一種信息損耗約束的沙塵圖像清晰化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像復(fù)原技術(shù)領(lǐng)域，在低對(duì)比度、低信息量及存在嚴(yán)重沙塵天氣下，實(shí) 現(xiàn)黃色偏移的圖像清晰化恢復(fù)，具體涉及一種信息損耗約束的沙塵圖像清晰化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域利用圖像信息 進(jìn)行智能識(shí)別和判斷，如交通、視頻監(jiān)控，偵查、導(dǎo)航等。然而在沙塵天氣情況下，受大氣介 質(zhì)中懸浮的沙塵顆粒散射的影響，拍攝的圖像會(huì)出現(xiàn)對(duì)比度降低、顏色偏移等退化現(xiàn)象，使 得場(chǎng)景的可辨識(shí)度大大降低，這嚴(yán)重制約了戶(hù)外圖像處理系統(tǒng)的應(yīng)用。而沙塵天氣是我國(guó) 西北地區(qū)尤其新疆地區(qū)是比較常見(jiàn)的一種天氣情況，從退化的沙塵圖像中增強(qiáng)和復(fù)原場(chǎng)景 細(xì)節(jié)信息，提升沙塵退化圖像的可觀(guān)測(cè)性，為圖像的進(jìn)一步處理提供更多的信息具有重要 的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003]目前對(duì)退化圖像的研究主要集中于霧霾天氣，直接利用傳統(tǒng)的霧天圖像增強(qiáng)的方 法來(lái)處理沙塵圖像，往往不能取得理想的效果，首先是算法本身存在信息損耗等缺陷，再就 是沙塵圖像相對(duì)而言具有明顯的偏色，對(duì)比度退化更加嚴(yán)重。經(jīng)典的圖像增強(qiáng)的方法，通常 是從主觀(guān)感受出發(fā)，并不分析天氣因素造成圖像降質(zhì)的物理成因，僅僅是通過(guò)對(duì)比度拉伸 的思路提升圖像的可觀(guān)測(cè)性；然而實(shí)際沙塵天氣拍攝的圖像，其退化程度是隨場(chǎng)景深度變 化的，相應(yīng)的對(duì)比度提升程度應(yīng)該是隨景深空間變化的，因此基于傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)的思路 來(lái)恢復(fù)沙塵圖像，對(duì)景深變化較大的場(chǎng)景恢復(fù)效果具有一定的局限性，且很難恢復(fù)出符合 實(shí)際場(chǎng)景的顏色。
[0004] 沙塵圖像通常呈現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)是：對(duì)比度退化嚴(yán)重且退化程度隨深度空間變化， 存在明顯黃色偏移，整體亮度偏暗，細(xì)節(jié)丟失；如何改善這些缺點(diǎn)來(lái)提升沙塵圖像的可觀(guān)測(cè) 性，是一個(gè)急需解決的技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種信息損耗約束的沙塵圖像清晰化方法，對(duì)沙塵天氣下所 拍攝的退化圖像進(jìn)行清晰化處理，恢復(fù)出退化圖像中的有效信息，恢復(fù)場(chǎng)景中的細(xì)節(jié)，提升 對(duì)比度，還原真實(shí)場(chǎng)景的顏色。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，一種信息損耗約束的沙塵圖像清晰化方法，該方法按 照以下步驟具體實(shí)施：
[0007] 建立大氣光的成像模型如下式：
[0008]Ic (x) =Jc (x)·t(x) +AC·(l~t(x)),C=R,G,B,xeimage(1)
[0009] 其中，f(x)是采集到的退化的原始圖像；x為原始圖像的像素坐標(biāo)，xeimage是 指相應(yīng)圖像中所有的像素；/(X)是待求的目標(biāo)圖像；t(x)是透射率，其取值范圍是[0, 1]; ，是大氣光分量，R，G，B分別表示對(duì)應(yīng)圖像的紅色、綠色、藍(lán)色三個(gè)顏色通道的值，
[0010]步驟1、計(jì)算大氣光分量
