一種基于環(huán)境光模型的單幅圖像去霧方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種數(shù)字圖像處理方法，尤其設(shè)及一種基于環(huán)境光模型的單幅圖像去 霧方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在霧天情況下，能見度嚴(yán)重降低，使采集到的圖像出現(xiàn)嚴(yán)重失真，失去了重要的場(chǎng) 景信息，無(wú)法通過(guò)圖像準(zhǔn)確獲得圖像中所包含的信息，降低了圖像的使用價(jià)值，更為后續(xù)的 圖像處理和分析工作帶來(lái)了極大的困難。同時(shí)，在戶外進(jìn)行拍攝時(shí)，由于大氣的散射和吸 收，往往會(huì)發(fā)現(xiàn)所拍攝出來(lái)的圖像對(duì)比度低、模糊不清。運(yùn)直接影響到一些利用計(jì)算機(jī)視覺 算法的應(yīng)用系統(tǒng)的正常工作，如視頻監(jiān)控、遙感技術(shù)W及目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)等。例如在視頻監(jiān)控 領(lǐng)域，由于監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)籠罩著濃厚的霧氣，從而導(dǎo)致場(chǎng)景中的各類細(xì)節(jié)特征等變得模糊不清， 不利于后續(xù)的分析處理工作的進(jìn)行。如果警方事后需要調(diào)用運(yùn)些數(shù)據(jù)進(jìn)行犯罪現(xiàn)場(chǎng)分析 時(shí)，那么就無(wú)法根據(jù)模糊的人臉特征找出犯罪嫌疑人并得到有力的物證;而如果發(fā)生交通 肇事事件的話，交警也無(wú)法通過(guò)模糊不清的車輛特征及車牌號(hào)碼判斷出肇事的原因和主要 責(zé)任方。
[0003] 因此，對(duì)圖像進(jìn)行去霧處理來(lái)消除霧氣對(duì)圖像的影響，豐富圖像信息、提高圖像對(duì) 比度和清晰度，W此來(lái)加強(qiáng)圖像視覺效果并為后續(xù)的圖像處理和數(shù)據(jù)分析提供可靠的信息 則尤為重要。
[0004] 圖像去霧處理方法主要可W分為兩種。一種是基于圖像增強(qiáng)方法，運(yùn)種方法沒有 考慮霧造成圖像退化的原因，而只是對(duì)感興趣的區(qū)域進(jìn)行增強(qiáng)。常用的方法有直方圖均衡 化、Retinex算法W及同態(tài)濾波等。運(yùn)些方法雖然提高了某些圖像的清晰度，但是不適用于 景物深度變化較大的圖像，而且使用運(yùn)些方法進(jìn)行去霧處理后無(wú)法恢復(fù)景物真實(shí)色彩。
[0005] 另外一種方法就是基于物理模型的去霧方法。McCartn巧于1976年提出了一種大 氣散射模型來(lái)解釋在大氣粒子的作用下場(chǎng)景的成像機(jī)制，近年來(lái)很多去霧算法都是建立在 此模型之上，具體的表達(dá)公式為1片）=40^)6-^?+4(1-6^>3?)。此模型將相機(jī)接收到的光 分為兩部分:衰減反射光和大氣光。衰減反射光為物體表面的反射光因大氣粒子散射作用， 其余未被散射并被相機(jī)接收的部分，其光強(qiáng)隨著傳播距離的增大而呈指數(shù)衰減。大氣光為 大氣粒子對(duì)自然光的散射作用并被相機(jī)接收的部分，強(qiáng)度隨著傳播距離的增大而逐漸增 加。
[0006] 然而上述模型的假設(shè)條件為霧均勻且足夠厚，太陽(yáng)光在霧中發(fā)生充分散射并呈現(xiàn) 各向同性，所W大氣光A為定量。然而在實(shí)際情況中，太陽(yáng)光并沒有發(fā)生充分散射，那么大氣 光A則不為定量，而且也不能忽略直接射向相機(jī)的太陽(yáng)光。而且當(dāng)場(chǎng)景中出現(xiàn)發(fā)光物體且發(fā) 光量遠(yuǎn)大于反射光量，那么上述模型就不適用了。而且上述模型也沒有考慮場(chǎng)景出現(xiàn)遮擋 的情況。因此研究大氣散射機(jī)理，提出一種大氣光隨位置變動(dòng)的環(huán)境光模型，并應(yīng)用此環(huán)境 光模型實(shí)現(xiàn)單幅圖去霧方法和裝置則具有良好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于環(huán)境光模型的單幅圖像去霧方法及裝置，能夠適 用于更為復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景并更好地實(shí)現(xiàn)圖像去霧效果。
