基于暗原色先驗(yàn)的高空定點(diǎn)圖像去霧算法

吳永盛，卿粼波，熊淑華，吳曉紅

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065）

基于暗原色先驗(yàn)的高空定點(diǎn)圖像去霧算法

吳永盛，卿粼波，熊淑華，吳曉紅

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610065）

室外高空定點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感系統(tǒng)、無人機(jī)航拍系統(tǒng)等以其實(shí)時(shí)獲取圖像數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，在工業(yè)中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。然而在霧霾氣候下，這類系統(tǒng)拍攝的圖像，由于大氣光的散射作用，圖像整體呈灰白色，清晰度降低，物體特征被掩蓋難以辨認(rèn)，影響圖像后期的處理。針對這一問題，總結(jié)高空定點(diǎn)圖像的主要特點(diǎn)，改進(jìn)一種基于暗原色先驗(yàn)的高空定點(diǎn)圖像去霧算法，該算法通過分割思想，將圖像分為天空與非天空部分，并對這兩個(gè)部分采用不同的去霧方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相對于原算法，改進(jìn)算法在天空區(qū)域平滑過渡，整體去霧效果清晰自然，去霧圖像經(jīng)客觀質(zhì)量評價(jià)較原算法有明顯提升。

高空定點(diǎn)圖像；暗原色先驗(yàn)；去霧；天空區(qū)域

0 引言

室外高空定點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)、航拍等技術(shù)以其實(shí)時(shí)監(jiān)控、方便快捷等特點(diǎn)，在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。然而，在使用過程中有些地區(qū)因氣候因素常出現(xiàn)大霧天氣，此時(shí)拍攝的圖像清晰度差、色彩失真、圖像信息被隱藏，極大地增加了后期圖像處理的難度。所以對高空定點(diǎn)圖像去霧的分析并提出解決方案具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

去霧是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的問題，目前國內(nèi)外研究依據(jù)是否建立大氣散射模型分為兩類：一種是基于非物理模型，另一種是基于物理模型?；诜俏锢砟Ｐ偷娜レF算法重點(diǎn)在于，通過提升對比度[1]將霧天圖像中的特征信息表現(xiàn)出來。通常有雙邊濾波、直方圖均衡化以及Retinex算法[2]等三種方法，相對來說這類算法中的系數(shù)對結(jié)果的影響比較大，不同的系數(shù)會(huì)造成局部圖像偏白或偏黑，且會(huì)丟失一部分圖像信息。另一種基于物理模型的算法是景物經(jīng)過大氣光的散射作用，透射率的比例疊加到景物最終形成的霧圖。此類算法通過逆推成像過程，改善了第一類算法的缺點(diǎn)，恢復(fù)得到的圖像清晰自然，不會(huì)丟失圖像信息量。Tarel[3]在一幅圖中基于大氣耗散函數(shù)尋找最大值，經(jīng)過顏色調(diào)整后獲得去霧的圖像，但該算法在景深變化很大的區(qū)域易產(chǎn)生色彩失真與方塊效應(yīng)。Fattal[4]是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)上的去霧算法，通過單獨(dú)估計(jì)透射率，獲得較好的去霧效果，但該方法要求圖像顏色信息高和差異性大。He等人[5]統(tǒng)計(jì)過大量室外的無霧圖像之后，得出暗原色先驗(yàn)假設(shè)，這種算法對滿足假設(shè)的單幅圖像去霧效果優(yōu)良。然而這個(gè)假設(shè)并不能針對含有天空等遠(yuǎn)景的圖像，該算法的有效性主要是建立在暗原色先驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，去霧圖像中遠(yuǎn)景區(qū)域呈現(xiàn)色彩失真[6]。通過分析上述問題，提出了一種針對于暗原色先驗(yàn)的高空定點(diǎn)圖像的去霧算法。

1 暗原色先驗(yàn)去霧算法及高空定點(diǎn)圖像去霧分析

1.1 退化模型

在計(jì)算機(jī)視覺中，公式（1）所表述的是霧天圖像形成模型：

式（1）中，I表示原始圖，J表示恢復(fù)得到的去霧圖像，A表示全球大氣光值，t則表示透射率。多項(xiàng)式中J(x)A(x)叫做直接衰減項(xiàng)，A(1-t(x))則是大氣光照成分。J(x)A(x)講述了物體光通過大氣介質(zhì)衰減之后得到的，由光的散射造成的大氣光成分，可能會(huì)造成圖像物體的色彩失真。采用此算法就是把模型中原始圖I恢復(fù)后得到去霧圖像J。

1.2 暗原色先驗(yàn)去霧算法

He等[5]通過分析批量的室外無霧圖像得出結(jié)論，先驗(yàn)法則認(rèn)為：無霧的室外圖像中的大部分非天空局部塊中，RGB分量中接近于0的通道亮度值最少有一種。也就是說在這樣的小塊區(qū)域中最小的亮度值接近于0。通過公式表示上述法則，定義暗通道的概念。對于給定的一幅圖像J，得到其暗通道圖Jdark：

