本發(fā)明涉及一種圖像增強(qiáng)方法，尤其涉及一種基于場(chǎng)景光輻射準(zhǔn)確估計(jì)的濃霧去除方法，屬于數(shù)字圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

圖像中霧氣的存在使得畫面能見(jiàn)度大大下降，人們無(wú)法從中獲取準(zhǔn)確的信息，進(jìn)而對(duì)周圍環(huán)境做出錯(cuò)誤的判斷，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難的發(fā)生。尤其，濃霧的天氣條件下，能見(jiàn)度極度下降、圖像信息大量缺失，直接影響了安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)揮其功效。由于室外監(jiān)控對(duì)圖像質(zhì)量的要求，對(duì)濃霧圖像去霧技術(shù)進(jìn)行深入的研究，已經(jīng)成為圖像清晰化迫切需要解決的問(wèn)題。

圖像去霧算法主要分為兩大類：一類是基于非物理模型的方法，另一類是基于物理模型的方法。這兩類方法的區(qū)別在于是否利用霧天成像模型。

基于非物理模型的去霧方法沒(méi)有從圖像降質(zhì)的物理成因入手，而是增強(qiáng)圖像的對(duì)比度和校正圖像的顏色，根據(jù)視覺(jué)感受改善圖像的質(zhì)量。比較典型的霧天圖像增強(qiáng)方法包括直方圖均衡化算法、小波方法和曲波變換、自動(dòng)顏色均衡化算法。該類算法不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的去霧，只能在一定程度上改善圖像視覺(jué)效果，容易去霧不徹底、出現(xiàn)色彩失真的現(xiàn)象。

基于物理模型的去霧方法實(shí)質(zhì)上是從經(jīng)典的大氣散射模型出發(fā)，通過(guò)求解模型中的相關(guān)參數(shù)，獲取場(chǎng)景反射率或無(wú)霧圖像。目前，基于物理模型的霧天圖像恢復(fù)方法主要包括基于偏振特性的方法、基于偏微分方程的方法、基于深度信息的方法、和基于先驗(yàn)知識(shí)或假設(shè)的方法。這些方法認(rèn)為場(chǎng)景光輻射是充足的，只考慮地表懸浮粒子的散射作用產(chǎn)生的降質(zhì)，可以較好的處理薄霧圖像。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

然而，當(dāng)用薄霧處理方法進(jìn)行濃霧圖像的處理時(shí)，圖像會(huì)出現(xiàn)整體發(fā)暗或者偏色，以及細(xì)節(jié)丟失等現(xiàn)象。這是因?yàn)闈忪F條件下，氣溶膠粒子在地表聚集，當(dāng)霧氣的光學(xué)厚度逐漸增大時(shí)，可見(jiàn)光的透射率逐漸變低，從而使得到達(dá)地面的光輻射能量隨之逐漸減小。另外，濃霧條件下，氣象也更為復(fù)雜，可能會(huì)伴隨著大氣層增厚的情況。在接近地表的低空區(qū)域，氣膠溶懸浮顆粒大小大于波長(zhǎng)，其對(duì)不同波長(zhǎng)光的衰減系數(shù)相同。但是，隨著高度的增加，地球引力減小，懸浮顆粒的直徑也逐漸縮小。在大氣層中，分布著許多直徑小于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的懸浮顆粒，這些顆粒會(huì)發(fā)生瑞利散射。瑞利散射使得波長(zhǎng)較短的光在傳播過(guò)程中被散射消散，只有波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光穿過(guò)大氣層到達(dá)地面。所以，濃霧條件下地表光輻射可能出現(xiàn)彩色顏色渲染，霧氣看上去不再是純白色。

為了更加有效的去除濃霧，研究者提出先進(jìn)行圖像亮度的調(diào)整，然后利用暗原色先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行霧氣的消除。這種方法能夠改善處理后圖像的亮度，但是由于所用方法場(chǎng)景光輻射估計(jì)不準(zhǔn)確，圖像的細(xì)節(jié)會(huì)不清晰。此外，由于調(diào)整亮度后的圖像可能會(huì)被消除一些陰影的區(qū)域，使得圖像不再完全符合暗原色先驗(yàn)的原理。若依然采用暗原色先驗(yàn)知識(shí)估計(jì)散射光相關(guān)參數(shù)，圖像層次感差，而且容易凸顯噪聲。

