基于水平集的航拍影像陰影檢測與去除系統(tǒng)設(shè)計

王倩倩 楊順云 張靜 羅懷芍 張志誠

摘 要：建筑物、樹木和山脈等遮擋光線，可能使航拍影像中出現(xiàn)陰影。而陰影區(qū)域的存在可能影響圖像后續(xù)處理，導(dǎo)致重要信息丟失。本系統(tǒng)旨在設(shè)計自動檢測航拍影像中陰影區(qū)域并將其去除的系統(tǒng)，選擇并搭建基于水平集航拍影像陰影檢測算法的進行系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)主要功能包括：圖像讀入、圖像去霧、陰影檢測、陰影去除。

關(guān)鍵詞：航拍影像 圖像去霧 陰影檢測 陰影去除 水平集

中圖分類號：TP391.41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）04（a）-0042-02

1 系統(tǒng)研究意義

建筑物、樹木和山脈等遮擋太陽光線，使遙感航拍影像中存在陰影區(qū)域。陰影區(qū)域的存在可能導(dǎo)致重要信息的丟失，進而影響影像的后續(xù)處理，如圖像配準(zhǔn)、圖像內(nèi)容理解、分割、特征提取、目標(biāo)變化檢測和定位等。陰影檢測是遙感航拍影像中地物跟蹤、分類和識別等處理的重要步驟之一，目前陰影檢測技術(shù)可分基于模型與基于陰影屬性兩大類，基于模型的方法需有關(guān)影像中地物幾何形狀或DSM數(shù)據(jù)、太陽高度角、傳感器參數(shù)等知識，計算復(fù)雜，且適用于特定場景。基于陰影屬性的方法通過分析陰影區(qū)域在亮度、幾何結(jié)構(gòu)和顏色等方面的共性及其與非陰影區(qū)域的差異來檢測陰影區(qū)域，應(yīng)用比較復(fù)雜[1]。

本系統(tǒng)旨在開發(fā)設(shè)計自動檢測航拍影像陰影區(qū)域并將其去除的系統(tǒng)。選擇并搭建基于非勻質(zhì)區(qū)域水平集航拍影像陰影檢測算法的系統(tǒng)開發(fā)平臺，實現(xiàn)自動檢測陰影區(qū)域并將其去除。系統(tǒng)主要功能包括：圖像讀入、圖像去霧、陰影檢測、陰影去除。

圖像陰影區(qū)域極可能含重要信息，準(zhǔn)確檢測陰影區(qū)直接關(guān)系到影像后續(xù)處理及獲取與識別陰影區(qū)中重要信息的成效。本系統(tǒng)所用的算法不僅可解決傳統(tǒng)陰影檢測方法中對非勻質(zhì)同塊陰影區(qū)檢測不全面的問題，也可檢測到傳統(tǒng)方法中漏檢的亮陰影區(qū)。檢測到的陰影區(qū)連續(xù)、邊緣清晰整齊，并能有效排除綠色植被干擾，檢測正確率高，漏檢率低，檢測全面，陰影區(qū)提取方便。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

G.D.Finlayson等最早提出利用彩色不變量來進行陰影檢測、陰影消除[2]，但是這些彩色不變量要在圖像滿足中性界面反射模型的條件下才成立[3]，而且很多的航空影像都難以滿足此條件。Akira Suzuki等人[4]提出了一種基于顏色和空間概率信息的動態(tài)陰影補償?shù)姆椒?，此方法能較有效地對陰影區(qū)域進行補償，提高了陰影區(qū)域內(nèi)的對比度，但是陰影依然存在，而且此方法在計算過程中對于空間概率的獲取需要事先利用大量樣本進行統(tǒng)計計算得到，故此不能實現(xiàn)單張圖片的實時處理[5]。

而陰影處理類軟件有杭州華三通信技術(shù)有限公司的運動陰影檢測方法和裝置、中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的面向智能視頻監(jiān)控的實時部分遮擋車輛分割及陰影消除方法、上海大學(xué)的高分辨率遙感影像中的陰影檢測方法。這類軟件相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品，或功能無我系統(tǒng)深入，或應(yīng)用無我系統(tǒng)全面，又或者專業(yè)技術(shù)要求太高，一般使用者難以上手。

如今市面已出現(xiàn)很多圖像處理類軟件，國內(nèi)相關(guān)軟件有美圖秀秀、可牛影像、光影魔術(shù)手、isee等；國外相關(guān)產(chǎn)品有 Adobe Photoshop、Adobe Illustrator CS、Corel Painter等。這些軟件各具特色，但專業(yè)用于航空、遙感圖像處理的軟件，目前的市面上還沒有出現(xiàn)。

本系統(tǒng)是一項自動檢測航拍影像中陰影區(qū)域并將其去除的軟件，同時基于軍事和城市規(guī)劃與管理的實際需求，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如國家地理信息測繪、軍事力量估計、商業(yè)糾紛司法取證、煤礦石油的資源勘探等。關(guān)于航空、遙感圖像陰影的檢測與去除的研究現(xiàn)在還處于初級階段，所以說本系統(tǒng)是非常迎合市場需求和科學(xué)前沿的產(chǎn)品，具有強大的生命力。