[0011] 假設(shè)在最小的透射率〖_作用下，待恢復(fù)的目標(biāo)圖像滿(mǎn)足灰色世界假設(shè)，對(duì)于式 (1)，對(duì)等式兩邊求均值后得：
[0012]
[0013] 其中，嚴(yán)為所采集的原始圖像的三個(gè)顏色通道的均值，t_為透過(guò)沙塵層的最小透 過(guò)率，即：
[0014]
[0015] N_ge為原始圖像的像素總個(gè)數(shù)，xeimage是指原始圖像中所有的像素，尸為目 標(biāo)圖像的均值，因?yàn)闈M(mǎn)足灰色世界假設(shè)，因此則有：
[0016]
[0017]將tmin、式（3)以及式⑷計(jì)算得到的/_<'、和C=R,G,B帶入式⑵中，計(jì)算 得到大氣光分量Y如下：
[0018]
[0019] 步驟2、計(jì)算透射率的粗略估計(jì)值
[0020] 2. 1)選取局部觀(guān)測(cè)窗Ωε
[0021] 假設(shè)局部區(qū)域內(nèi)場(chǎng)景的深度連續(xù)平滑，因此在透射率估計(jì)過(guò)程中選取的局部觀(guān)測(cè) 窗，局部觀(guān)測(cè)窗的大小為wXw，采集到的原始圖像大小為mXn，其中函數(shù)int()表示取整數(shù) 運(yùn)算；
[0022] 2. 2)初始化，設(shè)置局部觀(guān)測(cè)窗Ωε內(nèi)的透射率初值tinitlal=t
[0023] 2. 3)計(jì)算局部觀(guān)測(cè)窗內(nèi)的透射率和信息損耗
[0024] 令sxweΩ^帶入式（6)中，計(jì)算對(duì)應(yīng)區(qū)域的初始恢復(fù)的目標(biāo)圖像 (xj,xweΩc,C=R,G,B：
[0025]
[0026] 2· 4)統(tǒng)計(jì)中的信息損耗，xweΩc，C=R,G,B，即R,G,B三個(gè)顏色通道的像 素溢出總數(shù)Nlciss:
[0027]
[0028] 其中，函數(shù)Num()表示統(tǒng)計(jì)滿(mǎn)足條件要求的像素個(gè)數(shù)的操作；
[0029] 2. 5)更新局部觀(guān)測(cè)窗內(nèi)的透射率
[0030] 預(yù)先設(shè)定閾值Th，若Nlciss大于預(yù)先設(shè)定閾值Th，貝lj表明信息損耗過(guò)大，估計(jì)出的透 射率不準(zhǔn)確，這時(shí)，對(duì)tinitlal以步長(zhǎng)At加大透射率，即：
[0031] tUJ=iinilial+Mi^eOG; (8)
[0032] 2. 6)令匕=?'?Χ.)，xweΩε，返回步驟2. 3)，進(jìn)行重復(fù)操作，直到Nlc]SS<Th，轉(zhuǎn) 步驟2. 7);
[0033] 2. 7)計(jì)算整個(gè)原始圖像的粗略透射率
[0034] 將局部觀(guān)測(cè)窗無(wú)重疊平移，重復(fù)步驟2. 2)至步驟2. 6)，遍歷整個(gè)原始圖像，即得 至IJ整個(gè)原始圖像的粗略透射率?(Λ).，.Xeimage;
[0035] 步驟3、對(duì)粗略透射率進(jìn)行細(xì)化
[0036] 3. 1)描述場(chǎng)景深度的導(dǎo)向圖IEUlde(x)的計(jì)算式如下：
[0037]
[0038] 3. 2)建立能量方程如下：
[0039] t(xk) =ak ·Igulde(xk)+bk，xkeωk， (10)
[0040] 其中，cok是細(xì)化過(guò)程中局部觀(guān)測(cè)窗，其大小與步驟2. 1)中的局部觀(guān)察窗Ωε的大 小相同，兩個(gè)系數(shù)α,和b,的計(jì)算公式如下：
[0041 ]
[0042]
[0043] 其中的μjP炊I.分別是Igui(te (xk)在ωk|^I的均值和方差，Xkeωk;氣,4.是ωk|^I像 素的總數(shù)；是江\)在cok內(nèi)的均值；ε是為了防止分母為零而設(shè)置的一個(gè)極小的值；
[0044] 3. 3)將得到的ak，bk，帶入式（10)得到細(xì)化后的透射率t(xk)，xkeωk;
[0045] 3. 4)將局部觀(guān)測(cè)窗〇^逐像素平移遍歷整個(gè)原始圖像，重復(fù)步驟3. 2)和3. 3)，就 可最終得到細(xì)化后的整幅圖像的透射率t(x)，Xeimage;