在此背景下，研究一種既能保持增強(qiáng)后圖像的亮度和細(xì)節(jié)，又能有效去除圖像霧氣的濃霧圖像增強(qiáng)方法顯得尤為重要。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種基于場(chǎng)景光輻射準(zhǔn)確估計(jì)的濃霧去除方法，實(shí)現(xiàn)單幅圖像濃霧去除。

為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明提供了一種基于場(chǎng)景光輻射準(zhǔn)確估計(jì)的濃霧去除方法，包括如下步驟：

(1)對(duì)霧天圖像i的rgb三個(gè)顏色通道進(jìn)行分解，得到三個(gè)顏色通道分量圖i^r，i^g，i^b，采用最大值濾波分別對(duì)三個(gè)顏色通道分量圖i^r，i^g，i^b進(jìn)行計(jì)算獲得場(chǎng)景光輻射的粗糙估計(jì)圖m^r，m^g，m^b；

(2)采用聯(lián)合保邊緣濾波對(duì)i^r和m^r，i^g和m^g，i^b和m^b三組圖像分別進(jìn)行計(jì)算，得到場(chǎng)景光輻射的精確估計(jì)圖l^r，l^g，l^b；

(3)將三個(gè)顏色通道分量圖i^r，i^g，i^b分別除以所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景光輻射精確估計(jì)圖l^r，l^g，l^b，并對(duì)三個(gè)顏色通道所計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行合成，得到消除場(chǎng)景光輻射衰減影響的霧天圖像j；

(4)將消除場(chǎng)景光輻射衰減影響的霧天圖像j中的每個(gè)像素值在球形坐標(biāo)系投影，得到(r(x,y),θ(x,y),φ(x,y))坐標(biāo)，其中，(x,y)表示該像素點(diǎn)的坐標(biāo)，r(x,y)表示該點(diǎn)到原點(diǎn)的距離即||j(x,y)-1||,θ(x,y)和φ(x,y)分別表示對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度，然后按經(jīng)緯度大小將像素聚類，得到n個(gè)分類后的霧線(p1,p2,…,pn)，再采用hazeline方法求取每個(gè)像素的透射率；

(5)利用步驟(4)獲取的透射率，計(jì)算場(chǎng)景的反射率，進(jìn)而獲取去霧后的圖像。

如上所述的一種基于場(chǎng)景光輻射準(zhǔn)確估計(jì)的濃霧去除方法，其特征在于所述步驟(1)中，最大值濾波的半徑為radius,所用公式如下：

radius＝|(max(height,width)/100|+1(1)

其中height和width表示圖像的長(zhǎng)和寬。

如上所述的一種基于場(chǎng)景光輻射準(zhǔn)確估計(jì)的濃霧去除方法，其特征在于所述步驟(2)中，聯(lián)合濾波所用公式如下所示：

其中(x,y),(i,j)為坐標(biāo)信息,ω是以(x,y)為中心的塊，m^c為每個(gè)通道進(jìn)行極大值濾波后獲取的場(chǎng)景光輻射的粗糙估計(jì)圖。

η^c(i,j)為階躍函數(shù)：

為指數(shù)函數(shù)：

其中，i^c(x,y)表示霧天圖像的c通道，σ表示像素值方差。

如上所述的一種基于場(chǎng)景光輻射準(zhǔn)確估計(jì)的濃霧去除方法，其特征在于所述步驟(3)中，為了避免所獲得環(huán)境光照等于0的情況，在除以環(huán)境光照的時(shí)候，需將步驟(2)中獲取的環(huán)境光照分量分別加一個(gè)非常小的常量ε＝0.01。

如上所述的一種基于場(chǎng)景光輻射準(zhǔn)確估計(jì)的濃霧去除方法，其特征在于所述步驟(4)中，利用k-mean算法對(duì)投影到球形坐標(biāo)系的像素進(jìn)行聚類。

如上所述的一種基于場(chǎng)景光輻射準(zhǔn)確估計(jì)的濃霧去除方法，其特征在于所述的聚類方法所使用聚類中心個(gè)數(shù)的范圍設(shè)定為200-500之間。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

