本發(fā)明涉及，尤其涉及一種基于物理模型的改進(jìn)暗通道先驗(yàn)單幅霧化圖像復(fù)原方法。

背景技術(shù)：

霧是一種常見的自然天氣現(xiàn)象，由于霧的存在，空氣中含有大量的氣溶膠顆粒，對光的吸收、散射和輻射產(chǎn)生了較大影響，同時(shí)減弱了透射光線的強(qiáng)度，對大量的戶外計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)而言，使得場景到達(dá)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的光強(qiáng)發(fā)生了變化，造成部分場景信息被“霧”掩蓋，圖像可辨識度、色彩飽和度大幅度下降，色彩也發(fā)生了偏移和失真。針對霧天形成的模糊圖像，采取有效的方法進(jìn)行圖像去霧處理，提高戶外計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的工作質(zhì)量，是目前圖像處理相關(guān)鄰域亟待解決的熱門問題。

圖像去霧方法可以分為基于非物理模型和基于物理模型兩類，即圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原。圖像增強(qiáng)主要通過提高圖像對比度的方式突出圖像部分細(xì)節(jié)特征，減弱“無用”信息，不考慮圖像降質(zhì)的本質(zhì)因素；而圖像復(fù)原則是在研究光與大氣發(fā)生散射作用的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型，通過估計(jì)模型參數(shù)，反演推導(dǎo)獲得清晰無霧的圖像，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“去霧”。相較于圖像增強(qiáng)使得部分真實(shí)信息被覆蓋、單方面增強(qiáng)、“治標(biāo)不治本”、部分信息損壞等不足，圖像復(fù)原方法這種從本質(zhì)上去霧，具有內(nèi)在優(yōu)越性的方法更加得到了國內(nèi)外學(xué)者的青睞，已成為當(dāng)前圖像處理鄰域的研究熱點(diǎn)課題。

目前為止，暗通道先驗(yàn)的去霧方法是最有效和最實(shí)用的方法。但其也具有一定的局限性，如使用暗通道先驗(yàn)理論復(fù)原的圖像普遍具有光暈現(xiàn)象(haloartifact)，即在復(fù)原后的圖像邊緣位置存在白色霧塊，直觀上造成了較差的圖像視覺效果。除此之外對于透射率的優(yōu)化問題，雖然可采用軟摳圖和引導(dǎo)圖像濾波的方法，但其仍需要額外的細(xì)化過程和時(shí)間開銷，為此想要實(shí)現(xiàn)運(yùn)行效率與去霧效果的兼顧，就急需一種改進(jìn)的暗通道先驗(yàn)方法，不僅能快速優(yōu)化透射率，還能在一定程度上減少運(yùn)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效的圖像去霧。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種基于物理模型的改進(jìn)暗通道先驗(yàn)單幅霧化圖像復(fù)原方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于物理模型的改進(jìn)暗通道先驗(yàn)單幅霧化圖像復(fù)原方法，包括以下步驟：

1)對待復(fù)原的霧化圖像采用多尺度灰度腐蝕方法得到大氣光強(qiáng)度a的估計(jì)值；

2)對待復(fù)原的霧化圖像采用多尺度加權(quán)平均法求取暗通道圖；

3)在暗通道圖下采用鄰域分割法并結(jié)合大氣光強(qiáng)度a的估計(jì)值得到優(yōu)化后的透射率t(x)；

4)將霧化圖像、大氣光強(qiáng)度a和優(yōu)化后的透射率t(x)代入霧化圖像降質(zhì)物理模型，實(shí)現(xiàn)單幅霧化圖像的復(fù)原。

按上述方案，所述步驟1)中對待復(fù)原的霧化圖像采用多尺度灰度腐蝕方法得到大氣光強(qiáng)度a的估計(jì)值包括以下步驟：

1.1)確定腐蝕操作半徑：腐蝕操作半徑為待復(fù)原霧化圖像長度和寬度較小值的0.1倍，為實(shí)現(xiàn)三尺度，在此，以該腐蝕操作半徑為中心選取了另外兩個(gè)尺度半徑分別為和

其中：ρ表示腐蝕操作半徑；lwidth表示待復(fù)原霧化圖像的長度；lheight表示待復(fù)原霧化圖像的寬度；

1.2)選取三尺度實(shí)現(xiàn)大氣光強(qiáng)度a的估計(jì)：

1.2.1)單尺度大氣光強(qiáng)度的估計(jì)值，通過以下公式表示：

其中：aρ表示單尺度大氣光強(qiáng)度的估計(jì)值；ρ表示腐蝕操作半徑；x表示待復(fù)原霧化圖像中像素點(diǎn)的坐標(biāo)位置；ω為待復(fù)原霧化圖像區(qū)域；ic為彩色待復(fù)原霧化圖像的每個(gè)通道；

1.2.2)使用以下公式實(shí)現(xiàn)三尺度大氣光強(qiáng)度估計(jì)值的計(jì)算：

其中：表示大氣光強(qiáng)度的估計(jì)值；μn為尺度為ρn時(shí)的權(quán)重，權(quán)重取值分別為0.1、0.3和0.6；aρn為腐蝕操作半徑為ρn的單尺度大氣光強(qiáng)度估計(jì)值。

