改進(jìn)的暗原色先驗(yàn)單幅行車(chē)視頻圖像去霧方法

熊 彪，黃志勇，田 超，占 靜

(三峽大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

改進(jìn)的暗原色先驗(yàn)單幅行車(chē)視頻圖像去霧方法

熊 彪，黃志勇，田 超，占 靜

(三峽大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)行車(chē)視頻中單幅霧霾圖像的快速去霧，針對(duì)現(xiàn)有暗原色先驗(yàn)去霧方法在局部明亮區(qū)域存在透射率估算過(guò)低、算法效率低等問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的去霧方法。該方法在處理不同的像素點(diǎn)時(shí)，通過(guò)設(shè)定門(mén)限值，使得門(mén)限值范圍內(nèi)的區(qū)域保持原透射率不變，不在門(mén)限值范圍內(nèi)的區(qū)域使用邊界條件限定，結(jié)合調(diào)整參數(shù)重新計(jì)算透射率，求出更準(zhǔn)確的自適應(yīng)透射率圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法修正了錯(cuò)誤估算的透射率，克服了原算法在處理這些區(qū)域時(shí)產(chǎn)生的色彩失真，生成了高質(zhì)量的無(wú)霧圖像。

圖像去霧；暗通道先驗(yàn)；門(mén)限；透射率；大氣光

0 引言

車(chē)輛在霧天行駛時(shí)，由于空氣中霧的存在，使得行車(chē)記錄儀所記錄的視頻圖像變得模糊不清，清晰度較差，場(chǎng)景的信息難以恢復(fù)[1]，這使得后續(xù)對(duì)視頻的分析與處理受到限制，因此，一種有效的去除行車(chē)視頻圖像中霧的方法具有重要意義。

圖像去霧一直是計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，圖像中霧的形成主要有兩方面原因：(1)介質(zhì)改變了光的傳播路線(xiàn)，目標(biāo)的反射光在到達(dá)相機(jī)之前被空氣減弱；(2)圖像中混合著經(jīng)渾濁媒介散射后的大氣光，使得所獲視頻圖像降質(zhì)[2]。降質(zhì)的圖像顏色保真度下降、對(duì)比度低、視覺(jué)效果差，圖像中的邊緣不清晰，細(xì)節(jié)信息難以體現(xiàn)。參考文獻(xiàn)[3]提出了基于圖像增強(qiáng)的Retinex去霧算法，文獻(xiàn)[4]根據(jù)低照度圖像求反后與霧天圖像的相似性提出了一種去霧方法，文獻(xiàn)[5]提出了基于暗原色先驗(yàn)的去霧方法。這幾類(lèi)方法雖然能在特定條件下產(chǎn)生較好的效果，但并沒(méi)有很好地解決圖像的局部區(qū)域偏色的問(wèn)題。

本文主要針對(duì)單幅行車(chē)視頻圖像對(duì)已有方法進(jìn)行完善。該方法首先求出霧天圖像暗原色通道(即RGB三個(gè)通道中像素值最小的通道)，從暗通道圖中按照亮度的大小取前0.1%的像素，根據(jù)這些點(diǎn)，在原始圖像中對(duì)應(yīng)這些點(diǎn)的范圍內(nèi)尋找具有最高亮度的點(diǎn)的值，作為全球大氣光值。然后，設(shè)定一個(gè)閾值v，對(duì)在閾值內(nèi)的像素點(diǎn)，采用暗原色先驗(yàn)的方法求出透射率，對(duì)不滿(mǎn)足閾值的像素點(diǎn)，使用基于邊界條件限定的方法求解透射率，獲得自適應(yīng)的投射率，再根據(jù)霧天退化模型，求出去霧后的圖像。

1 暗原色先驗(yàn)去霧算法

1.1 大氣散射模型

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)和計(jì)算機(jī)圖形中，如下式(1)所描述的霧圖形成模型[6]被廣泛使用：

O(x)=S(x)t(x)+H(1-t(x))

(1)

式中，O(x)為觀(guān)測(cè)到的有霧圖像，H為大氣光強(qiáng)度，S(x)為待求解的無(wú)霧圖像，x表示圖像中的像素點(diǎn)。圖像去霧算法的目標(biāo)就是已知O(x)，在t(x)與H未知的情況下恢復(fù)求出S(x)。

1.2 暗原色先驗(yàn)

暗原色先驗(yàn)理論是通過(guò)對(duì)大量戶(hù)外無(wú)霧圖像的統(tǒng)計(jì)得出的，在絕大多數(shù)非明亮的局部區(qū)域里，某一些像素總會(huì)有至少一個(gè)顏色通道具有很低的像素值[7]。對(duì)于一幅圖像，定義暗通道：

(2)

