專利名稱：一種基于暗原色通道先驗(yàn)的霧效數(shù)字濾鏡方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字圖像處理領(lǐng)域，具體的涉及ー種基于暗原色通道先驗(yàn)的霧效數(shù)字濾鏡方法。
背景技術(shù)：
戶外圖像往往會(huì)因?yàn)榭諝庵蓄w粒(霧，霾，雜質(zhì)等)的存在而清晰度降低，圖像質(zhì) 量下降。在過(guò)去的幾十年間，為了提高這些系統(tǒng)的完善性與可靠性，人們一直致力于除霧研究。利用多幅圖像(不同拍攝角度或不同拍攝時(shí)間)處理去霧化，取得了一定的效果。但是這些方法對(duì)于輸入數(shù)據(jù)的要求，使得普通拍攝者難以獲取合適的圖像。對(duì)于單幅圖像，一種是基于圖像增強(qiáng)的方法，由于圖像的質(zhì)量降低與場(chǎng)景點(diǎn)到成像傳感器的距離成指數(shù)關(guān)系，因此這種假設(shè)場(chǎng)景景深不變的圖像增強(qiáng)技術(shù)不能很好地對(duì)霧化圖像去霧恢復(fù)。而另ー種基于大氣散射規(guī)律建立圖像退化模型的方法能夠利用先驗(yàn)知識(shí)，具有內(nèi)在的優(yōu)越性。不足的是這類方法一般需要求得場(chǎng)景深度或大氣條件信息。而現(xiàn)實(shí)條件下，獲取的降質(zhì)圖像并沒(méi)有附加任何景深與大氣條件的信息。由于已知信息量不足，因此圖像去霧恢復(fù)是個(gè)不適定的反問(wèn)題。近些年來(lái)，對(duì)于單幅圖像的處理又取得了很大進(jìn)步，這些方法更多地依賴于先驗(yàn)假設(shè)和物理模型。例如増大局部差異和利用簡(jiǎn)單大氣散射模型的方法，然而，它們對(duì)于濃霧無(wú)法進(jìn)行很好的處理。就目前來(lái)說(shuō)，基于暗原色通道先驗(yàn)的除霧方法是取得最好效果的方法。然而，這種方法仍然存在模型考慮不足的問(wèn)題，其本身存在著一定的局限性。對(duì)于天空等區(qū)域的考慮不足以及沒(méi)有考慮到散射效應(yīng)使其處理結(jié)果容易出現(xiàn)色差問(wèn)題。另外，霧的存在是人感受深度的一個(gè)基礎(chǔ)，這被稱為透視感。在遠(yuǎn)處保留少部分的霧，能夠使圖像更加接近真實(shí)場(chǎng)景。然而，很少有人對(duì)這方面加以關(guān)注，現(xiàn)有的基于暗通道先驗(yàn)的方法也僅是少量涉及。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于暗原色通道先驗(yàn)的霧效數(shù)字濾鏡方法，針對(duì)現(xiàn)有模型的局限性提出了解決方案，并以透視感這一概念為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的除霧方法改為霧效濾鏡，解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足。通過(guò)簡(jiǎn)單人機(jī)交互不僅能去除圖像中的霧霾，而且也能根據(jù)用戶需要生成自然霧效。該方法僅僅需要簡(jiǎn)單的物理模型和數(shù)據(jù)計(jì)算，就能夠?qū)ξ锢砟Ｐ瓦M(jìn)行修正操作，時(shí)間上和空間上都大大減少，増加了其通用性。本發(fā)明采用的技術(shù)方案一種基于暗原色通道先驗(yàn)的霧效數(shù)字濾鏡方法，采用大氣散射模型應(yīng)用于霧霾天氣除霧的模型，并采用暗原色通道先驗(yàn)原理，對(duì)圖像進(jìn)行操作。一種基于暗原色通道先驗(yàn)的霧效數(shù)字濾鏡方法，包括暗原色圖像提取、估計(jì)大氣光、透射率轉(zhuǎn)換、優(yōu)化補(bǔ)償、霧效模擬等模塊，其步驟如下
