IHS色彩空間下基于Curvelet變換的汽車抗暈光方法＊

王言 郭全民 張豪文

（西安工業(yè)大學(xué)，西安 710021）

主題詞：汽車抗暈光 圖像融合 IHS色彩空間 Curvelet變換

1 前言

夜間行車時(shí)，對(duì)向車輛的遠(yuǎn)光燈會(huì)使駕駛員感到刺眼，無法看清前方路況，這種由于目標(biāo)和背景亮度差異巨大而導(dǎo)致的瞬間致盲現(xiàn)象稱為暈光現(xiàn)象。濫用遠(yuǎn)光燈極易造成暈光現(xiàn)象而引發(fā)交通事故，據(jù)公安部門統(tǒng)計(jì)，我國(guó)發(fā)生在夜間的交通事故中，與遠(yuǎn)光燈使用不當(dāng)有關(guān)的達(dá)到30%～40%[1]。因此，消除暈光以提高夜間駕駛安全性是目前亟待解決的問題。

針對(duì)這一問題，在雙向車道中間設(shè)置植物隔離帶或隔光板可有效消除暈光，但受城建規(guī)劃等因素影響，一般僅應(yīng)用于城市主干道和高速公路。文獻(xiàn)[2]研究表明，在機(jī)動(dòng)車前照燈及前風(fēng)窗玻璃上加裝偏振片能完全消除暈光，但偏振片會(huì)削弱光照強(qiáng)度造成暗處信息觀察困難，且要求對(duì)方車上同樣安裝有方向嚴(yán)格一致的偏振裝置，難以普及。文獻(xiàn)[3]利用兩路積分時(shí)間不同的攝像機(jī)采集同一場(chǎng)景融合成一幅圖像，擴(kuò)大了圖像的動(dòng)態(tài)范圍，但無法徹底消除暈光現(xiàn)象。部分制造商給汽車配備了紅外夜視儀[4-6]，利用物體反射或自身輻射的紅外線成像來解決暈光問題，紅外圖像無暈光，但色彩、細(xì)節(jié)信息缺失嚴(yán)重，視覺效果不理想。文獻(xiàn)[7]提出了使用IHS加小波變換融合可見光和紅外圖像的方法來消除暈光，該方法充分利用了可見光圖像色彩細(xì)節(jié)信息豐富和紅外圖像沒有暈光的優(yōu)點(diǎn)，融合后的圖像在降低暈光的同時(shí)，又具有豐富的色彩和細(xì)節(jié)信息，為解決暈光問題提供了一種新途徑，具有廣泛的應(yīng)用前景。但由于采用的小波變換無法有效表達(dá)二維信息中的邊緣、輪廓等細(xì)節(jié)信息，故融合圖像的清晰度仍有待提高。

為了較為徹底地消除暈光，獲得符合人眼視覺習(xí)慣的清晰圖像，本文利用Curvelet[8]支撐區(qū)間具有各向異性的特點(diǎn)，提出了一種在IHS色彩空間下使用Curvelet變換融合可見光和紅外圖像的方法。Curvelet變換相比小波變換，在消除融合圖像暈光的同時(shí)，能保留更多的細(xì)節(jié)信息，提升圖像清晰度。

2 基于可見光和紅外圖像融合的抗暈光原理

可見光圖像雖然存在暈光現(xiàn)象，但其在除暈光之外的區(qū)域光譜信息豐富、分辨率高、細(xì)節(jié)紋理清晰；紅外圖像雖然分辨率低，細(xì)節(jié)信息模糊，但是其穿透性強(qiáng)，不受光照條件影響，夜晚拍攝強(qiáng)光目標(biāo)源不會(huì)產(chǎn)生暈光。因此，本文利用可見光和紅外圖像成像特點(diǎn)的互補(bǔ)性來解決暈光問題，將二者進(jìn)行融合獲得既無暈光又細(xì)節(jié)清楚的圖像。

