一種霧天圖像重構方法及系統與流程
本發(fā)明涉及目標探測技術領域，特別是涉及一種霧天圖像重構方法及系統。
背景技術：
大多數的室外視覺系統需要清晰準確的提取圖像特征，但視覺系統對天氣條件非常敏感，尤其是霧天條件下。由于場景點輻射的光能受到大氣粒子的散射作用，導致系統性能大幅度下降甚至無法工作，采集的圖像特征衰減嚴重，這極大地限制和影響了系統效用的發(fā)揮。因此，為了使系統具備在惡劣天氣下工作的魯棒性和可靠性，有必要對霧天降質圖像進行去霧處理。
霧天天氣下圖像退化的原因主要包括兩個方面：一是目標本身光強由于受到大氣中懸浮粒子的吸收和散射作用，它通常會降低圖像亮度，造成圖像的對比度下降；二是太陽光、天空光等環(huán)境光照受到大氣粒子的散射作用而形成雜散光，它通常會使圖像模糊，造成圖像色彩不自然。針對這兩個主要的原因，構建出霧天偏振成像模型。
現有技術中，雖然對從霧天圖像中重構出無霧圖像做了大量的研究，但是在重構無霧目標圖像時只考慮大氣光的偏振特性，未考慮目標光的偏振特性，從而導致對大氣光的確定存在一定的誤差。
技術實現要素：
本發(fā)明的目的是提供一種霧天圖像重構方法及系統，綜合考慮目標光的偏振特性和大氣光的偏振特性，從而提高圖像的清晰度。
為實現上述目的，本發(fā)明提供了一種霧天圖像重構方法，包括以下步驟：
獲取霧天條件下多個不同偏振角度下的目標偏振圖像；
根據多個所述目標偏振圖像確定原霧天目標圖像及分別與各所述目標偏振圖像一一對應的大氣光偏振圖像；
根據多個所述大氣光偏振圖像確定大氣光偏振度圖像和大氣光強差分值；
根據亮通道先驗規(guī)律確定無窮遠處大氣光強值圖像；
根據所述原霧天目標圖像、所述大氣光偏振度圖像、所述大氣光強差分值及所述無窮遠處大氣光強值圖像確定無霧目標圖像。
可選的，所述根據多個所述目標偏振圖像確定原霧天目標圖像及分別與各所述目標偏振圖像一一對應的大氣光偏振圖像，具體步驟包括：
根據多個所述目標偏振圖像和光強公式確定原霧天目標圖像；
采用最小算子處理公式對多個所述目標偏振圖像進行最小算子處理，確定多個與所述目標偏振圖像一一對應的暗原色偏振圖像；
采用中值濾波公式對多個所述暗原色偏振圖像進行濾波處理，確定多個與所述暗原色偏振圖像一一對應的大氣光偏振圖像。
可選的，所述光強公式為：
i+qcos2θ+usin2θ＝2iθ(1)；
其中，θ為不同偏振角度；i為原霧天目標圖像；q為0°～90°方向上線偏振光的分量之差；u為45°與135°方向上線偏振光分量之差；
所述最小算子處理公式為：
其中，x為圖像中某一像素點；y＝ω(x)為以x為中心的局部區(qū)域；iθ(x)為不同偏振角度對應的目標偏振圖像；
所述中值濾波公式為：
其中，median()為中值濾波器；λ為控制參數；iaθ(x)為不同偏振角度對應的大氣光偏振圖像。
可選的，所述根據多個所述大氣光偏振圖像確定大氣光偏振度和大氣光強差分值，具體步驟包括：
根據多個所述大氣光偏振圖像確定大氣光的斯托克斯矢量；
根據所述大氣光的斯托克斯矢量確定大氣光偏振度圖像；
根據多個所述大氣光偏振圖像確定最大大氣光強值和最小大氣光強值；
根據所述最大大氣光強值、所述最小大氣光強值確定大氣光強差分值。
可選的，所述根據所述大氣光的斯托克斯矢量確定大氣光偏振度圖像的具體公式為：
其中，pa為大氣光偏振度圖像；ia為大氣光圖像；qa為0°～90°線偏振光分量之差；ua為45°與135°線偏振光分量之差。
可選的，所述根據所述原霧天目標圖像、所述大氣光偏振度圖像、所述大氣光強差分值、所述無窮遠處大氣光強值圖像確定無霧目標圖像的具體公式為：