Sc表示圖像S的某一顏色通道，ω(x)表示以x為中心的矩形區(qū)域。觀(guān)察得出，暗通道Sdark(x)的強(qiáng)度值很低，趨近于0。把Sdark(x)稱(chēng)為戶(hù)外的無(wú)霧圖像的暗原色，把以上統(tǒng)計(jì)得出的經(jīng)驗(yàn)性規(guī)律稱(chēng)為暗原色先驗(yàn)。

1.3 暗原色先驗(yàn)去霧的算法流程

將式(1)變形為下式：

(3)

又因局部暗原色Sdark(x)的值趨近于0，可得透射率為：

(4)

在現(xiàn)實(shí)生活中，即使是明朗的晴天，空氣中也存在著一些微小顆粒，看遠(yuǎn)處的物體還是能感覺(jué)到霧的影響，霧的存在讓人類(lèi)感到景深的存在，因此，有必要在去霧的時(shí)候保留一定程度的霧，這可以通過(guò)在式(4)中引入一個(gè)在[0,1] 之間的因子，保留部分遙遠(yuǎn)景物的霧，則式(4)修正為：

(5)

圖1 算法流程圖

本文中所有的測(cè)試結(jié)果依賴(lài)于:ω=0.95。算法的流程圖如圖1所示。

當(dāng)透射率t(x)的值很小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致恢復(fù)的清晰圖像像素值偏大，從而使得去霧后的圖像出現(xiàn)色彩失真[8]，因此一般可設(shè)置一閾值t0，當(dāng)t(x)值小于t0時(shí)，令t(x)=t0(一般取t0=0.1為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算)。

因此，最終的恢復(fù)公式如下：

(6)

2 改進(jìn)的暗原色去霧方法

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)得知，天空、太陽(yáng)光、白色物體表面等大面積明亮區(qū)域即使在無(wú)霧的條件下，它們的像素值也很大，區(qū)域內(nèi)找不到像素值趨于0的暗原色點(diǎn)，所以暗原色假設(shè)的前提在這些區(qū)域是不成立的。

由H的計(jì)算方法可知，當(dāng)圖像存在明亮區(qū)域時(shí)，全球大氣光H值落在這些區(qū)域。利用式(5)求透射率t(x)時(shí),O(x)與H越接近其t(x)值越小，由于明亮區(qū)域的像素值與H值接近，計(jì)算出來(lái)的t(x)會(huì)趨于很小的值。過(guò)小的t(x)值會(huì)造成對(duì)受霧影響不大的區(qū)域去霧力度過(guò)強(qiáng)，從而導(dǎo)致圖像出現(xiàn)色彩失真。結(jié)合邊界條件限制[9]及設(shè)置門(mén)限值的方法來(lái)修正透射率，公式(1)經(jīng)過(guò)變形可得到：

(7)

清晰圖像S(x)與霧天圖像O(x)及H為線(xiàn)性關(guān)系，而清晰圖像S(x)的像素值可限定在一定的范圍內(nèi)。S(x)的極限值限定在[C0,C1]之間。

在一幅無(wú)霧圖像中，可以認(rèn)為每個(gè)像素點(diǎn)值的大小都受限在一個(gè)范圍內(nèi)：

C0≤S(x)≤C1

(8)

公式中C0和C1為根據(jù)已有的霧天圖像信息設(shè)置的兩個(gè)常數(shù)向量。由公式(8)可知，S(x)的限制條件會(huì)對(duì)t(x)造成一個(gè)低邊界限制，全球大氣光參數(shù)H為已知，則對(duì)于任一個(gè)像素點(diǎn)x，可以計(jì)算出邊界限定的清晰圖像像素點(diǎn)S(x)，由公式(7)、(8)可以定義t(x)的一個(gè)限定范圍：

0≤tb(x)≤t(x)≤1

(9)

其中：

(10)

Hc、Oc、Cc分別表示各個(gè)顏色通道的值，對(duì)透射率邊界限制tb(x)進(jìn)行一次形態(tài)學(xué)的閉操作，即可得到透射率：

t(x)=min(max(tb(x)))

(11)

公式(11)給出了一種新的計(jì)算透射率的方法，要使此方法能適用于“明亮區(qū)域”透射率的計(jì)算，本文提出了一種可變的門(mén)限機(jī)制，求出更準(zhǔn)確的自適應(yīng)的透射率。根據(jù)門(mén)限值v，針對(duì)不同的像素點(diǎn)，對(duì)于|I(x)-H|>v的區(qū)域保持原透射率不變，對(duì)于|O(x)-H|

(12)

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

本文所采用的圖像均來(lái)自百度、Google等網(wǎng)站，算法采用MATLAB2014實(shí)現(xiàn)。PC處理器為Intel(R) Core(TM)i5-4570，內(nèi)存8.0 GB。表1列舉對(duì)比了不同圖像大小分別采用He的算法及用本文算法執(zhí)行時(shí)間的對(duì)比，通過(guò)表2，可以看到本文算法在保持圖像保真度的同時(shí)大幅度地提高了算法的執(zhí)行效率。