圖1為本發(fā)明所述的一種基于場(chǎng)景光輻射準(zhǔn)確估計(jì)的濃霧去除方法流程圖。

圖2(a)至圖2(c)為本發(fā)明所述聯(lián)合濾波方法的3-d效果展示圖。

圖3(a)至圖3(f)為根據(jù)本發(fā)明的去霧方法與現(xiàn)有典型去霧方法在測(cè)試圖像上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比；其中，圖3(a)表示霧天圖像，圖3(b)表示限制對(duì)比度的自適應(yīng)直方圖均衡化方法去霧后結(jié)果，圖3(c)表示tarel方法去霧后結(jié)果，圖3(d)表示聯(lián)合暗原色和引導(dǎo)濾波方法去霧后結(jié)果，圖3(e)表示聯(lián)合暗原色和后處理方法去霧后結(jié)果，圖3(f)表示本發(fā)明方法去霧后圖像。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明所提供的基于場(chǎng)景光輻射準(zhǔn)確估計(jì)的濃霧去除方法，首先通過(guò)一種保邊緣的濾波器對(duì)場(chǎng)景光輻射進(jìn)行估計(jì)、消除場(chǎng)景光輻射衰減的影響。然后，利用像素球形坐標(biāo)系的性質(zhì)計(jì)算場(chǎng)景的反射率，獲取去霧后的圖像。下面對(duì)此展開詳細(xì)的說(shuō)明。

本發(fā)明中，基于場(chǎng)景光輻射準(zhǔn)確估計(jì)的濃霧去除方法包括如下幾個(gè)步驟，如圖1所示：

步驟1.對(duì)霧天圖像i的r，g，b三個(gè)顏色通道進(jìn)行分解，得到三個(gè)顏色通道分量圖i^r，i^g，i^b，采用最大值濾波分別對(duì)三個(gè)顏色通道分量圖i^r，i^g，i^b進(jìn)行計(jì)算獲得場(chǎng)景光輻射的粗糙估計(jì)圖m^r，m^g，m^b；

保持自然度的場(chǎng)景光輻射估計(jì)需滿足兩個(gè)條件：(a)光輻射在大部分區(qū)域應(yīng)該是平滑的但應(yīng)保留明暗交替邊緣；(b)場(chǎng)景光輻射應(yīng)不小于反射光，從而保證去霧后的圖像盡可能多的保留場(chǎng)景細(xì)節(jié)。

在retinex理論中，許多中心環(huán)繞方法通過(guò)對(duì)圖像最大通道低通濾波獲取場(chǎng)景光輻射。但是，對(duì)于場(chǎng)景光輻射偏色的情況，這種方法并不適用。而且，最大通道只是場(chǎng)景光輻射的一個(gè)下限值，用它作為光照的初始估計(jì)值缺乏物理解釋。

在以往文獻(xiàn)中，基于圖像中的高亮度區(qū)域是白色表面或者光源高亮度點(diǎn)的假設(shè)，研究者提出max-rgb算法，將3個(gè)通道的最大值作為光照的估計(jì)。但是，這種方法不適合于光照不均勻的情況。為了使得估計(jì)方法具有魯棒性，本發(fā)明將max-rgb方法推廣到局部區(qū)域，換句話說(shuō)，本發(fā)明認(rèn)為每個(gè)局部區(qū)域反射率較高的物體所反射的光更接近于環(huán)境光照。假設(shè)i為觀察到的圖像，則場(chǎng)景光輻射的粗糙估計(jì)為：

其中ω表示以(x,y)為中心的局部窗口，c表示顏色通道。

步驟2.采用聯(lián)合保邊緣濾波方法對(duì)i^r和m^r，i^g和m^g，i^b和m^b三組圖像分別進(jìn)行計(jì)算，得到場(chǎng)景光輻射的精確估計(jì)圖l^r，l^g，l^b；

步驟1中的方法確實(shí)能夠比較好的逼近場(chǎng)景光輻射。然而，與其他假設(shè)局部恒常的方法相似，在場(chǎng)景光輻射明暗交界的地方，這種方法估計(jì)的光照會(huì)存在塊效應(yīng)，因此，需要對(duì)它進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。為此，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)容自適應(yīng)的聯(lián)合保邊緣濾波來(lái)估計(jì)精確的場(chǎng)景光輻射l^c(x,y)：

表示指數(shù)函數(shù)，用來(lái)控制光輻射滿足條件(a)：

其中η^c(i,j)為階躍函數(shù)，用來(lái)控制場(chǎng)景光輻射滿足條件(b)，定義如下：

其中σ為像素灰度差。

與其他聯(lián)合保邊緣濾波不同，該方法并不是將引導(dǎo)圖的鄰里關(guān)系賦予待濾波圖進(jìn)行平滑。當(dāng)每個(gè)窗口濾波的時(shí)候，引導(dǎo)圖中只有一個(gè)像素起到了引導(dǎo)的作用。