式（2）中，Jc表示圖像J的某一RGB通道，Ω(x)表示以像素點(diǎn)x為中點(diǎn)的局部像素塊。一幅暗通道圖是兩次最小操作的結(jié)果：對每一像素執(zhí)行minc?{r,g,b}操作，而miny?Ω(x)是一個(gè)最小濾波器，這兩個(gè)最小值操作是可以互換的。

依據(jù)暗原色先驗(yàn)法則可知，J是一幅不含霧的室外圖像，那么除去天空后的暗通道圖的亮度值很小甚至是近似為0：

式（3）表示的統(tǒng)計(jì)結(jié)論為暗原色先驗(yàn)原理。

根據(jù)（2）可以得到透射率預(yù)估計(jì)值t?(x)：

前面假設(shè)已經(jīng)知道大氣光值A(chǔ)，實(shí)際上可以通過Jdark在原圖中獲得該值。首先選取Jdark中亮度值最大的前0.1%像素，通常位于霧的濃度非常稠密的區(qū)域。

通過所選取的像素，探索它們在原圖I中的亮度值，并把最大亮度像素點(diǎn)的值設(shè)為大氣光值A(chǔ)。

結(jié)合大氣光值A(chǔ)和透射率圖t(x)，依據(jù)公式（5）能夠獲得去霧圖像。但是當(dāng)透射率t(x)接近于0時(shí)，直接衰減項(xiàng)J(x)t(x)會(huì)非常接近于0，直接恢復(fù)得到無霧圖像J可能引入噪聲。因此，通過最低值t0來對透射率t(x)進(jìn)行限定，對霧霾稠密的部分保存少量的霧[6]。

1.3 高空定點(diǎn)圖像去霧分析

高空定點(diǎn)圖像和一般景物圖像相比擁有它的特點(diǎn)：①飛行器是從空中向下拍攝取景，當(dāng)水平方向慢慢旋轉(zhuǎn)垂直方向向下時(shí)，拍攝取景框中各物體受霧霾影響大致相同；②對于建筑類圖像中有大面積白色建筑物、高速道路、開發(fā)土地等；③圖片一般包含大面積亮度高的天空等遠(yuǎn)景區(qū)域。這類圖片若直接經(jīng)過基于暗原色先驗(yàn)的去霧方法處理之后結(jié)果呈現(xiàn)色彩的失真，天空部分常常呈現(xiàn)分塊現(xiàn)象和紋理。如圖1所示：去霧之后天空部分的色彩偏離原圖像比較嚴(yán)重。

圖1 暗原色去霧算法結(jié)果

若原圖滿足暗原色先驗(yàn)基礎(chǔ)下，He的算法[5]取得良好的效果。然而當(dāng)圖片中有天空區(qū)域，計(jì)算得到的大氣光值存在偏差，使得去霧圖像呈現(xiàn)不同程度的色彩偏移。其原因從計(jì)算大氣光值A(chǔ)出發(fā)，是將暗通道圖像中亮度最大0.1%的像素，放到原圖像中最大亮度像素作為A值，那么A基本就是原圖中明亮的區(qū)域。在求取t?(x)時(shí)，當(dāng)A和I的值相近，t?(x)的值就越小。由于天空區(qū)域與A相近，天空區(qū)域的t?(x)會(huì)趨于很小的值，因此天空區(qū)域不滿足暗原色先驗(yàn)條件，這樣對天空區(qū)域t?(x)的計(jì)算是不準(zhǔn)確的[6]。

2 基于暗原色的改進(jìn)算法

2.1 天空區(qū)域分割

事實(shí)上，在天空沒有霧的情況下，像素值很大沒有接近于0暗原色點(diǎn)[7]，所以暗原色先驗(yàn)對于天空部分是不成立的。在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)展原有算法，增強(qiáng)算法的適應(yīng)性。

在估計(jì)透射率時(shí)應(yīng)該采用不同的策略，增強(qiáng)非天空區(qū)域?qū)Ρ榷?，適當(dāng)減少天空區(qū)域的增強(qiáng)比例。首先將一幅霧圖像分為天空和非天空部分，在天空部分估計(jì)大氣光值A(chǔ)之后分別計(jì)算兩個(gè)部分的t?(x)，最后恢復(fù)J(x)得到無霧圖像[8]。算法具體步驟如下：

（1）對原圖像I轉(zhuǎn)換為灰度圖Igray(x)；

（2）對灰度圖像進(jìn)行Sobel檢測獲得梯度信息圖G(x)；

（3）對梯度信息圖G(x)進(jìn)行濾波和去噪；

（4）根據(jù)亮度閾值和梯度閾值對梯度信息圖G(x)進(jìn)行二值化，得到天空候選圖Gsky(x)：

式中，θ表示亮度和τ表示梯度閾值。

（5）對Gsky(x)進(jìn)行邊緣跟蹤，當(dāng)連通部分內(nèi)像素點(diǎn)個(gè)數(shù)大于整幅圖像素點(diǎn)5%就把它視為天空，剩余部分視為非天空，最終獲得分割后的圖像Gfinal(x)。