由于原始圖像以RGB色彩模式存儲(chǔ)，首先將可見光圖像轉(zhuǎn)換到IHS色彩空間進(jìn)行處理，即將其轉(zhuǎn)換為亮度I、色調(diào)H和飽和度S等3個(gè)分量，通過觀察發(fā)現(xiàn)暈光信息主要存在于其亮度分量I中，故僅對(duì)I與紅外圖像進(jìn)行單通道融合，相比3個(gè)通道同時(shí)處理可減少運(yùn)算量，提高處理速度，并且將亮度分量和色彩分量分開處理的方法有效地避免了色彩失真現(xiàn)象，得到的圖像更符合人眼視覺習(xí)慣。采用Curvelet變換來融合可見光亮度分量和紅外圖像，克服了二維小波基不具有各向異性的缺陷，能更好地表達(dá)邊緣、輪廓等細(xì)節(jié)信息。低頻系數(shù)包含了圖像的主要信息，反映了圖像的大致輪廓，相當(dāng)于一定尺度下對(duì)原始圖像的近似，故可以認(rèn)為可見光的暈光信息主要包含在低頻系數(shù)中，因此采用加權(quán)平均的低頻系數(shù)融合策略，能夠在消除暈光的同時(shí)保留2幅圖像的主要信息；而高頻系數(shù)反映了圖像的邊緣、輪廓等細(xì)節(jié)信息[9]，故高頻系數(shù)采用絕對(duì)值取大的融合策略，能夠保留更多更清晰的紋理細(xì)節(jié)信息。

3 IHS-Curvelet變換融合的抗暈光實(shí)現(xiàn)過程

為了減少圖像拍攝過程中存在的誤差，在融合前先對(duì)兩路圖像進(jìn)行濾波、配準(zhǔn)等預(yù)處理操作，然后對(duì)可見光圖像進(jìn)行IHS正變換得到I、H、S分量，再對(duì)I分量和紅外圖像分別進(jìn)行Curvelet分解得到各自的低頻與高頻系數(shù)，并采用加權(quán)平均策略融合低頻系數(shù)和絕對(duì)值取大的策略融合高頻系數(shù)，最后對(duì)融合系數(shù)進(jìn)行Curvelet重構(gòu)得到新的亮度分量I′，將其與原始的色調(diào)H、飽和度S分量進(jìn)行IHS逆變換得到最終的融合圖像。整個(gè)圖像融合過程如圖1所示。

3.1 圖像預(yù)處理

用可見光和紅外相機(jī)拍攝夜間對(duì)向來車開啟遠(yuǎn)光燈時(shí)的場(chǎng)景，可看到兩圖像空間位置不匹配，且都含有噪聲，其中可見光圖像產(chǎn)生暈光現(xiàn)象，暗處信息不易觀察，如圖2a所示，紅外圖像細(xì)節(jié)信息模糊，色彩單一，如圖2b所示。因此在融合前要對(duì)圖像進(jìn)行濾波、配準(zhǔn)等預(yù)處理操作。為了在消除噪聲的同時(shí)使圖像信息損失達(dá)到最小，采用3×3模板的均值濾波濾除圖像中的噪點(diǎn)，如圖2c、圖2d所示；以紅外圖像為參考圖像，對(duì)可見光圖像使用互相關(guān)加仿射變換法[10]進(jìn)行配準(zhǔn)，如圖2e所示。

圖1 圖像融合過程

圖2 圖像預(yù)處理

3.2 IHS色彩空間下基于Curvelet的可見光與紅外圖像融合

3.2.1 可見光圖像轉(zhuǎn)換到IHS色彩空間

使用IHS正變換公式[11]將可見光圖像轉(zhuǎn)換到IHS色彩空間，得到其亮度分量I、色度分量H和飽和度分量S：

式中，v1、v2為中間變量。

3.2.2 可見光圖像亮度分量I和紅外圖像Curvelet分解

由于待處理的數(shù)字圖像是二維離散信號(hào)，因此使用Curvelet變換的二維離散形式[12]進(jìn)行Curvelet分解：

式中，f[t1,t2](t1≥0,t2＜n)為笛卡爾坐標(biāo)系下的輸入；為Curvelet函數(shù)，其中D表示離散，j表示Curvelet分解的尺度，l表示方向，k表示位置。