第一歩，暗原色圖像提取 在圖像上設(shè)置ー個(gè)滑動(dòng)窗ロ，得到該窗ロ內(nèi)內(nèi)像素的RGB最小值并將這個(gè)窗ロ內(nèi)像素值設(shè)置為該最小值；然后將窗ロ以I像素為單位移動(dòng)，直至處理完整個(gè)圖像，得到單通道的暗原色圖像。第二步，估計(jì)大氣光井修正色差使用大氣光估計(jì)的方法來(lái)得到大氣光井修正霧對(duì)不同顔色光散射效應(yīng)的不同而造成的色差。將暗原色圖像中O. I %最亮的點(diǎn)(即灰度值最大的點(diǎn))取出，并將其對(duì)應(yīng)位置的源圖像中的像素點(diǎn)作為ー個(gè)集合O(X)，取O(X)中RGB三通道的像素最大值，根據(jù)散射定律對(duì)其進(jìn)行系數(shù)修正，公式如下Imax—r = (1-ηΓ)ιηαχ(ΗΓ (y))(丄 ノImax—g =(1-η8) max (H8 (y))V Z )
& yeo(x)Imax—b =(1-r|b) max (Hb (y))Uノ其中Hlr, Hg和Hb是源圖像的RGB三通道，Imax_r, Imax_g和Imax_b分別是大氣光的RGB值，參數(shù)も，ng和ηb分別是RGB的修正參數(shù)。第三步，透射率轉(zhuǎn)換根據(jù)步驟(2)得到大氣光的RGB值，再結(jié)合暗原色通道先驗(yàn)原理及大氣散射模型公式(4)、(5)，推導(dǎo)得到透射率推導(dǎo)公式(6)，具體如下t(x) = e_0d(x)(4)I(x) = J(x) t (X)+A (l_t (X)) (5)其中t為透射率，e是自然常數(shù)，β為透射系數(shù)，d為距離，I為源圖像，J為無(wú)霧圖像，A為大氣光。推導(dǎo)透射率推導(dǎo)公式t(x) = l-^(6)
A其中IdaA為暗原色圖，A為大氣光，t為得到的粗略的透射率圖。第四步，優(yōu)化補(bǔ)償使用引導(dǎo)濾波(guided filter)的方法對(duì)該透射率圖進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后對(duì)其進(jìn)行天空補(bǔ)償，修正暗原色通道先驗(yàn)原理不適用的天空等明亮區(qū)域的色差，通過(guò)人工交互的方法獲取天空補(bǔ)償閾值α，此閾值作為區(qū)分天空等明亮區(qū)域與實(shí)際景物的景物的分界值，利用天空補(bǔ)償公式t = 2 a -t (7)對(duì)透射率圖進(jìn)行天空補(bǔ)償，得到修正的透射率圖。第五步，霧效模擬設(shè)定ー個(gè)不同霧效場(chǎng)景下的能見(jiàn)度，當(dāng)不同濃度霧圖像同時(shí)達(dá)到最大能見(jiàn)度吋，它們的透射率相同，依據(jù)公式(4)推導(dǎo)tn(x) = th(x)Dws"/Dws°(8)其中tn(x)和th(x)分別為模擬霧圖像和源圖像的透射率，Dvish和Dvisn分別為人工交互設(shè)定的源圖像和模擬霧圖像的能見(jiàn)度，再將不同霧效下的場(chǎng)景聯(lián)系起來(lái)，根據(jù)公式(5)推導(dǎo)的公式
N(x) = (H(x)tn(x)-A(tn(x)-th(x)))/th(x) (9)其中N(X)是所求的模擬霧圖像，H(x)是源圖像，tn(x)和th(x)分別為模擬霧圖像和源圖像的透射率，A是大氣光。將得到的有霧場(chǎng)景的透射率圖，源圖像以及源圖像的透射率圖代入公式(9)計(jì)算得出模擬的有霧圖像。最后再對(duì)圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠毓庑揎椧愿纳破湟曈X(jué)效果。本發(fā)明基于通用的大氣散射的物理模型，采用基于暗原色先驗(yàn)的方法來(lái)求取暗原色圖像，估計(jì)大氣光并根據(jù)局部最小值的推導(dǎo)得到粗略的透射率圖，利用引導(dǎo)濾波(guidedfilter)的方法對(duì)透射率圖進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行天空補(bǔ)償，進(jìn)而利用透射率間的指數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算不同的透射率，從而得到不同霧效的有霧場(chǎng)景。