[0046] 步驟4、得到最終恢復(fù)的目標(biāo)圖像
[0047]根據(jù)步驟2和步驟3估計(jì)出來(lái)的大氣光，和透射率t(X)，由下式計(jì)算得到最終的 目標(biāo)圖像/(X):
[0048] Jc (X) = (Ic (X) _AC)/t(X)+AC，Ce{R，G，B}，Xeimage，（14)
[0049] 獲得基于沙塵原始圖像的清晰化后的目標(biāo)圖像，即成。
[0050] 本發(fā)明的有益效果是，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沙塵天氣條件下所拍攝的圖像進(jìn)行清晰化處理， 能夠恢復(fù)出大部分的細(xì)節(jié)信息，恢復(fù)圖像中的一些關(guān)鍵信息，較好地恢復(fù)出圖像中場(chǎng)景的 色彩信息。
【附圖說(shuō)明】
[0051] 圖1是實(shí)施例1黃色偏色不嚴(yán)重的沙塵退化的原始圖像；
[0052] 圖2是對(duì)圖1細(xì)化后的透射圖；
[0053] 圖3是對(duì)圖1清晰化后的目標(biāo)圖像；
[0054] 圖4是實(shí)施例2黃色偏色嚴(yán)重的沙塵退化的原始圖像；
[0055] 圖5是對(duì)圖4細(xì)化后的透射圖；
[0056] 圖6是對(duì)圖4清晰化后的目標(biāo)圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0057] 下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0058] 本發(fā)明的信息損耗約束的沙塵圖像清晰化方法，其工作原理是，針對(duì)色偏和對(duì)比 度退化嚴(yán)重的單幅沙塵原始圖像，基于大氣散射的物理模型，采用信息損耗約束的方法進(jìn) 行復(fù)原。首先，在需要復(fù)原的目標(biāo)圖像滿(mǎn)足灰色世界的假設(shè)前提下，在給定最小的透射率 的情況下，估計(jì)大氣光數(shù)值；之后，根據(jù)透射率與對(duì)比度提升和信息損耗之間的關(guān)系，采用 信息損耗約束，估計(jì)出初始的粗略透射率；然后，利用導(dǎo)向?yàn)V波對(duì)初略透射率進(jìn)行細(xì)化；最 后，求解大氣散射模型得到清晰的目標(biāo)圖像。
[0059] 基于上述的原理，本發(fā)明的信息損耗約束的沙塵圖像清晰化方法，按照以下步驟 具體實(shí)施：
[0060] 建立大氣光的成像模型（該大氣光的成像模型在以暗通道的大霧清晰化相關(guān)論 文中均有描述），如下式：
[0061] Ic (x) =Jc (x) ·t(x) +AC · (l~t(x)),C=R,G,B,xeimage(1)
[0062] 其中，f(x)是采集到的退化的原始圖像；x為原始圖像的像素坐標(biāo)，xeimage是 指相應(yīng)圖像中所有的像素；/(X)是待求的目標(biāo)圖像；t(x)是透射率，其取值范圍是[0, 1]， 表示光線(xiàn)透過(guò)介質(zhì)層的比例，由景深決定，這里Ie(x)、/(x)以及t(x)都有X的變化，實(shí)際 上這三個(gè)圖像的大小是一樣的；，是大氣光分量，R，G，B分別表示對(duì)應(yīng)圖像的紅色、綠色、藍(lán) 色三個(gè)顏色通道的值，這里Ie(x)和/ (X)中的c都有三個(gè)顏色通道。
[0063] 對(duì)沙塵影響的原始圖像的恢復(fù)，從模型式（1)可見(jiàn)，通過(guò)估計(jì)大氣光分量#和透 射率t(X)，便能夠根據(jù)采集到的原始圖像f(X)，求得目標(biāo)圖像/ (X)，
[0064] 步驟1、計(jì)算大氣光分量
[0065] 假設(shè)在最小的透射率1_作用下，待恢復(fù)的目標(biāo)圖像滿(mǎn)足灰色世界假設(shè)，對(duì)于式 (1)，對(duì)等式兩邊求詢(xún)倌后得：
[0066]
[0067] 其中，嚴(yán)為所采集的原始圖像的三個(gè)顏色通道的均值，t_為透過(guò)沙塵層的最小透 過(guò)率，取經(jīng)驗(yàn)值為t_e[0. 1，0. 3]，即：
[0068]
[0069] N_ge為原始圖像的像素總個(gè)數(shù)，Xeimage是指原始