步驟3.將三個(gè)顏色通道分量圖i^r，i^g，i^b分別除以所對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景光輻射精確估計(jì)圖l^r，l^g，l^b，并對(duì)三個(gè)顏色通道所計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行合成，得到消除場(chǎng)景光輻射衰減影響的霧天圖像j；

利用場(chǎng)景光輻射的精確估計(jì)，消除場(chǎng)景光輻射衰減影響的可通過(guò)以下公式獲?。?/p>

j^c(x,y)＝i^c(x,y)/l^c(x,y)(5)

步驟4.將消除場(chǎng)景光輻射衰減影響的霧天圖像j中的每個(gè)像素值在球形坐標(biāo)系投影，得到(r(x,y),θ(x,y),φ(x,y))坐標(biāo)，其中，(x,y)表示該像素點(diǎn)的坐標(biāo)，r(x,y)表示該點(diǎn)到原點(diǎn)的距離即||j(x,y)-1||,θ(x,y)和φ(x,y)分別表示對(duì)應(yīng)的經(jīng)緯度，然后按經(jīng)緯度大小將像素聚類，得到n個(gè)分類后的霧線(p1,p2,…,pn)，再采用hazeline方法求取每個(gè)像素的透射率；

消除了場(chǎng)景光輻射的衰減影響之后，場(chǎng)景反射率的獲取轉(zhuǎn)化為從以下公式中獲取透射率的問(wèn)題：

j(x,y)＝r(x,y)t(x,y)+1-t(x,y)(6)

將上述公式變形后：

j(x,y)-1＝(r(x,y)-1)t(x,y)(7)

將j(x,y)-1在球形坐標(biāo)系中表示后為：

j(x,y)-1＝[r(x,y),θ(x,y),φ(x,y)](8)

其中，r表示該點(diǎn)到原點(diǎn)的距離，即||j(x,y)-1||，θ和φ分別表示經(jīng)緯度。對(duì)于霧天的圖像相同顏色的像素值來(lái)說(shuō)具有不同t，在該球形坐標(biāo)系中表現(xiàn)為：這些像素具有離原點(diǎn)具有不同的半徑，卻具有相同的經(jīng)緯度θ和φ?；谶@種原理，通過(guò)聚類的方法，設(shè)置好聚類中心個(gè)數(shù)后，便可以獲得數(shù)條線，線上包含相似顏色的像素值。

然后，將每個(gè)聚類簇中最遠(yuǎn)像素的透射率記為1，根據(jù)投射的球形坐標(biāo)半徑與最遠(yuǎn)像素投影坐標(biāo)的半徑比例求取分布在每條線上其他像素的透射率；

給定一個(gè)點(diǎn)r(x,y)可表示為：

r(x,y)＝t(x,y)||j(x,y)-1||,0≤t(x,y)≤1(9)

將最長(zhǎng)的半徑坐標(biāo)設(shè)置為t＝1。其中，p為一條聚類線。則每一點(diǎn)的透射率即可獲?。?/p>

步驟5.利用步驟(4)獲取的透射率，計(jì)算場(chǎng)景的反射率，進(jìn)而獲取去霧后的圖像。

通過(guò)下面的公式可以計(jì)算場(chǎng)景的反射率作為去霧后的圖像：

圖2(a)至圖2(c)為本發(fā)明所述聯(lián)合濾波方法的3-d效果展示圖。

圖3(a)至圖3(f)為根據(jù)本發(fā)明的去霧方法與現(xiàn)有典型去霧方法在測(cè)試圖像上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比；其中，圖3(a)表示霧天圖像，圖3(b)表示限制對(duì)比度的自適應(yīng)直方圖均衡化方法去霧后結(jié)果，圖3(c)表示tarel方法去霧后結(jié)果，圖3(d)表示聯(lián)合暗原色和引導(dǎo)濾波方法去霧后結(jié)果，圖3(e)表示聯(lián)合暗原色和后處理方法去霧后結(jié)果，圖3(f)表示本發(fā)明方法去霧后圖像。

需要說(shuō)明的是，以上公開的僅為本發(fā)明的具體實(shí)施實(shí)例。根據(jù)本發(fā)明所提供的技術(shù)思想，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所能思及的變化應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。