按上述方案，所述步驟2)具體包括：

2.1)將待復(fù)原霧化圖像長、寬較小值的0.1倍作為濾波半徑的初始值，使用以下公式表示濾波半徑：

r＝0.1*min(pixellength,pixelwidth)

其中：r表示濾波半徑；pixellength表示待復(fù)原霧化圖像的長度；pixelwidth表示待復(fù)原霧化圖像的寬度；

2.2)使用以下公式表示單尺度霧化圖像的暗通道值：

其中：dr(x)表示霧化圖像的暗通道值；r表示濾波半徑；ω(x)為以x為中心的非天空局部區(qū)域，也稱為局部窗口；i^c為彩色霧化圖像的每個(gè)通道；

2.3)采用四尺度求取暗通道，通過以下公式表示：

d^k＝[dr-2,dr-1,dr+1,dr+2],r＞2

其中：d^k表示使用四尺度求取的暗通道值；r表示濾波半徑；dr-2、dr-1、dr+1、dr+2對應(yīng)的加權(quán)系數(shù)分別為[ωr-2,ωr-1,ωr+1,ωr+2]＝[0.15,0.35,0.35,0.15]。

按上述方案，步驟3)具體包括：

3.1)鄰域分割：針對透射率不匹配問題，使用以下約束條件掃描暗通道圖像區(qū)塊中的所有像素點(diǎn)，保證選取點(diǎn)和中心點(diǎn)在同一個(gè)前景或背景區(qū)域：

其中：ω^f(x,y)和ω^b(x,y)分別是前景像素點(diǎn)和背景像素點(diǎn)構(gòu)成的集合；ω(x,y)表示前景區(qū)域ω^f(x,y)與背景區(qū)域ω^b(x,y)所有像素點(diǎn)構(gòu)成的總集合；

采用鄰域分割時(shí)，分割的區(qū)域ω^s(x,y)需滿足以下關(guān)系：

其中：ω^s(x,y)表示分割的區(qū)域；ω^f(x,y)表示前景區(qū)域；ω^b(x,y)表示后景區(qū)域；

3.2)采用以下鄰域分割判斷依據(jù)，對分割后的鄰域進(jìn)行判斷：

其中：ε為區(qū)域分割的閾值取0.025；(u,v)為對應(yīng)于像素中心點(diǎn)(x,y)的臨近像素點(diǎn)位置；ω^s(x,y)表示分割的區(qū)域；im表示使用本發(fā)明改進(jìn)的圖像區(qū)塊；

3.3)采用基于鄰域分割的透射率估計(jì)公式估計(jì)透射率：

其中：tr為待求的透射率；(x,y)表示待求透射率像素點(diǎn)的位置坐標(biāo)；μ為去霧因子取0.95；ω^s(x,y)表示分割的區(qū)域；(u,v)為對應(yīng)于像素中心點(diǎn)(x,y)的臨近像素點(diǎn)位置；im表示使用本發(fā)明改進(jìn)的圖像區(qū)塊。

按上述方案，步驟4)具體包括：

采用以下單幅霧化圖像的復(fù)原公式，實(shí)現(xiàn)霧化圖像的去霧處理：

其中：x表示圖像中像素點(diǎn)的坐標(biāo)位置；i(x)表示光線經(jīng)過大氣散射作用后匯入像素點(diǎn)的光強(qiáng)總和，即霧化圖像；j(x)表示無霧情況下得到的原始圖像，即晴天無霧情況下拍攝得到的正常圖像；t(x)表示光的透射率，即在大氣介質(zhì)中光線通過傳播媒介到達(dá)相機(jī)中被散射部分的比率；常數(shù)a表示無窮遠(yuǎn)處大氣光強(qiáng)的大小，與變量x無關(guān)，是一個(gè)常量。

按上述方案，所述方法還包括以下步驟：

5)判斷復(fù)原效果是否滿足要求，若滿足要求，則可得到無霧圖像j(x)結(jié)束單幅霧化圖像的去霧操作。

6)對于復(fù)原效果不滿足需求的圖像，可通過調(diào)整鄰域分割法中區(qū)域分割的閾值ε(ε∈[0.01,0.05]，增長步長為0.005)或去霧因子μ(μ的取值范圍為[0.50,1]，增長步長為0.005)，或同時(shí)調(diào)整區(qū)域分割的閾值ε和去霧因子μ，重復(fù)上述1)至4)的步驟，直到滿足需求為止。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明方法采用多尺度灰度腐蝕方法對大氣光強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)，降低了腐蝕操作半徑對大氣光強(qiáng)度估計(jì)精度的影響；改進(jìn)了暗通道先驗(yàn)圖像去霧方法，通過多尺度加權(quán)平均取代已有的單尺度值求取暗通道圖，提高了暗通道先驗(yàn)理論對未知參數(shù)的估計(jì)精度；采用鄰域分割法細(xì)化了透射率，實(shí)現(xiàn)了圖像透射率的快速估計(jì)。此外，本發(fā)明采用全局性的方法，計(jì)算工作量較小，易于應(yīng)用。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的操作流程圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例的第一圖像處理對比示意圖；其中：