使用式（4）對(duì)可見光圖像亮度分量I和紅外圖像進(jìn)行Curvelet分解，得到各自的低頻系數(shù)、和不同尺度、不同方向下的高頻系數(shù)，其中VI表示可見光，IR表示紅外，0表示低頻。

本文采用Wrapping算法[12]實(shí)現(xiàn)式（4）中的Curvelet變換，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

a. 對(duì)式（4）中的輸入f[t1,t2]進(jìn)行二維快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT）得到傅里葉采樣序列F[n1,n2](n1≥-n/2,n2≤n/2)；

b. 對(duì)每一個(gè)尺度、方向參數(shù)組(j,l)，將擬合窗與F[n1,n2] 相乘，其中為笛卡爾坐標(biāo)系下滿足一定允許條件的類似“楔形”的塊狀窗函數(shù)；

3.2.3 低頻系數(shù)融合

可見光低頻系數(shù)既包含圖像的主要信息，也包含了暈光的主要信息?？紤]到在消除暈光的同時(shí)能夠保留兩幅圖像的主要信息，本文采用加權(quán)平均的策略來融合低頻系數(shù)，即：

3.2.4 高頻系數(shù)融合

高頻系數(shù)反映了圖像的邊緣、輪廓等細(xì)節(jié)信息，一般絕對(duì)值較大的高頻系數(shù)包含了更多更清晰的紋理細(xì)節(jié)信息，所以采用絕對(duì)值取大的策略[13]來融合高頻系數(shù)，即：

3.2.5 Curvelet重構(gòu)

采用Wrapping算法對(duì)融合后的高、低頻系數(shù)進(jìn)行Curvelet重構(gòu)，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：

a. 對(duì)每一尺度、方向參數(shù)組(j,l)下的Curvelet系數(shù)CD(j,l,k)進(jìn)行二維FFT得到；

b. 對(duì)每一尺度、方向參數(shù)組(j,l)下的與相應(yīng)的Wrapped Curvelet函數(shù)相乘得到；

d.對(duì)F[n1,n2]進(jìn)行二維逆FFT得到 f[t1,t2]，即融合圖像，將該圖像作為新的亮度分量I′。

3.2.6 IHS色彩空間轉(zhuǎn)換到RGB色彩空間

使用IHS逆變換公式[11]對(duì)可見光圖像的新亮度分量I′和原始的色調(diào)H、飽和度S分量進(jìn)行IHS逆變換，獲得適合顯示器顯示的RGB色彩圖像，即為最終抗暈光融合圖像：

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文算法的有效性，選取IHS變換、小波變換、Curvelet變換、IHS-小波變換共4種不同算法與本文算法進(jìn)行融合結(jié)果的比較，融合結(jié)果如圖3所示。

從融合結(jié)果可以看出，使用了IHS變換的圖3a、圖3d、圖3e中的人物、車牌等都有清晰的色彩，而未使用IHS變換的圖3b、圖3c幾乎成為灰度圖像，丟失了大量的色彩信息，表明可見光與紅外圖像融合時(shí)，采用的IHS變換能很好地保留原圖中的色彩信息，避免色彩失真。

對(duì)比圖3a、圖3d和圖3e可以看出：IHS變換融合圖像中的車輛輪廓、車牌、道路邊緣及背景建筑物模糊不清，圖像清晰度低；IHS-小波變換融合圖像的清晰度較IHS變換有所提升，邊緣輪廓等細(xì)節(jié)信息較為清楚；本文算法的IHS-Curvelet變換融合圖像清晰度明顯優(yōu)于IHS-小波變換融合圖像，車輛輪廓、車牌、道路邊緣及背景建筑物清晰可見。3種算法融合圖像的清晰度依次遞增，表明在IHS變換的基礎(chǔ)上，因?yàn)樾〔ㄗ儞Q具有可聚焦到信號(hào)任意細(xì)節(jié)的特點(diǎn)，加入小波變換使其融合圖像清晰度得到提升，Curvelet變換因?yàn)榫哂懈飨虍愋缘闹螀^(qū)間，能用更少的系數(shù)表示曲線，使其較小波變換能更好地保留圖像信息，融合圖像清晰度更高。