[0008] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0009] -種基于環(huán)境光模型的單幅圖像去霧方法，包括：
[0010] (1)利用原始圖像的各通道信息，求得原始圖像多通道加權(quán)亮度圖I(X);
[0011] (2)利用原始圖像多通道加權(quán)亮度圖I(X)估算出隨位置(原始圖像中的坐標(biāo))變化 的環(huán)境光圖后/(.0:利用原始圖像各通道信息Ie(X)或多通道加權(quán)亮度圖I(X)估算出環(huán)境光 遮罩F的；
[001^ (3)利用環(huán)境光圖白切和環(huán)境光遮罩邸f)估算出場(chǎng)景目標(biāo)反射率P(X);
[0013] (4)利用場(chǎng)景目標(biāo)反射率P(X)乘W均勻照度Auni常數(shù)得到去霧后的清晰圖像。
[0014] 優(yōu)選地，求解原始圖像多通道加權(quán)亮度圖I(X)可W將原始圖像各通道分別乘W加 權(quán)系數(shù)再求和，最終得到圖像的多通道加權(quán)亮度圖I(X),其中加權(quán)系數(shù)可W按各種圖像標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定的取值，或是特定的，也可W是任意的；可W用如下加權(quán)系數(shù)求解圖像的多通道加權(quán) 亮度圖I(X),計(jì)算公式如下：
[0015] I(x)=0.299R+0.587G+0.114B
[0016] 利用得到的圖像的多通道加權(quán)亮度圖I(X),根據(jù)環(huán)境光模型估計(jì)環(huán)境光圖后/UK 環(huán)境光模型為 /(.、-)=封(.、-)八.成(.、.)+ 后/(.、-小-^.、-)'
[0017] ， 。 =E!{x)p{x)t{x)
[0018] 其中左/(.r)為環(huán)境光，包括大氣光、直射太陽(yáng)光、散射光W及其他場(chǎng)景光源的直射 光;其中P(X)為場(chǎng)景景物的反射率，t(x)表示場(chǎng)景光受散射衰減后到達(dá)成像設(shè)備的透射率， t(x)=e-edw，e為霧的總散射系數(shù)，d(x)為景深信息；巧材為環(huán)境光遮罩，其物理意義為環(huán) 境光/苗(.V)經(jīng)霧氣散射在景物像上疊加的一個(gè)額外的亮度增量。
[0019] 優(yōu)選地，所述隨位置變化的環(huán)境光圖勒(句的估算方法為：
[0020] 先對(duì)原始圖像多通道加權(quán)亮度圖I(X)進(jìn)行低通濾波得到初始環(huán)境光圖追再 求取滿足下式的偏移量Eloffset:
[OO^ ]勒峨 W '= 句-教減(對(duì))，妨它:.toage
[0022]通過(guò)W下公式獲得估計(jì)值n( O;
[002；3]目![X)=封郵知} +巧她S* ;
[0024]或者求取滿足下式的偏移系數(shù)入E:
[0025] A/. = max(/(-Y)子 ￡7,.,,;.,E image;
[0026] 通過(guò)W下公式獲得估計(jì)值臺(tái)(V);
[0027] 后/(-Y)=教加.(:均.1丘。
[0028] 作為優(yōu)選，所述低通濾波具體可W為先使用大、小尺度的高斯模糊核和原始圖像 多通道加權(quán)亮度圖1^)相卷積，結(jié)果分別記為初始環(huán)境光圖白,,,,,片)和方，,?！?;〇;
[0029] 然后將五》。/如)除W甸,,,的，從相除結(jié)果中取出全局最大值，作為偏移系數(shù)心最 后將旬,,,,的與Ae相乘獲得環(huán)境光圖島(句。
[0030] 或者為先使用大、小尺度的高斯模糊核和原始圖像多通道加權(quán)亮度圖I(X)相卷 積;將結(jié)果分別記為初始環(huán)境光圖旬,,,,樹和;7。,,。心)；
[0031] 然后將？胃W (句減去追/,,W (^、），從作差結(jié)果中取全局最大值作為偏移量ElDffset，最后 將句,,,,U)與偏移量Elnffset相加獲得環(huán)境光圖i/(.句。
[0032] 優(yōu)選地，利用多通道加權(quán)亮度圖I(X)估算環(huán)境光遮罩#(對(duì)的方法為：
[0033] 利用具有低、較低、中等、較高、高截止頻率的多個(gè)低通濾波器(常用3~5個(gè)，但不 限于此)構(gòu)成一個(gè)濾波器組，逐一對(duì)多通道加權(quán)亮度圖I(X)進(jìn)行某種低通濾波或者多個(gè)不 同低通濾波器的組合濾波，然后對(duì)濾波結(jié)果求取加權(quán)平均W獲得初始環(huán)境光遮罩巧,",打)， 再求取滿足下式的偏移量Voffset:
[0034] K妍婦=max(/(_?、-)-吃(一、-從 V.Y e image ;
[0035] 通過(guò)W下公式獲得估計(jì)值f(對(duì);
[0036] f(x) = tjx)-K,,,r>
[0037] 或者求取滿足下式的偏移系數(shù)入V:
[003引 4 二 mm(/(j)巧W), V\. E image ;
[0039] 通過(guò)W下公式獲得估計(jì)值:
[0040] V(X) = IlJx)-A,；
[0041] 具體可W為；
[0042] 利用不同尺度組合濾波的方法，將原始圖像多通道加權(quán)亮度圖I(X)與大、中、小S 尺度的高斯模糊核分別進(jìn)行卷積操作，并做加權(quán)平均獲得初始環(huán)境光遮罩巧，然后將I ^)和小尺度高斯模糊核相卷積，結(jié)果記為7,,,,。,7(句，接著將^,，,。.!/(刊除^巧。,,(句并取全局最 小值，獲得偏移系數(shù)Av，最后將Av乘上巧""托)算出環(huán)境光遮罩的的估計(jì)值；
[0043] 或者先利用不同尺度組合濾波的方法，將原始圖像多通道加權(quán)亮度圖I(X)與大、 中、小S尺度的高斯模糊核分別進(jìn)行卷積操作，并做加權(quán)平均獲得初始環(huán)境光遮罩{^,",00， 將I(X)與小尺度高斯模糊核相卷積，結(jié)果記為L(zhǎng),，w//(.Y)，并將只詩(shī)與巧,,,(Y)作差并取全局 最大值，得到偏移量Voffset,最后在巧,,,W中減去補(bǔ)償量Voffset,得到環(huán)境光遮罩的估計(jì)值 fXv),
[0044] 還能采用暗通道的方法估計(jì)環(huán)境光遮罩利用原始圖像各通道信息Ie(X)估 算環(huán)境光遮罩|^對(duì)的方法為：
[0045] 求出原始圖像R、G、B=通道最小通道值，再在原始圖像的各個(gè)局部區(qū)域(原始圖像 可劃分為多個(gè)局部區(qū)域）內(nèi)對(duì)最小通道值做最小值濾波，將濾波結(jié)果作為環(huán)境光遮罩#林) 的估計(jì)值，即按W下公式完成估計(jì)：
[0046] min (min(/'（ V)))=咕、-)min (封(.Y).盧(.、-))+ Kb') C 0 + F(句=聲的 veO(x) C VeO(X):
[0047] 其中C為R、G、BS個(gè)顏色通道，Q (X)為大小為aXa的局部區(qū)域，a為局部區(qū)域長(zhǎng)度。 W像素為單位取值一般為7~11，但不限于此。
[0048] 在估算場(chǎng)景目標(biāo)反射率P(X)之前，使用具有邊緣保持能力的濾波器對(duì)估計(jì)出的環(huán) 境光圖貧(X)、環(huán)境光遮罩內(nèi)>)進(jìn)行精細(xì)化。
[0049] 精細(xì)化的方法具體為:使用雙邊濾波器(一種具有邊緣保持能力的濾波器)對(duì)環(huán)境 光圖勤(X)、環(huán)境光遮罩戸樹.進(jìn)行濾波，雙邊濾波器在環(huán)境光圖勤(Jf)、環(huán)境光遮罩!^樹變 化大的區(qū)域權(quán)重較小，濾波效果不明顯，保持了環(huán)境光圖勒切）、環(huán)境光遮罩F(X)的邊緣信 息，在環(huán)境光圖勤片)、環(huán)境光遮罩戶片)變化小的區(qū)域權(quán)重較大，起到平滑作用，去除光暈效 應(yīng)；
[0化0] 或者使用引導(dǎo)濾波器(一種具有邊緣保持能力的濾波器)對(duì)環(huán)境光圖為(持、環(huán)境 光遮罩nx)進(jìn)行濾波，W原始圖像為引導(dǎo)圖，環(huán)境光圖勤(X)、環(huán)境光遮罩為輸入圖， W濾波結(jié)果和輸入圖差距最小為準(zhǔn)則，在環(huán)境光圖愈(.勾、環(huán)境光遮罩巧句變化小的區(qū)域起 到加權(quán)均值濾波的作用，在環(huán)境光圖動(dòng)U)、環(huán)境光遮罩變化大的區(qū)域?yàn)V波力度小，保 持了邊緣信息。
[0051]優(yōu)選地，場(chǎng)景目標(biāo)反射率P(X)的估計(jì)方法的公式為
[0化3] 或者為
[0055] 其中k為一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)，常用取值一般在0.8~1.0,但不限于此。
[0056] 優(yōu)選地，利用場(chǎng)景目標(biāo)反射率P(X)乘上均勻照度Auni常數(shù)得到清晰圖像，包括:利 用如下去霧公式對(duì)原始圖像執(zhí)行去霧操作：
[0化引 或者
[0060] 其中Auni為均勻照度