圖I是本發(fā)明的方法工作流程圖。 101源圖像，102暗原色圖像，103粗略透射率圖像，104優(yōu)化的透射率圖像，105天空補(bǔ)償后的透射率圖像，106模擬霧圖像的透射率圖像，107模擬霧圖像。圖2a是能見(jiàn)度16000m的霧效示意圖。圖2b是能見(jiàn)度8000m的霧效示意圖。圖2c是能見(jiàn)度4000m的霧效示意圖。圖2d是能見(jiàn)度2000m的霧效示意圖。圖2e是能見(jiàn)度IOOOm的霧效示意圖(原始圖像)。圖2f是能見(jiàn)度800m的霧效示意圖。圖2g是能見(jiàn)度500m的霧效示意圖。圖2h是能見(jiàn)度200m的霧效示意圖。圖2i是能見(jiàn)度IOOm的霧效示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提出了一種基于暗原色通道先驗(yàn)的霧效數(shù)字濾鏡方法，該方法具體實(shí)施步驟首先，加載源圖像101，根據(jù)大氣散射模型暗原色通道先驗(yàn)的原理，建立ー張空白的單通道圖像，采用15*15大小的滑動(dòng)窗ロ，對(duì)源圖像101進(jìn)行運(yùn)算，取窗口內(nèi)像素RGB最小值，并將該最小值作為單通道圖像該區(qū)域內(nèi)像素值，以像素為單位移動(dòng)該窗ロ進(jìn)行相同運(yùn)算，直至處理完整個(gè)源圖像101，得到的單通道圖像即為源圖像的暗原色圖像102 ；接著，將暗原色圖像102中O. I %最亮的點(diǎn)(即灰度值最大的點(diǎn))取出，并將其對(duì)應(yīng)位置的源圖像中的像素點(diǎn)作為ー個(gè)集合0(X)，取該集合中RGB三通道的像素最大值，根據(jù)散射定律對(duì)其進(jìn)行系數(shù)修正，按照公式(I) (2) (3)進(jìn)行計(jì)算(得到大氣光。 Imax—r = (1-ηΓ)ιηαχ(ΗΓ (y))( I )Imax—g =(1-η )max(H8(y))VZ)
8 Υ￡θ(χ)
Imax—b =(1- ) max (Hb (y))( 3 )其中Hlr, Hg和Hb是源圖像的RGB三通道，Imax_r, Imax_g和Imax_b分別是大氣光的RGB值，參數(shù)も，ng和nb分別是RGB的修正參數(shù)，常用數(shù)值為O. 02，0. 01，0。)使用天空補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)修正暗原色通道先驗(yàn)原理不適用的天空等明亮區(qū)域的色差，通過(guò)人工交互的方法獲取天空補(bǔ)償閾值α，此閾值作為區(qū)分天空等明亮區(qū)域與實(shí)際景物的景物的分界值，利用天空補(bǔ)償公式t = 2 a -t (4)對(duì)透射率圖進(jìn)行天空補(bǔ)償，得到修正的透射率圖；使用霧效模擬的方法來(lái)實(shí)際模擬各種不同濃度的霧(即霧效)下的場(chǎng)景，根據(jù)大氣散射模型中公式t(x)=e-0d(x) (5)其中β是透射系數(shù)，引入能見(jiàn)度的概念，設(shè)定ー個(gè)不同霧效場(chǎng)景下的能見(jiàn)度，當(dāng)不同濃度霧圖像同時(shí)達(dá)到最大能見(jiàn)度時(shí)，它們的透射率相同，根據(jù)公式(5)可以得到tn(x) = th(x)Dws"/Dws°(6)其中tn(x)和th(x)分別為模擬霧圖像和源圖像的透射率，Dvish和Dvisn分別為人工交互設(shè)定的源圖像和模擬霧圖像的能見(jiàn)度。然后依據(jù)公式(6)進(jìn)行計(jì)算得到粗略的透射率圖103，用引導(dǎo)濾波(guided filter)的方法對(duì)粗略的透射率圖進(jìn)行優(yōu)化得到優(yōu)化的透射率圖104 ；然后，再根據(jù)大氣散射模型中公式I(x) = J(x) t (X)+A (1-t (X)) (7)