（6）為實(shí)現(xiàn)天空區(qū)域平滑過渡到非天空區(qū)域，對分開后的圖高斯羽化。

2.2 大氣光值

如果圖像中沒有天空區(qū)域，則按原算法計(jì)算；如果圖像中含有天空，取天空部分的暗通道圖中亮度在前0.1%的像素點(diǎn)亮度的平均值作為A值。得到大氣光值A(chǔ)后，通過暗原色先驗(yàn)和天空識別Gfinal(x)，計(jì)算出t?(x)，再經(jīng)過導(dǎo)向?yàn)V波進(jìn)行優(yōu)化后，去霧恢復(fù)得到J(x)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證本文算法的有效性，獲取高空定點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)作為測試集，并與暗通道原理He的算法[5]進(jìn)行了去霧效果對比實(shí)驗(yàn)。在暗通道去霧過程中，求得初始透射率圖像時(shí)按照塊處理的方式窗口Ω大小為15×15，保存一定量的霧系數(shù)ω=0.95，導(dǎo)向?yàn)V波半徑為r=60。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，圖2（a）為霧天獲取的原始圖像。圖2（b）為將原始圖像分割為二值圖，天空區(qū)域?yàn)榘咨?，非天空區(qū)域?yàn)楹谏?，便于后續(xù)對兩個(gè)區(qū)域透射率的粗略估計(jì)。從去霧效果上看，對于非天空區(qū)域原算法和本文的算法具有較好的去霧能力，還原了近處景物的細(xì)節(jié)信息。對于天空區(qū)域原算法出現(xiàn)了塊效應(yīng)和色彩偏移，這是因?yàn)樘炜諈^(qū)域透射率估計(jì)過小，噪聲和顏色范圍比例增大。本文算法能較好的保留天空區(qū)域，使得天空區(qū)域平滑過渡，噪聲得到抑制，圖像的整體視覺得到提高。

圖2 含天空區(qū)域去霧效果對比

如表1所示，從圖像客觀質(zhì)量評價(jià)結(jié)果得出，在清晰度、對比度和信息熵方面改進(jìn)算法較He的算法有所提升。

表1 圖像去霧結(jié)果評價(jià)

4 結(jié)語

本文針對高空定點(diǎn)圖像的特點(diǎn)以及圖像后期處理的需求，基于暗原色算法提出了一種適用高空定點(diǎn)圖像的去霧算法。全面介紹了暗原色先驗(yàn)知識和去霧原理，重點(diǎn)闡述了針對天空區(qū)域暗原色先驗(yàn)不成立的問題，提出了將天空區(qū)域和非天空區(qū)域分割之后，分別求透射率有效的保留天空區(qū)域，最后增強(qiáng)恢復(fù)圖像使得圖像整體質(zhì)量提升。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，本方法在得到去霧效果的同時(shí)，恢復(fù)更多圖像細(xì)節(jié)，方便后續(xù)的圖像處理。

但是，本文算法不具備通用性，針對不同的場景需要微調(diào)梯度閾值才能得到較好的結(jié)果。其次，在濃霧下，無法消除霧對圖像的影響。最后在導(dǎo)向?yàn)V波計(jì)算精確的透射率，無法滿足實(shí)時(shí)去霧的需求，需要將原圖進(jìn)行下采樣處理。進(jìn)一步的研究包括自適應(yīng)霧氣濃度分割圖像，算法快速實(shí)現(xiàn)以應(yīng)對復(fù)雜、多變的室外環(huán)境。

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Abstract：Outdoor high altitude fixed point monitoring system,satellite remote sensing system,UAV aerial system with its real-time access to image data advantages in the industry to obtain more and more widely used.However,in the haze climate under the image of such systems,the scattering of atmospheric light to reduce the image quality,the overall image was gray,reduced clarity,object features are difficult to identi?fy the cover,affecting the image of the latter part of the treatment.Aiming at this problem,summarizes the main characteristics of high alti?tude fixed point images,and improves a high altitude fixed point image defogging algorithm based on dark primary color a priori.The algo?rithm divides the image into sky and non-sky parts by dividing the idea.The two parts use different defogging schemes.The experimental results show that compared with the original algorithm,the improved algorithm has a smooth transition in the sky area,and the overall fog effect is clear and natural.The fog image is improved by the objective method.

Keywords：High Altitude Fixed Point Image;Dark Primary a Priori;Defogging;Sky Area

High Altitude Fixed Point Images Defogging Based on Dark Channel Prior

WU Yong-sheng，QING Lin-Bo，XIONG Shu-hua，WU Xiao-hong

（Image Information Institution,College of Electronics and Information,Sichuan University，Chengdu 610065）

1007-1423（2017）26-0067-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2017.26.017

吳永盛（1993-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)

卿粼波（1982-），男，博士，副教授，研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)

熊淑華（1969-），女，博士，副教授，研究方向多媒體通信與信息系統(tǒng)

吳曉紅（1970-），女，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)、實(shí)時(shí)信號分析與處理、圖像處理與識別及通信

2017-06-29

2017-09-10