j＝a∞(ipa-δa)/(a∞pa-δa)(7)；
其中，a∞為無窮遠處大氣光強值圖像；i為原霧天目標圖像；δa為大氣光強差分值；j為無霧目標圖像。
本發(fā)明還提供了一種霧天圖像重構系統，所述系統包括：
獲取模塊，用于獲取霧天條件下多個不同偏振角度下的目標偏振圖像；
第一確定模塊，用于根據多個所述目標偏振圖像確定原霧天目標圖像及分別與各所述目標偏振圖像一一對應的大氣光偏振圖像；
第二確定模塊，用于根據多個所述大氣光偏振圖像確定大氣光偏振度圖像和大氣光強差分值；
第三確定模塊，用于根據亮通道先驗規(guī)律確定無窮遠處大氣光強值圖像；
第四確定模塊，用于根據所述原霧天目標圖像、所述大氣光偏振度圖像、所述大氣光強差分值及所述無窮遠處大氣光強值圖像確定無霧目標圖像。
可選的，所述第一確定模塊具體包括：
原霧天目標圖像確定單元，用于根據多個所述目標偏振圖像和光強公式確定原霧天目標圖像；
暗原色偏振圖像確定單元，用于采用最小算子處理公式對多個所述目標偏振圖像進行最小算子處理，確定多個與所述目標偏振圖像一一對應的暗原色偏振圖像；
大氣光偏振圖像確定單元，用于采用中值濾波公式對多個所述暗原色偏振圖像進行濾波處理，確定多個與所述暗原色偏振圖像一一對應的大氣光偏振圖像。
可選的，所述第二確定模塊具體包括：
斯托克斯矢量確定單元，用于根據多個所述大氣光偏振圖像確定大氣光的斯托克斯矢量；
大氣光偏振度圖像確定單元，用于根據所述大氣光的斯托克斯矢量確定大氣光偏振度圖像；
最大、最小值確定單元，用于根據多個所述大氣光偏振圖像確定最大大氣光強值和最小大氣光強值；
大氣光強差分值確定單元，用于根據所述最大大氣光強值、所述最小大氣光強值確定大氣光強差分值。
可選的，所述第四確定模塊的具體公式為：
j＝a∞(ipa-δa)/(a∞pa-δa)(7)；
其中，a∞為無窮遠處大氣光強值圖像；i為原霧天目標圖像；δa為大氣光強差分值；j為無霧目標圖像。
根據本發(fā)明提供的具體實施例，本發(fā)明公開了以下技術效果：
1)、本發(fā)明首先獲取霧天條件下多個不同偏振角度一一對應的目標偏振圖像；根據多個所述目標偏振圖像確定原霧天目標圖像；然后，對多個所述目標偏振圖像進行處理，確定所述原霧天目標圖像、多個與所述目標偏振圖像一一對應的大氣光偏振圖像、大氣光偏振度圖像、大氣光強差分值和無窮遠處大氣光強值圖像；最后，根據所述原霧天目標圖像、所述大氣光偏振度圖像、所述大氣光強差分值、所述無窮遠處大氣光強值圖像確定無霧目標圖像。本發(fā)明綜合考慮目標光的偏振特性和大氣光的偏振特性，提高了圖像的清晰度。
2)、本發(fā)明采用亮通道先驗規(guī)律確定無窮遠處的大氣光強，可以自動選取無窮遠處的大氣光強值，使得每一個像素點都有與之相對應的無窮遠處的大氣光強值，避免了人為選取的繁瑣性和偶然性。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖確定其他的附圖。
圖1為本發(fā)明實施例霧天圖像重構方法的具體流程圖；
圖2為本發(fā)明實施例霧天圖像重構系統的總體框圖；
圖3為本發(fā)明實施例三通道ccd相機的實物圖；
圖4為本發(fā)明實施例偏振相機獲取的偏振角度為0°的偏振圖像i0；
圖5為本發(fā)明實施例偏振相機獲取的偏振角度為60°的偏振圖像i60；
圖6為本發(fā)明實施例偏振相機獲取的偏振角度為120°的偏振圖像i120；
圖7為本發(fā)明實施例原霧天光強圖像i；
圖8為本發(fā)明實施例去霧后的圖像j。