表1 圖像去霧算法時(shí)間對(duì)比圖 (ms)

圖2展示了本文算法去霧前后的效果比較。從實(shí)例結(jié)果可以看出，本文提出的改進(jìn)算法，修正了He算法中在處理“明亮區(qū)域”出現(xiàn)的色彩失真，得到了較清晰的單幅視頻圖像。

圖2 圖像去霧算法對(duì)比圖

4 結(jié)論

針對(duì)霧天單幅行車(chē)視頻圖像，為了解決暗通道先驗(yàn)圖像去霧方法容易產(chǎn)生色偏色、透射率誤判、算法效率較低等問(wèn)題，提出一種結(jié)合邊界條件限定的門(mén)限值方法，對(duì)于滿(mǎn)足暗原色先驗(yàn)的區(qū)域仍然采用原方法求透射率圖，對(duì)于不滿(mǎn)足暗原色先驗(yàn)的區(qū)域，使用本文算法求透射率。修正了透射率的錯(cuò)誤果斷，大大減弱了無(wú)霧圖像中偏色的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文算法得到的無(wú)霧圖像相比以前的方法更好地處理了亮度值較大的區(qū)域，使最終獲得的無(wú)霧圖像邊顏色深度感飽滿(mǎn), 圖像視覺(jué)效果顯著提高,恢復(fù)的無(wú)霧圖像清晰、自然、細(xì)節(jié)豐富。

[1] 祝培, 朱虹, 錢(qián)學(xué)明,等. 一種有霧天氣圖像景物影像的清晰化方法[J]. 中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào), 2004, 9(1):124-128.

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貿(mào)澤電子開(kāi)售Maxim MAX17222 nanoPower升壓轉(zhuǎn)換器助力延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備電池壽命

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貿(mào)澤電子備貨的Maxim MAX17222 nanoPower DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器以0.4 V～5.5 V的輸入電壓運(yùn)行，可提供1.8 V～5.0 V的輸出電壓范圍和低至300 nA的超低靜態(tài)電流。在真關(guān)斷 (True ShutdownTM) 模式下，電流消耗只有0.5 nA，幾乎不造成任何電池消耗，從而延長(zhǎng)了電池壽命并省去了外部斷路開(kāi)關(guān)。轉(zhuǎn)換器的500 mA峰值電流限制讓設(shè)計(jì)人員能夠靈活地選擇電感類(lèi)型，其啟動(dòng)后使能瞬態(tài)保護(hù) (ETP) 功能會(huì)根據(jù)負(fù)載電流的不同，在輸入電壓降至400 mV以下時(shí)，仍保持穩(wěn)定的輸出電壓。

貿(mào)澤同時(shí)提供配套的Maxim MAX17222評(píng)估套件，套件內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的電路，分別用于評(píng)估MAX17222和MAX17225轉(zhuǎn)換器。每個(gè)電路都能通過(guò)電阻以每步100 mV的幅度，在1.8V～5V的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓。此外，根據(jù)輸入/輸出電壓比值的不同，每個(gè)電路的輸出電流最高可為100 mA、225 mA或 425 mA 。

如需進(jìn)一步了解Maxim MAX17222轉(zhuǎn)換器和評(píng)估套件，敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn)http://www.mouser.com/new/maxim-integrated/maxim-max17222-converter/。

(貿(mào)澤電子供稿)

Improved dark channel prior single traffic video images dehazing method

Xiong Biao，Huang Zhiyong，Tian Chao，Zhan Jing

(College of Computer and Information Technology, China Three Gorges University, Yichang 443002, China)

The existing dark colors prior defogging method is facing some problems that the estimates of transmittance were too low, low efficiency and so on,when being in the local bright area.In order to realize the rapid defogging for haze images in video traffic single，an improved method of dehazing is proposed. When the method in handling different pixel, by setting the threshold value, for the region in line with the threshold value within a range of maintaining the original transmission rate unchanged, boundary conditions are limited to areas that are not within the range of threshold values.Combined with the adjustment parameters to recalculate the transmittance, more accurate adaptive transmission diagram can be obtained.Result shows that after treatment with this method, effectively corrected the misjudgment of atmospheric light can be obtained.It eliminates the color distortion and the execution time of the algorithm is greatly reduced.

image dehazing; dark channel prior; threshold；transmissivity; atmospheric light

TP751.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.08.015

熊彪，黃志勇，田超，等.改進(jìn)的暗原色先驗(yàn)單幅行車(chē)視頻圖像去霧方法[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(8)：45-47.

2016-10-24)

熊彪(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)。

黃志勇(1979-)，男，博士，副教授，主要研究方向：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)。

田超(1990-)，男，碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)。

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