一種實(shí)時(shí)去霧圖像增強(qiáng)算法的DSP實(shí)現(xiàn)

【摘要】受霧霾、光照差等環(huán)境影響，造成實(shí)際成像存在朦朧不清晰等問(wèn)題。霧霾天氣導(dǎo)致能見(jiàn)度降低，給人們的日常生活和出行帶來(lái)很大影響。為了更好地恢復(fù)霧霾圖像的場(chǎng)景信息，對(duì)霧霾圖像進(jìn)行處理復(fù)原來(lái)提高原圖像像質(zhì)是十分必要的，針對(duì)此問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)一款基于DSP的實(shí)時(shí)去霧增強(qiáng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)集合了DSP大型數(shù)據(jù)處理能力的優(yōu)點(diǎn)，很好地將改進(jìn)型“暗通道”原理算法移植其中。有效滿足了實(shí)時(shí)去霧增強(qiáng)功能要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和傳統(tǒng)去霧算法對(duì)比，實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定有效，能有效解決實(shí)際工程中霧霾、光照不足給成像造成的影響。

【關(guān)鍵詞】圖像去霧;圖像增強(qiáng);DSP

1.引言

圖像信息作為人類感知世界最直觀的信息之一，為我們認(rèn)識(shí)世界提供了極大的幫助。來(lái)隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，圖像信息從無(wú)到有，從模擬到數(shù)字，從黑白到彩色，近代以來(lái)隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，圖像信息經(jīng)過(guò)了從無(wú)到有，從模擬到數(shù)字，從黑白到彩色從可見(jiàn)光到多光譜等的不斷演進(jìn)，圖像質(zhì)量（分辨率、清晰度等）也有了極大提高。同時(shí)人類對(duì)圖像質(zhì)量要求也在不斷提高，其中可見(jiàn)光圖像由于跟人眼成像最為相近其觀感對(duì)人的影響更大，因而對(duì)其質(zhì)量要求更高。但受可見(jiàn)光傳輸及成像機(jī)理所限，所成圖像往往會(huì)受天氣如霧霾、光線不足等從成像過(guò)程暫時(shí)尚無(wú)法克服問(wèn)題的困擾，需要對(duì)其進(jìn)行事后處理。同時(shí)，在圖像跟蹤等應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)圖像進(jìn)行處理所帶來(lái)的時(shí)間延遲對(duì)伺服系統(tǒng)又是一種致命的缺點(diǎn)?；谝陨蠁?wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于TI TMS320C6437的實(shí)時(shí)圖像去霧增強(qiáng)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于工程實(shí)際。實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)能對(duì)圖像實(shí)現(xiàn)明顯的改善，且對(duì)正常圖像無(wú)不良影響。

2.去霧基本理論

把一張彩色霧霾天氣退化圖像，分解成R，G，B三個(gè)部分。分別對(duì)應(yīng)大氣波長(zhǎng)的高，中，低三個(gè)頻率段。把圖像分別變換成R， G，B顏色的三張圖像，針對(duì)這三張圖像進(jìn)行圖像處理，改善其每個(gè)像素的亮度關(guān)系，然后對(duì)圖像像素轉(zhuǎn)化恒浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。

像素間亮度變換：計(jì)算圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的亮度關(guān)系，主要由公式推導(dǎo)得出，具體方法我們假設(shè)在圖像其中一部分舉例，從圖像的某一點(diǎn)A到某一點(diǎn)B，有一條可尋路徑，該路徑上有n個(gè)像素點(diǎn)，它們像素大小分別為（），那么從點(diǎn)A到點(diǎn)B像素的亮暗關(guān)系相乘得到公式：

（1）

上式中，T為門限函數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，眼睛對(duì)明暗程度的感覺(jué)成指數(shù)分布，上式取對(duì)數(shù)可以獲取主觀感受。上式相乘然后取對(duì)數(shù)得到：

（2）

根據(jù)上式可知先對(duì)每個(gè)像素取對(duì)數(shù)，在做減法得到相對(duì)比值，比值相乘也得等于對(duì)數(shù)相加得到。所以在算法上先確定圖像中三個(gè)頻率波段像素的值，讓后再取對(duì)數(shù)，讓這些對(duì)數(shù)相加減得到圖像中像素的亮暗程度。利用這種算法對(duì)圖像像素的亮度受照度的影響弱，提高圖像的對(duì)比度和清晰程度，處理后霧霾圖像的質(zhì)量增強(qiáng)，對(duì)圖像的顏色失真得到很好的改善。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

去霧圖像處理系統(tǒng)以TMS320DM6437為核心進(jìn)行構(gòu)建，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 去霧圖像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)接收模擬PAL制霧霾信號(hào)視頻輸入，經(jīng)過(guò)視頻解碼后成為數(shù)字圖像信號(hào)。視頻解碼芯片采用TVP5l50PBS，與DM6437的S-Video相連。在DM6437中，將處理后的圖像數(shù)據(jù)輸出到DM6437的VGA視頻口。視頻編碼芯片采用SAA7121，系統(tǒng)中，輸出的視頻信號(hào)格式為PAL標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)。數(shù)字圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編碼器編碼后，生成PAL制的復(fù)合視頻信號(hào)，通過(guò)顯示器顯示出來(lái)。

圖3 去霧效果圖對(duì)比

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

用主觀視覺(jué)觀察數(shù)字圖像是一種非常有效而又重要的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法?，F(xiàn)在將本文算法和單尺度Retinex 方法所處理的圖像結(jié)果列出來(lái)如圖3所示。

表1 圖3評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

原始圖像 單尺度Retinex 本文算法

均值 61.38 117.83 115.28

標(biāo)準(zhǔn)差 35.42 56.42 54.35

熵 0.36 0.45 0.44

從表中數(shù)據(jù)可以看出：2 種圖像增強(qiáng)方法對(duì)于圖像的均值和標(biāo)準(zhǔn)差都有顯著提高，起到了較好的增強(qiáng)效果;本文的方法對(duì)于圖像的熵也有明顯的提升。

5.結(jié)論

設(shè)計(jì)了一款基于DSP的嵌入式實(shí)時(shí)圖像去霧增強(qiáng)處理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能穩(wěn)定有效去除霧霾對(duì)圖像造成的影響，提高圖像清晰度，且對(duì)光照條件差的圖像具有明顯的增強(qiáng)效果。該系統(tǒng)可有效提高成像系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性，在監(jiān)控、偵察等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。

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作者簡(jiǎn)介：孔小麗（1989—），海南?？谌?，碩士研究生，現(xiàn)就讀于中北大學(xué)，主要研究方向：信號(hào)與信息處理。