專利名稱：一種基于暗原色通道先驗的霧效數(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的霧效數(shù)字濾鏡方法。
背景技術(shù)：
戶外圖像往往會因為空氣中顆粒(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間)處理去霧化，取得了一定的效果。但是這些方法對于輸入數(shù)據(jù)的要求，使得普通拍攝者難以獲取合適的圖像。對于單幅圖像，一種是基于圖像增強的方法，由于圖像的質(zhì)量降低與場景點到成像傳感器的距離成指數(shù)關(guān)系，因此這種假設(shè)場景景深不變的圖像增強技術(shù)不能很好地對霧化圖像去霧恢復(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知識，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景深度或大氣條件信息。而現(xiàn)實條件下，獲取的降質(zhì)圖像并沒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)是個不適定的反問題。近些年來，對于單幅圖像的處理又取得了很大進步，這些方法更多地依賴于先驗假設(shè)和物理模型。例如増大局部差異和利用簡單大氣散射模型的方法，然而，它們對于濃霧無法進行很好的處理。就目前來說，基于暗原色通道先驗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題，其本身存在著一定的局限性。對于天空等區(qū)域的考慮不足以及沒有考慮到散射效應(yīng)使其處理結(jié)果容易出現(xiàn)色差問題。另外，霧的存在是人感受深度的一個基礎(chǔ)，這被稱為透視感。在遠處保留少部分的霧，能夠使圖像更加接近真實場景。然而，很少有人對這方面加以關(guān)注，現(xiàn)有的基于暗通道先驗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的霧效數(shù)字濾鏡方法，針對現(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。通過簡單人機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。該方法僅僅需要簡單的物理模型和數(shù)據(jù)計算，就能夠?qū)ξ锢砟Ｐ瓦M行修正操作，時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原理，對圖像進行操作。一種基于暗原色通道先驗的霧效數(shù)字濾鏡方法，包括暗原色圖像提取、估計大氣光、透射率轉(zhuǎn)換、優(yōu)化補償、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)置ー個滑動窗ロ，得到該窗ロ內(nèi)內(nèi)像素的RGB最小值并將這個窗ロ內(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，直至處理完整個圖像，得到單通道的暗原色圖像。第二步，估計大氣光井修正色差使用大氣光估計的方法來得到大氣光井修正霧對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(即灰度值最大的點)取出，并將其對應(yīng)位置的源圖像中的像素點作為ー個集合O(X)，取O(X)中RGB三通道的像素最大值，根據(jù)散射定律對其進行系數(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)化補償使用引導(dǎo)濾波(guided filter)的方法對該透射率圖進行優(yōu)化。優(yōu)化后對其進行天空補償，修正暗原色通道先驗原理不適用的天空等明亮區(qū)域的色差，通過人工交互的方法獲取天空補償閾值α，此閾值作為區(qū)分天空等明亮區(qū)域與實際景物的景物的分界值，利用天空補償公式t = 2 a -t (7)對透射率圖進行天空補償，得到修正的透射率圖。第五步，霧效模擬設(shè)定ー個不同霧效場景下的能見度，當不同濃度霧圖像同時達到最大能見度吋，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度，再將不同霧效下的場景聯(lián)系起來，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)計算得出模擬的有霧圖像。最后再對圖像進行適當?shù)钠毓庑揎椧愿纳破湟曈X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的方法來求取暗原色圖像，估計大氣光并根據(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)的方法對透射率圖進行優(yōu)化并進行天空補償，進而利用透射率間的指數(shù)對應(yīng)關(guān)系計算不同的透射率，從而得到不同霧效的有霧場景。


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是能見度16000m的霧效示意圖。圖2b是能見度8000m的霧效示意圖。圖2c是能見度4000m的霧效示意圖。圖2d是能見度2000m的霧效示意圖。圖2e是能見度IOOOm的霧效示意圖(原始圖像)。圖2f是能見度800m的霧效示意圖。圖2g是能見度500m的霧效示意圖。圖2h是能見度200m的霧效示意圖。圖2i是能見度IOOm的霧效示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實例，對本發(fā)明做進ー步詳細說明。本發(fā)明提出了一種基于暗原色通道先驗的霧效數(shù)字濾鏡方法，該方法具體實施步驟首先，加載源圖像101，根據(jù)大氣散射模型暗原色通道先驗的原理，建立ー張空白的單通道圖像，采用15*15大小的滑動窗ロ，對源圖像101進行運算，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，以像素為單位移動該窗ロ進行相同運算，直至處理完整個源圖像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(即灰度值最大的點)取出，并將其對應(yīng)位置的源圖像中的像素點作為ー個集合0(X)，取該集合中RGB三通道的像素最大值，根據(jù)散射定律對其進行系數(shù)修正，按照公式(I) (2) (3)進行計算(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。)使用天空補償?shù)姆椒▉硇拚翟ǖ老闰炘聿贿m用的天空等明亮區(qū)域的色差，通過人工交互的方法獲取天空補償閾值α，此閾值作為區(qū)分天空等明亮區(qū)域與實際景物的景物的分界值，利用天空補償公式t = 2 a -t (4)對透射率圖進行天空補償，得到修正的透射率圖；使用霧效模擬的方法來實際模擬各種不同濃度的霧(即霧效)下的場景，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)，引入能見度的概念，設(shè)定ー個不同霧效場景下的能見度，當不同濃度霧圖像同時達到最大能見度時，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度。然后依據(jù)公式(6)進行計算得到粗略的透射率圖103，用引導(dǎo)濾波(guided filter)的方法對粗略的透射率圖進行優(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)
對優(yōu)化的透射率圖進行天空補償(如果沒有天空區(qū)域則設(shè)置閾值為O. I)得到補償后的透射率圖105。其中I(X)為有霧圖像，J(x)為無霧圖像，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度及補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?shù)挠闷毓鈱ζ浣Y(jié)果進行修飾，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原理，對圖像進行操作；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)置ー個滑動窗ロ，得到該窗口內(nèi)內(nèi)像素的RGB最小值并將這個窗口內(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，直至處理完整個圖像，得到單通道的暗原色圖像； 第二步，估計大氣光井修正色差 使用大氣光估計的方法來得到大氣光井修正霧對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%最亮的點取出，并將其對應(yīng)位置的源圖像中的像素點作為ー個集合O (X)，取O (X)中RGB三通道的像素最大值，根據(jù)散射定律對其進行系數(shù)修正，公式如下
全文摘要
一種基于暗原色通道先驗的霧效數(shù)字濾鏡方法，屬于計算機應(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原理，對圖像進行操作，包括暗原色圖像提取、估計大氣光、透射率轉(zhuǎn)換、優(yōu)化補償、霧效模擬等步驟。本發(fā)明針對現(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/無霧場景，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)計算，就能夠?qū)ξ锢砟Ｐ瓦M行修正操作，時間上和空間上都大大減少，提高了其通用性。
文檔編號G06T11/00GK102663694SQ20121009099
公開日2012年9月12日 申請日期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 申請人:大連理工大學