具體實施方式
下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所確定的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
本發(fā)明的目的是提供一種霧天圖像重構方法及系統，綜合考慮目標光的偏振特性和大氣光的偏振特性，從而提高圖像的清晰度。
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
圖1為本發(fā)明實施例霧天圖像重構方法的具體流程圖，如圖1所示：所述霧天圖像重構方法具體包括以下步驟：
步驟100：獲取霧天天氣條件下不同偏振角度θ1、θ2、…、θn下的目標偏振圖像iθ1、iθ2、…、iθn。
步驟200：根據多個所述目標偏振圖像iθ1、iθ2、…、iθn確定原霧天目標圖像i及分別與各所述目標偏振圖像一一對應的大氣光偏振圖像
步驟201：根據多個所述目標偏振圖像iθ1、iθ2、…、iθn和光強公式確定原霧天目標圖像i；所述光強公式為：
i+qcos2θ+usin2θ＝2iθ(1)；
其中，θ為不同偏振角度；i為原霧天目標圖像；q為0°～90°方向上線偏振光的分量之差；u為45°與135°方向上線偏振光分量之差。
步驟202：采用最小算子處理公式對多個所述目標偏振圖像iθ1、iθ2、…、iθn進行最小算子處理，確定多個與所述目標偏振圖像一一對應的暗原色偏振圖像
其中，x為圖像中某一像素點；y＝ω(x)為以x為中心的局部區(qū)域；iθ(y)為不同偏振角度對應的目標偏振圖像；
步驟203：采用中值濾波公式對多個所述暗原色偏振圖像
其中，median()為中值濾波器；λ為控制參數；iaθ(x)為不同偏振角度對應的大氣光偏振圖像。
步驟300：根據多個所述大氣光偏振圖像
步驟301：根據多個所述大氣光偏振圖像
步驟302：根據所述大氣光的斯托克斯矢量sa確定多個大氣光偏振度圖像pa。所述根據所述大氣光的斯托克斯矢量sa確定多個大氣光偏振度圖像pa的具體公式為：
其中，pa為大氣光偏振度圖像。
步驟303：根據多個所述大氣光偏振圖像
步驟3031：將上述獲得的stokes矢量sa＝(ia、qa、ua)代入光強公式便可獲得大氣光強公式ia+qacos2θ+uasin2θ＝2iaθ。
步驟3032：將不同偏振角度θ代入大氣光強公式，獲得多個不同偏振角度θ對應的新的大氣光偏振圖像i′aθ。
步驟3033：根據多個不同偏振角度θ和多個與所述不同偏振角度θ對應的新的大氣光偏振圖像i′aθ進行曲線擬合，獲得最大偏振角度θmax、最小偏振角度θmin。
步驟3034：將所述最大偏振角度θmax、最小偏振角度θmin代入大氣光強公式，獲得所述最大大氣光強值amax和最小大氣光強值amin。
步驟304：根據所述最大大氣光強值amax、所述最小大氣光強值amin確定大氣光強差分值δa。
所述確定大氣光強差分值δa的公式為：
δa＝amax-amin(5)。
步驟400：根據亮通道先驗規(guī)律確定無窮遠處大氣光強值圖像a∞。
根據亮通道先驗規(guī)律利用亮通道公式確定無窮遠處大氣光強值圖像a∞，所述亮通道公式具體為：
其中，ia(y)表示大氣光圖像,ibright(x)表示亮通道圖像,a∞為無窮遠處的大氣光強值圖像。
步驟500：根據所述原霧天目標圖像i、所述大氣光偏振度圖像pa、所述大氣光強差分值δa及所述無窮遠處大氣光強值圖像a∞確定無霧目標圖像。
確定無霧目標圖像的具體公式為：
j＝a∞(ipa-δa)/(a∞pa-δa)(7)；