對(duì)優(yōu)化的透射率圖進(jìn)行天空補(bǔ)償(如果沒(méi)有天空區(qū)域則設(shè)置閾值為O. I)得到補(bǔ)償后的透射率圖105。其中I(X)為有霧圖像，J(x)為無(wú)霧圖像，t(x)為透射率，A為大氣光。定義源圖像和需要模擬的圖像的最大能見(jiàn)度，利用公式(8)N(x) = (H(x)tn(x)-A(tn(x)-th(x)))/th(x) (8)代入源圖像和需要模擬的圖像的最大能見(jiàn)度及補(bǔ)償后的透射率圖得到模擬霧圖像的透射率圖106 ;其中N(x)是所求的模擬霧圖像，H(x)是源圖像，tn(x)和th(x)分別為模擬霧圖像和源圖像的透射率，A是大氣光；將大氣光，源圖像，源圖像及模擬霧圖像的透射率代入公式(9)，并適當(dāng)?shù)挠闷毓鈱?duì)其結(jié)果進(jìn)行修飾，得到最終的模擬霧圖像107。如圖2a、圖2b、圖2c、圖2d、圖2e、圖2f、圖2g、圖2h、圖2i為模擬的不同霧效的圖集，依次為 16000m, 8000m, 4000m, 2000m, 1000m (源圖像),800m, 500m, 200m, 100m。
權(quán)利要求
1.一種基于暗原色通道先驗(yàn)的霧效數(shù)字濾鏡方法，采用大氣散射模型應(yīng)用于霧霾天氣除霧的模型，并采用暗原色通道先驗(yàn)原理，對(duì)圖像進(jìn)行操作；其特征包括以下步驟 第一歩，暗原色圖像提取 在圖像上設(shè)置ー個(gè)滑動(dòng)窗ロ，得到該窗口內(nèi)內(nèi)像素的RGB最小值并將這個(gè)窗口內(nèi)像素值設(shè)置為該最小值；然后將窗ロ以I像素為單位移動(dòng)，直至處理完整個(gè)圖像，得到單通道的暗原色圖像； 第二步，估計(jì)大氣光井修正色差 使用大氣光估計(jì)的方法來(lái)得到大氣光井修正霧對(duì)不同顔色光散射效應(yīng)的不同而造成的色差；將暗原色圖像中0. 1%最亮的點(diǎn)取出，并將其對(duì)應(yīng)位置的源圖像中的像素點(diǎn)作為ー個(gè)集合O (X)，取O (X)中RGB三通道的像素最大值，根據(jù)散射定律對(duì)其進(jìn)行系數(shù)修正，公式如下
全文摘要
一種基于暗原色通道先驗(yàn)的霧效數(shù)字濾鏡方法，屬于計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。采用大氣散射模型應(yīng)用于霧霾天氣除霧的模型，并采用暗原色通道先驗(yàn)原理，對(duì)圖像進(jìn)行操作，包括暗原色圖像提取、估計(jì)大氣光、透射率轉(zhuǎn)換、優(yōu)化補(bǔ)償、霧效模擬等步驟。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有模型的局限性提出了解決方案，又以透視感這一概念為基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)的除霧方法改為霧效濾鏡，得到不同霧效的有霧/無(wú)霧場(chǎng)景，解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足。該方法僅需要物理模型和數(shù)據(jù)計(jì)算，就能夠?qū)ξ锢砟Ｐ瓦M(jìn)行修正操作，時(shí)間上和空間上都大大減少，提高了其通用性。
文檔編號(hào)G06T11/00GK102663694SQ20121009099
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者樊鑫, 高仁杰 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)