3 算法介紹

借鑒西南交通大學(xué)信號與信息處理實驗室提供的遙感影像陰影處理算法實現(xiàn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計。針對圖像去霧，利用基于黑色通道先驗知識，對圖像邊緣和非邊緣分別采用不同的模板處理得到透射圖，并通過分割天空區(qū)域，或者霧最濃區(qū)域求得準(zhǔn)確的大氣光值[6]。利用該方法可以恢復(fù)出和原方法基本一致甚至更準(zhǔn)確的結(jié)果，并且可以大大減少消耗，克服了對淺色區(qū)域恢復(fù)失真的問題，使去霧后的場景更為自然，提升計算速度。針對陰影檢測，采用了基于非勻質(zhì)區(qū)域水平集檢測陰影算法[7]，既可解決傳統(tǒng)陰影檢測方法中對非勻質(zhì)同塊陰影區(qū)檢測不全面、區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)空洞的問題，也可檢測到傳統(tǒng)陰影檢測方法中漏檢的亮陰影區(qū)。針對陰影去除，采用色彩空間變換，使用基于區(qū)域補償?shù)倪b感圖像陰影去除方法，利用其最小外接矩形的統(tǒng)計特征對陰影區(qū)域進行補償，以恢復(fù)被陰影覆蓋區(qū)域的原貌[8]。

4 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計

該軟件系統(tǒng)使用了Inter公司建立的基于（開源）發(fā)行的跨平臺計算機視覺庫OPENCV。它由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，同時提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口，可以實現(xiàn)圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。而本系統(tǒng)正是巧妙地利用了其輕量級、高效性以及良好的可移植性等諸多優(yōu)點，將其與微軟基礎(chǔ)類庫MFC集成于在計算機領(lǐng)域享譽盛名Visual Studio軟件開發(fā)平臺下的，實現(xiàn)了操作簡單，用戶友好的可視化軟件編程。

其核心功能的部分包括三大模塊：圖像去霧、陰影檢測、陰影去除，同時對圖像的一些基本圖形變換提供支持。雖然本系統(tǒng)無需處理復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯，也沒有龐大的數(shù)據(jù)庫設(shè)計對系統(tǒng)中相應(yīng)的少量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供技術(shù)支持。但我們并非旨在設(shè)計業(yè)務(wù)型的系統(tǒng)，而是重在對圖像處理的相應(yīng)算法進行深入研究與實現(xiàn)，從而為現(xiàn)實世界中的圖像識別需求提供便利。本系統(tǒng)中的三大模塊分別由黑色通道先驗、水平集演化以及色彩空間變換作為核心實現(xiàn)算法，并做出了自身相應(yīng)的創(chuàng)新與改進，以更好的實現(xiàn)本系統(tǒng)的需求同時為其增添相應(yīng)特色。

本系統(tǒng)所增設(shè)的幾大特色功能使其相較于國內(nèi)已有的少量相似性產(chǎn)品更顯優(yōu)質(zhì)與突出。比如對于超大型航拍圖像的處理，我們采用了分塊讀入再處理最后合并的方法，提高了處理效率，減小了計算機的內(nèi)存負(fù)擔(dān)；又比如對于綠地干擾較嚴(yán)重的區(qū)域，本系統(tǒng)可以人性化地支持用戶手動選擇是否進行去綠處理，從而決定是否通過HSV變換將綠色植被區(qū)從圖像中突顯出來。這樣既提升了系統(tǒng)的交互性，又使系統(tǒng)的處理結(jié)果更加準(zhǔn)確。

其中，本系統(tǒng)設(shè)計的界面如圖1所示。

4.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.2.1 圖像去霧前后圖片展示

4.2.2 圖像陰影檢測原圖與檢測結(jié)果圖展示

好，被建筑物和綠色植被遮擋的陰影部分都被檢測出來。

4.2.3 圖像陰影去除前后圖片展示

5 結(jié)論

本系統(tǒng)成功實現(xiàn)自動檢測航拍影像中陰影區(qū)域并將其去除的功能，搭建的基于非勻質(zhì)區(qū)域水平集航拍影像陰影檢測算法的系統(tǒng)開發(fā)平臺，較好的支持系統(tǒng)的運作。系統(tǒng)各部分功能，大圖讀入、圖像去霧、陰影檢測、陰影去除等都得到較好地實現(xiàn)。本系統(tǒng)可以有效處理大部分航拍圖像，以及一般用戶的圖像，但陰影邊界處的修復(fù)效果可能有待提高，另外系統(tǒng)對個別圖像處理效果有待加強。

參考文獻

[1] 王玥，王樹根.高分辨率遙感影像陰影檢測與補償?shù)闹鞒煞址治龇椒╗J].應(yīng)用科學(xué)學(xué)報，2010，28（2）：136-141.

[2] D.Finlayson，S.D.Hordley.M.S.Drew.Removing shadows from images using retinex[Z].Proceedings of IS & T/SID Tenth Color Imaging Conference：Color Science，Systems and Applications，2002：73-79.

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[6] 褚宏莉，李元祥.基于黑色通道的圖像快速去霧優(yōu)化算法[J].電子學(xué)報，2013，41（4）：791-796.

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[8] 鞠何其.基于色彩空間變換的遙感影像陰影檢測與去除技術(shù)[D].上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009：15-50.