Structure-Revealing Low-Light Image Enhancement Via Robust Retinex Model
1. 论文研究目标与实际意义
1.1 研究目标
论文旨在解决低光照图像增强（Low-Light Image Enhancement）中存在的噪声放大问题。传统基于Retinex模型的方法通过分解图像为反射率（Reflectance）和光照（Illumination）进行增强，但未显式建模噪声，导致噪声在增强过程中被放大。本文提出鲁棒Retinex模型（Robust Retinex Model），引入噪声图（Noise Map）并对反射率和光照施加新颖的正则化约束，以同时增强图像细节并抑制噪声。
1.2 实际问题与产业意义
低光照图像普遍存在低对比度、低信噪比（SNR）和高噪声等问题，直接影响消费级摄影、自动驾驶（如夜间目标检测）和医学成像等领域的性能。现有方法需在增强后单独去噪，但顺序操作易导致信息丢失或模糊。本方法通过联合优化实现增强与去噪一体化，提升视觉质量并降低后处理复杂度，对实际应用具有重要价值。
2. 论文提出的新方法与模型
2.1 鲁棒Retinex模型架构
2.1.1 经典Retinex模型的局限性
传统Retinex模型（式1）将观测图像 I I I 分解为反射率 R R R 和光照 L L L 的逐元素乘积：
I = R ∘ L ( 1 ) I = R \circ L \qquad (1) I=R∘L(1)
但在低光照条件下，图像噪声 N N N 无法被显式建模，导致噪声会被错误分配到 R R R 或 L L L 中。论文指出：
2.1.2 鲁棒Retinex模型的创新引入
本文提出扩展模型（式2），引入显式噪声图（Noise Map） N N N ：
I = R ∘ L + N ( 2 ) I = R \circ L + N \qquad (2) I=R∘L+N(2)
该模型首次在Retinex框架中分离噪声，解决了以下关键问题：
- 噪声解耦：通过独立建模 N N N ，避免噪声污染 R R R 和 L L L
- 物理合理性：更贴近真实成像过程（传感器噪声为加性噪声）
- 联合优化：增强与去噪可在同一框架内完成
2.2 优化目标函数设计
2.2.1 基线分解模型（Baseline Decomposition）
优化目标如式3所示：
arg min R , L ∥ R ∘ L − I ∥ F 2 + β ∥ ∇ L ∥ 1 + ω ∥ ∇ R − G ∥ F 2 ( 3 ) \underset{R,L}{\arg\min} \|R \circ L - I\|_{F}^{2} + \beta \|\nabla L\|_{1} + \omega \|\nabla R - G\|_{F}^{2} \qquad (3) R,Largmin∥R∘L−I∥F2+β∥∇L∥1+ω∥∇R−G∥F2(3)
各分项解析：
- 保真项 ∥ R ∘ L − I ∥ F 2 \|R \circ L - I\|_{F}^{2} ∥R∘L−I∥F2：强制分解后的 R ∘ L R \circ L R∘L 逼近观测图像
- 光照约束 β ∥ ∇ L ∥ 1 \beta \|\nabla L\|_{1} β∥∇L∥1：使用 ℓ 1 \ell_1 ℓ1 范数强制光照分段平滑（Piece-wise Smoothness） ，优于传统 ℓ 2 \ell_2 ℓ2 平滑（避免光晕效应）
- 反射率梯度引导 ω ∥ ∇ R − G ∥ F 2 \omega \|\nabla R - G\|_{F}^{2} ω∥∇R−G∥