一種結(jié)合暗通道先驗(yàn)原理的偏振成像去霧方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)和圖像處理領(lǐng)域，具體來說，涉及一種結(jié)合暗通道先驗(yàn)原理的偏 振成像去霧方法，用于霧霾、煙塵、水汽等環(huán)境下視覺設(shè)備圖像質(zhì)量的改善。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著人類社會(huì)的發(fā)展，環(huán)境污染和氣候變化導(dǎo)致的煙、霧、霾等氣候環(huán)境 越來越頻繁，給人們的生活造成了諸多不便，例如場景能見度的大大降低增加了觀測(cè)困難。 增強(qiáng)煙、霧、霾天氣環(huán)境下目標(biāo)成像對(duì)比度、提高能見度的去霧成像技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域 都具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。因此，對(duì)圖像進(jìn)行可視性的有效去霧降噪成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)， 也是光電顯示和圖像處理領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
[0003] 現(xiàn)行的圖像去霧技術(shù)主要分為計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和物理模型復(fù)原技術(shù)兩大類?；?圖像增強(qiáng)的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)主要針對(duì)圖像中不清晰目標(biāo)的對(duì)比度增強(qiáng)，而不考慮霧霾具體 的形成過程。這類方法沒有考慮霧天圖像對(duì)比度和景物深度的關(guān)系，因此對(duì)景物深度變化 比較大的圖像增強(qiáng)效果不理想，會(huì)造成圖像中部分信息的丟失。基于物理模型復(fù)原的去霧 技術(shù)是先對(duì)大氣參數(shù)和透射率進(jìn)行估計(jì)，然后根據(jù)成像模型來恢復(fù)原始圖像。此類方法能 夠較好地處理復(fù)雜場景中霧霾的影響，但是算法復(fù)雜、運(yùn)算量很大、耗時(shí)長，難以滿足實(shí)時(shí) 去霧處理的要求。
[0004] He 等在 IEEE TRANSACTIONS ON PATTERN ANALYSIS AND MACHINE INTELLIGENCE 上發(fā)表的 "Single Image Haze Removal Using Dark Channel Prior" 中提出了一種基于 暗通道先驗(yàn)原理的去霧方法，該方法用暗像素來直接評(píng)估霧中目標(biāo)信息，能夠得到更為準(zhǔn) 確的大氣散射光信息，恢復(fù)出的圖像質(zhì)量較理想，但是需要對(duì)整幅圖像進(jìn)行軟摳圖處理，計(jì) 算量非常大。基于線偏振Stokes矢量偏振成像的去霧技術(shù)在成本和算法適應(yīng)性方面均具 有優(yōu)勢(shì)，除能保留圖像原有的細(xì)節(jié)信息外，還因其處理時(shí)間短，適用于實(shí)時(shí)去霧成像系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的問題是提供一種結(jié)合暗通道先驗(yàn)原理的偏振成像去霧方法，它 通過簡單的算法能夠得到相對(duì)更準(zhǔn)確的大氣信息估算結(jié)果，從而獲得清晰的去霧圖像。
[0006] 本發(fā)明采取的技術(shù)解決方案是提供一種結(jié)合暗通道先驗(yàn)原理的偏振成像去霧方 法，其特別之處在于，包含以下步驟：
[0007] (1)采用偏振成像的方法對(duì)目標(biāo)場景成像，獲得多幅偏振圖像，通過計(jì)算得到成像 場景的線偏振Stokes矢量，相應(yīng)地得到總光強(qiáng)圖像，其中，總光強(qiáng)包括目標(biāo)光光強(qiáng)和大氣 散射光光強(qiáng)；
