价指标纳入论文中，计算并呈现输出图像的 PSNR、UCIQE、UIQM 等评价指标，并填入“Answer.xls”中提供的附件 1 结果表格中。

增强方法：基于颜色校正与光照补偿的多阶段方法



偏色校正：

• 使用光吸收补偿模型恢复不同波长的光信息。
• 动态白平衡增强整体颜色均衡性。
  亮度补偿：
• CLAHE 和伽马校正提高暗区域的亮度和对比度。
  视觉优化：
• 高斯滤波器和 Retinex 进一步平滑颜色过渡，并增强细节。

问题四

现有的水下图像增强模型在不同场景下的建模适应性存在差异。请结合上述问题和附件中提供的图像，提出一种针对复杂场景的水下图像增强模型（例如非物理模型，可参考文献[2]-[5]），该模型应能够增强多种复杂场景下的水下图像退化问题。将附件2中测试图像的增强结果及其对应的评价指标纳入论文展示，计算并输出输出图像的PSNR、UCIQE、UIQM等评价指标，并填入“Answer.xls”中附件2结果表格中。

提出一种联合优化网络 (Joint Optimization Network, JONet)，包括以下模块：
1.多通道特征提取模块（MCFE）
用于捕获不同通道的颜色、纹理和亮度特征。
2.全局与局部增强模块（GLE-LFE）
用于处理光照不均和局部模糊问题。
3.多任务损失函数（MTL）
联合优化图像的颜色校正、对比度增强和清晰度。

• 训练数据：使用公开水下图像数据集（如 UIEB 数据集）和生成的合成退化图像。
• 训练过程：
• 数据增强：包括模拟偏色、弱光和模糊退化。
• 优化器：使用 Adam 优化器，学习率设置为 10^{-4}。
• 推理过程：输入退化图像，直接输出增强图像 I′(x)。
  

完整论文与代码

完成解题思路，以及完整论文代码请看下方~