其中，a∞為無窮遠處大氣光強值圖像；i為原霧天目標圖像；δa為大氣光強差分值；j為無霧目標圖像。
圖2為本發(fā)明實施例霧天圖像重構系統的總體框圖，如圖2所示，所述系統包括：獲取模塊1、第一確定模塊2、第二確定模塊3、第三確定模塊4、第四確定模塊5。
獲取模塊1，用于獲取霧天條件下多個不同偏振角度θ1、θ2、…、θn的目標偏振圖像iθ1、iθ2、…、iθn。
第一確定模塊2，用于根據多個所述目標偏振圖像iθ1、iθ2、…、iθn確定原霧天目標圖像i及分別與各所述目標偏振圖像一一對應的大氣光偏振圖像
所述第一確定模塊具體包括：原霧天目標圖像確定單元、暗原色偏振圖像確定單元、大氣光偏振圖像確定單元。
原霧天目標圖像確定單元，用于根據多個所述目標偏振圖像iθ1、iθ2、…、iθn和光強公式確定原霧天目標圖像i；所述光強公式為：
i+qcos2θ+usin2θ＝2iθ(1)；
其中，θ為不同偏振角度；i為原霧天目標圖像；q為0°～90°方向上線偏振光的分量之差；u為45°與135°方向上線偏振光分量之差。
暗原色偏振圖像確定單元，用于采用最小算子處理公式對多個所述目標偏振圖像iθ1、iθ2、…、iθn進行最小算子處理，確定多個與所述目標偏振圖像一一對應的暗原色偏振圖像
其中，x為圖像中某一像素點；y＝ω(x)為以x為中心的局部區(qū)域；iθ(y)為不同偏振角度對應的目標偏振圖像；
大氣光偏振圖像確定單元，用于采用中值濾波公式對多個所述暗原色偏振圖像
其中，median()為中值濾波器；λ為控制參數；iaθ(x)為不同偏振角度對應的大氣光偏振圖像。
第二確定模塊3，用于根據多個所述大氣光偏振圖像
斯托克斯矢量確定單元，用于根據多個所述大氣光偏振圖像
大氣光偏振度圖像確定單元，用于根據所述大氣光的斯托克斯矢量sa確定多個大氣光偏振度圖像pa。所述根據所述大氣光的斯托克斯矢量sa確定多個大氣光偏振度圖像pa的具體公式為：
其中，pa為大氣光偏振度圖像。
最大、最小值確定單元，用于根據多個所述大氣光偏振圖像
大氣光強公式確定子單元，用于將上述獲得的stokes矢量sa＝(ia、qa、ua)代入光強公式便可獲得大氣光強公式ia+qacos2θ+uasin2θ＝2iaθ。
新的大氣光偏振圖像i′aθ確定子單元，用于將不同偏振角度θ代入大氣光強公式，獲得多個不同偏振角度θ對應的大氣光偏振圖像i′aθ。
最大、最小偏振角度確定子單元，用于根據多個不同偏振角度θ和多個與所述不同偏振角度θ對應的新的大氣光偏振圖像i′aθ進行曲線擬合，獲得最大偏振角度θmax、最小偏振角度θmin。
最大、最小大氣光強值確定子單元，用于將所述最大偏振角度θmax、最小偏振角度θmin代入大氣光強公式，獲得所述最大大氣光強值amax和最小大氣光強值amin。
大氣光強差分值確定單元，用于根據所述最大大氣光強值amax、所述最小大氣光強值amin確定大氣光強差分值δa。
所述確定大氣光強差分值δa的公式為：
δa＝amax-amin(5)。
第三確定模塊4，用于根據亮通道先驗規(guī)律確定無窮遠處大氣光強值圖像a∞；其具體為根據亮通道先驗規(guī)律利用亮通道公式確定無窮遠處大氣光強值圖像a∞，所述亮通道公式具體為：
其中，ia(y)表示大氣光圖像,ibright(x)表示亮通道圖像,a∞為無窮遠處的大氣光強值圖像。
第四確定模塊5，用于根據所述原霧天目標圖像i、所述大氣光偏振度圖像pa、所述大氣光強差分值δa及所述無窮遠處大氣光強值圖像a∞確定無霧目標圖像。
確定無霧目標圖像的具體公式為：