[0008] (2)基于暗通道先驗(yàn)原理從總光強(qiáng)圖像中選取能夠估算大氣散射光信息的區(qū)域， 并在該區(qū)域估算得到大氣散射光偏振度、偏振角和無窮遠(yuǎn)處大氣散射光光強(qiáng)；
[0009] (3)根據(jù)估算的大氣散射光偏振度和偏振角計(jì)算整幅圖像各像素點(diǎn)的大氣散射光 光強(qiáng)，結(jié)合步驟（2)所估算的無窮遠(yuǎn)處大氣散射光光強(qiáng)，依據(jù)偏振去霧成像的物理模型，計(jì) 算去霧后的目標(biāo)光光強(qiáng)，得到去霧后的圖像；
[0010] (4)利用灰度熵函數(shù)對(duì)所得到的去霧后圖像進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)，自動(dòng)優(yōu)化無窮遠(yuǎn)處大 氣散射光光強(qiáng)偏置系數(shù)，獲得效果最好的去霧圖像。
[0011] 上述步驟（1)中獲得的多幅偏振圖像為四幅或三幅，當(dāng)為四幅時(shí)偏振片透光軸方 向分別為0°、45°、90°和135° ;當(dāng)為三幅時(shí)偏振片透光軸方向分別為0°、45°和90°。
[0012] 當(dāng)偏振圖像為四幅時(shí)，上步驟（2)中的估算無窮遠(yuǎn)處大氣散射光光強(qiáng)六"的計(jì)算步 驟如下：
[0013] Al.通過偏振成像技術(shù)對(duì)目標(biāo)場景進(jìn)行成像，獲得四幅偏振圖像，四幅圖像的光強(qiáng) 分別記為 I (0)、I (45)、I (90)和 I (135);
[0014] A2.基于得到的四個(gè)偏振圖像的光強(qiáng)，計(jì)算得到線偏振Stokes矢量，
[0015] S0= 1(0)+1(90)
[0016] S1= 1(0)-1(90), (1)
[0017] S2= 1 (45)-1 (135)
[0018] 其中，S。為探測(cè)器得到的總光強(qiáng)，S JP S 2為偏振光光強(qiáng)；
[0019] A3.利用暗通道先驗(yàn)原理從探測(cè)器得到的總光強(qiáng)S。的圖像中重構(gòu)暗通道圖像；對(duì) 于任意輸入圖像I，其暗通道可表示為：
[0020]
(2)
[0021] 其中，Γ表示彩色圖像的每個(gè)顏色通道，Ω (X)表示以像素X為中心的一個(gè)窗口； 即首先選取各個(gè)像素在R、G、B三個(gè)顏色通道中的強(qiáng)度最小值，重構(gòu)一幅灰度圖像，然后對(duì) 該灰度圖像進(jìn)行最小值濾波，最終重構(gòu)得到暗通道的圖像；從得到的暗通道圖像選出強(qiáng)度 從大到小前0. 1 %的像素，記下其坐標(biāo)位置，在總光強(qiáng)S。圖像里按坐標(biāo)找出對(duì)應(yīng)的像素群， 從該像素群中找出大氣散射光光強(qiáng)最大值的像素，求得在該像素周圍一個(gè)窗口中所有像素 的強(qiáng)度平均值i，若該窗口中所有像素點(diǎn)大氣散射光光強(qiáng)滿足關(guān)系式I Jid-I I < &則認(rèn)為 無窮遠(yuǎn)處大氣散射光光強(qiáng)六"近似等于A的值；若該點(diǎn)不滿足關(guān)系式I Juj-Z I <&則取下 一個(gè)最大強(qiáng)度進(jìn)行判斷，直到滿足該關(guān)系式的像素點(diǎn)出現(xiàn)；公式中S是強(qiáng)度閾值，A1^是以 大氣散射光光強(qiáng)最大值像素點(diǎn)為中心的窗口內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)強(qiáng)度；
[0022] A4.給無窮遠(yuǎn)處大氣散射光光強(qiáng)A"引入一個(gè)偏置系數(shù)ε，其中ε >1， 用來修正去霧后圖像過亮的問題。
[0023] 當(dāng)偏振圖像為三幅時(shí)，上述步驟（2)中的估算無窮遠(yuǎn)處大氣散射光光強(qiáng)Α"的計(jì)算 步驟可以如下：