圖4 不同算法下的融合圖像

為了客觀地評(píng)價(jià)本文算法效果，選取標(biāo)準(zhǔn)差（Stan?dard Deviation）、平均梯度（Average Gradient）、邊緣強(qiáng)度（Edge Intensity）、信息熵（Entropy）4個(gè)通用參數(shù)[14-15]對(duì)IHS變換、小波變換、Curvelet變換、IHS-小波變換和本文算法5種算法的融合圖像進(jìn)行了客觀數(shù)據(jù)分析，結(jié)果如表1所示。

表1 融合圖像的客觀評(píng)價(jià)

從表1中可以看出，本文算法融合圖像的標(biāo)準(zhǔn)差較IHS變換、小波變換、IHS-小波變換依次提高了50.58%、39.08%、27.26%，標(biāo)準(zhǔn)差的顯著提升表明本文算法使用的Curvelet變換比IHS和小波變換融合圖像的灰度范圍明顯增大，對(duì)比度大幅提高，較Curvelet變換提高了3.10%，表明在Curvelet變換的基礎(chǔ)上使用IHS變換，能進(jìn)一步提高融合圖像的對(duì)比度。

本文算法融合圖像的平均梯度較IHS變換、小波變換、IHS-小波變換分別提高了62.27%，53.95%，51.78%；邊緣強(qiáng)度較IHS變換、小波變換、IHS-小波變換分別提高了60.29%，52.34%，50.62%?？芍谶@兩項(xiàng)指標(biāo)上本文算法較使用IHS變換或小波變換的算法也有顯著提升，說明本文算法融合圖像的邊緣、輪廓、紋理等細(xì)節(jié)信息比IHS變換和小波變換算法的更加豐富，圖像清晰度大幅提升。本文算法融合圖像較Curvelet變換的平均梯度、邊緣強(qiáng)度分別提高了2.15%、8.77%，表明在Curvelet變換的基礎(chǔ)上使用IHS變換，能進(jìn)一步提高融合圖像的清晰度。

本文算法融合圖像的信息熵較IHS變換、小波變換、Curvelet變換、IHS-小波變換依次提高了4.22%、3.78%、0.55%、2.88%，表明本文算法較以上幾種算法能保留更多的原圖信息，減少信息丟失。

以上客觀指標(biāo)的數(shù)據(jù)對(duì)比與分析表明本文提出的IHS-Curvelet變換融合可見光和紅外圖像的算法，能使融合圖像的對(duì)比度和清晰度顯著提升，包含的信息量更多，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文抗暈光方法的有效性。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)有抗暈光算法消除暈光不理想，融合圖像清晰度較低的問題，提出了一種在IHS色彩空間下基于Curvelet變換融合可見光和紅外圖像的抗暈光方法，克服了二維小波基不具有各向異性的缺陷，能更好地表達(dá)圖像的邊緣、輪廓、紋理等細(xì)節(jié)信息，同時(shí)保留了色彩信息，避免了色彩失真。通過對(duì)初步試驗(yàn)結(jié)果的主、客觀分析表明，本文算法在有效消除暈光的同時(shí)，保留了更多的圖像原始信息，融合圖像色彩清晰，細(xì)節(jié)清楚，更符合人眼視覺習(xí)慣，有望增強(qiáng)現(xiàn)有汽車夜視系統(tǒng)及其效果，為夜間會(huì)車時(shí)的暈光問題提供一種更好的解決方案。然而該方法在低頻系數(shù)融合時(shí)采用了常用的加權(quán)平均融合策略，暈光信息仍參與了圖像融合，導(dǎo)致無法從根本上消除暈光，故有待進(jìn)一步對(duì)低頻系數(shù)融合策略進(jìn)行優(yōu)化，使其能主動(dòng)剔除暈光信息，避免參與融合過程，最終實(shí)現(xiàn)徹底消除暈光。