j＝a∞(ipa-δa)/(a∞pa-δa)(7)；
其中，a∞為無窮遠處大氣光強值圖像；i為原霧天目標圖像；δa為大氣光強差分值；j為無霧目標圖像。
具體舉例：
本發(fā)明采用實驗室設計、搭建并標定過的三通道ccd相機獲取場景目標的偏振圖像，所述三通道ccd相機的波段范圍是400-1000nm，分辨率為1392×1040，三通道ccd相機通過單光路下三路通道的同步測量結構，同時獲取三個不同偏振角度的靜、動態(tài)目標的偏振圖像。
本發(fā)明采用三通道ccd相機獲取霧天天氣條件下三個偏振角度為0°、60°、120°的目標偏振圖像i0、i60、i120。圖3為本發(fā)明實施例三通道ccd相機的實物圖；圖4為本發(fā)明實施例偏振相機獲取的偏振角度為0°的偏振圖像i0；圖5為本發(fā)明實施例偏振相機獲取的偏振角度為60°的偏振圖像i60；圖6為本發(fā)明實施例偏振相機獲取的偏振角度為120°的偏振圖像i120；具體詳見圖3-6。
根據三個偏振角度為0°、60°、120°以及三個偏振角度0°、60°、120°一一對應的偏振圖像i0、i60、i120代入光強公式(1)，其具體為：
其中，i表示偏振圖像的總強度；q表示0°～90°線偏振光分量之差；u表示45°與135°線偏振光分量之差。
整理公式(8)后獲得i為：
圖7為原霧天光強圖像i，具體詳見圖7；
將0°、60°、120°三個角度下的偏振圖像i0、i60、i120利用式(2)分別進行最小值算子處理，得到3幅暗原色偏振圖像
為了平滑目標的邊緣輪廓，采用中值濾波公式(3)作進一步處理，得到三個偏振角度下的大氣光圖像
將三個偏振角度對應的大氣光圖像
將大氣光的stokes矢量sa＝(ia,qa,ua)t代入公式(4)求解出大氣光的偏振度pa
將上述獲得的大氣光的stokes矢量sa＝(ia、qa、ua)代入光強公式便可獲得大氣光強公式ia+qacos2θ+uasin2θ＝2iaθ。
將多個不同偏振角度代入大氣光強公式，獲得多個不同偏振角度θ對應的新的大氣光偏振圖像i′aθ。
根據多個不同偏振角度θ和多個與所述不同偏振角度θ對應的新的大氣光偏振圖像i′aθ進行曲線擬合，獲得最大偏振角度θmax、最小偏振角度θmin。
將所述最大偏振角度θmax、最小偏振角度θmin代入大氣光強公式，獲得最大大氣光強值amax和最小大氣光強值amin。
將最大大氣光強值amax和最小大氣光強值amin代入公式(5)就可求出大氣光強差分值δa。
根據公式(6)利用亮通道先驗規(guī)律確定無窮遠處的大氣光強值a∞。
將已求原霧天目標圖像i、大氣光偏振度圖像pa、大氣光強差分值δa及無窮遠處大氣光強值圖像a∞代入式(7)就可重構出無霧目標圖像，圖8為重構出的無霧目標圖像，具體詳見圖8。
本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的系統而言，由于其與實施例公開的方法相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法部分說明即可。
本文中應用了具體個例對本發(fā)明的規(guī)則及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發(fā)明的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。
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