[0024] Al.通過偏振成像技術(shù)對(duì)目標(biāo)場景進(jìn)行成像，獲得三幅偏振圖像，三幅圖像的光強(qiáng) 分別記為 I (〇)、I (45)、I (90);
[0025] A2.基于得到的三個(gè)偏振圖像的光強(qiáng)，計(jì)算得到線偏振Stokes矢量，
[0026] S0= 1(0)+1(90)
[0027] S1= 1(0)-1(90), (3)
[0028] S2= 21 (45)-S0
[0029] 其中，S。為探測(cè)器得到的總光強(qiáng)，S JP S 2為偏振光光強(qiáng)；
[0030] A3.利用暗通道先驗(yàn)原理從探測(cè)器得到的總光強(qiáng)S。的圖像中重構(gòu)暗通道圖像；對(duì) 于任意輸入圖像I，其暗通道可表示為：
[0031]
(2)
[0032] 其中，Γ表示彩色圖像的每個(gè)顏色通道，Ω (X)表示以像素X為中心的一個(gè)窗口； 即首先選取各個(gè)像素在R、G、B三個(gè)顏色通道中的強(qiáng)度最小值，重構(gòu)一幅灰度圖像，然后對(duì) 該灰度圖像進(jìn)行最小值濾波，最終重構(gòu)得到暗通道的圖像；從得到的暗通道圖像選出強(qiáng)度 從大到小前0. 1 %的像素，記下其坐標(biāo)位置，在總光強(qiáng)S。圖像里按坐標(biāo)找出對(duì)應(yīng)的像素群， 從該像素群中找出大氣散射光光強(qiáng)最大值的像素，求得在該像素周圍一個(gè)窗口中所有像素 的強(qiáng)度平均值J:，若該窗口中所有像素點(diǎn)大氣散射光光強(qiáng)滿足關(guān)系式I I <&則認(rèn) 為無窮遠(yuǎn)處大氣散射光光強(qiáng)a"近似等于；J的值；若該點(diǎn)不滿足關(guān)系式I Wu-:? I < &則取 下一個(gè)最大強(qiáng)度進(jìn)行判斷，直到滿足該關(guān)系式的像素點(diǎn)出現(xiàn)；公式中S是強(qiáng)度閾值，A1^是 以大氣散射光光強(qiáng)最大值像素點(diǎn)為中心的窗口內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)強(qiáng)度；
[0033] A4.給無窮遠(yuǎn)處大氣散射光光強(qiáng)A"引入一個(gè)偏置系數(shù)ε，其中ε>1，即3二 用來修正去霧后圖像過亮的問題。
[0034] 上述步驟（3)中計(jì)算大氣散射光光強(qiáng)的步驟如下：
[0035] BI.根據(jù)暗通道先驗(yàn)原理選取出來的估算Α"的區(qū)域，計(jì)算大氣散射光的偏振角和 偏振度；由于該區(qū)域不含目標(biāo)光信息，因此計(jì)算得到該區(qū)域的各像素點(diǎn)偏振度和偏振角即 為大氣散射光的偏振角％和偏振度ρ Α:
[0036] (4)
[0037] (5)：
[0038] ，Sli^P S 2Ω分別代表選出來的估算A "的區(qū)域的線偏振Stokes矢量；
[0039] Β2.大氣散射光是部分偏振光，假設(shè)目標(biāo)反射光是非偏振光，則探測(cè)器接收到的偏 振光只是來自于大氣散射光；利用線偏振Stokes矢量，可以計(jì)算得到圖像各像素點(diǎn)的偏振 度，即
[0040]
(6)
[0041] 定義0°和90°偏振方向分別為X和y方向，有Apx= ApCos2 Θ A，Apy= ApSin2 θ A， 其中ApdP A 別為大氣散射光偏振部分在x和y方向的光強(qiáng)，A p為大氣散射光偏振部 分的光強(qiáng)；非偏振光經(jīng)過偏振片后強(qiáng)度變?yōu)樵瓉淼囊话?，即Sid(I-P)/2 ;因此又有X方向 大氣散射光偏振部分光強(qiáng)Apx= I (O)-S 〇(1-ρ)/2，y方向大氣散射光偏振部分光強(qiáng)Apy = I (90)-S〇(l-p)/2,所以大氣散射光偏振部分光強(qiáng)Ap可以表不為：
[0042]
(7)
[0043] B3.大氣散射光偏振度pA= A P/A，因此可以由以下關(guān)