圖3a是本發(fā)明實(shí)施例采用的第一圖像未處理霧化圖像；

圖3b是采用原始最小值濾波(dcp)方法處理第一圖像后的透射率圖像；

圖3c是采用原始最小值濾波(dcp)方法處理第一圖像后的圖像；

圖3d是采用中值濾波(mdcp)方法處理第一圖像后的透射率圖像；

圖3e是采用中值濾波(mdcp)方法處理第一圖像后的圖像；

圖3f是采用引導(dǎo)濾波(gif)方法處理第一圖像后的透射率圖像；

圖3g是采用引導(dǎo)濾波(gif)方法處理第一圖像后的圖像；

圖3h是采用本發(fā)明方法處理第一圖像后的透射率圖像；

圖3i是采用本發(fā)明方法處理第一圖像后的圖像；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例的第二圖像處理對比示意圖；其中：

圖4a是本發(fā)明實(shí)施例采用的第二圖像未處理霧化圖像；

圖4b是采用本發(fā)明方法處理第二圖像后的圖像；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例的第三圖像處理對比示意圖；其中：

圖5a是本發(fā)明實(shí)施例采用的第三圖像未處理霧化圖像；

圖5b是采用本發(fā)明方法處理第三圖像后的圖像。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，基于物理模型的改進(jìn)暗通道先驗(yàn)單幅霧化圖像復(fù)原方法包括以下步驟：

步驟s100、基于霧化圖像降質(zhì)物理模型的大氣光強(qiáng)度a這一未知參數(shù)，采用多尺度灰度腐蝕方法對其進(jìn)行估計(jì)，以降低腐蝕半徑對其估計(jì)精度的影響。

本實(shí)施例中首先需要確定腐蝕操作半徑，即選取實(shí)際輸入待復(fù)原霧化圖像長度和寬度較小值的0.1倍作為腐蝕操作半徑，為實(shí)現(xiàn)三尺度，在此，以該腐蝕操作半徑為中心選取另外兩個(gè)尺度半徑分別為和

其中：ρ表示腐蝕操作半徑；lwidth表示待復(fù)原霧化圖像的長度；lheight表示待復(fù)原霧化圖像的寬度；

其次，在如下單尺度大氣光強(qiáng)度估計(jì)公式的基礎(chǔ)上，估計(jì)大氣光強(qiáng)度：

其中：aρ表示單尺度大氣光強(qiáng)度的估計(jì)值；ρ表示腐蝕操作半徑；x表示待復(fù)原霧化圖像中像素點(diǎn)的坐標(biāo)位置；ω為待復(fù)原霧化圖像區(qū)域；i^c為彩色待復(fù)原霧化圖像的每個(gè)通道；

最后，基于上述公式，采用三尺度實(shí)現(xiàn)大氣光強(qiáng)度的估計(jì)：

其中：表示大氣光強(qiáng)度的估計(jì)值；μn為尺度為ρn時(shí)的權(quán)重，權(quán)重取值分別為0.1、0.3和0.6；aρn為腐蝕操作半徑為ρn的單尺度大氣光強(qiáng)度估計(jì)值。

步驟s200、對待復(fù)原的霧化圖像采用多尺度加權(quán)平均取代已有單尺度值求取暗通道圖，提高暗通道先驗(yàn)理論對霧化圖像降質(zhì)物理模型未知參數(shù)的估計(jì)精度。

本實(shí)施例中的霧化圖像降質(zhì)物理模型是基于mccarney的大氣散射模型建立的，其是根據(jù)計(jì)算機(jī)視覺理論和圖形圖像處理相關(guān)預(yù)備知識，構(gòu)建霧化圖像生成過程中的大氣散射過程和圖像退化過程。其模型狀態(tài)方程描述為：

i(x)＝j(luò)(x)t(x)+a(1-t(x))

其中：x表示圖像中像素點(diǎn)的坐標(biāo)位置；i(x)表示光線經(jīng)過大氣散射作用后匯入像素點(diǎn)的光強(qiáng)總和，即霧化圖像；j(x)表示無霧情況下得到的原始圖像，即晴天無霧情況下拍攝得到的正常圖像；t(x)表示光的透射率，即在大氣介質(zhì)中光線通過傳播媒介到達(dá)相機(jī)中被散射部分的比率；常數(shù)a表示無窮遠(yuǎn)處大氣光強(qiáng)的大小，與變量x無關(guān)，是一個(gè)常量。

由物理模型知，模型中含有3個(gè)未知參數(shù)，分別為待求的無霧圖像j，大氣光強(qiáng)度a和透射率t(x)，為了提高暗通道先驗(yàn)理論對未知參數(shù)的估計(jì)精度，在此對每個(gè)暗通道采用多個(gè)尺度進(jìn)行最小值濾波，并對每個(gè)暗通道值進(jìn)行加權(quán)平均，得到具有更高精確度的暗通道值。圖像暗通道的單尺度使用以下公式表示：

其中：dr(x)表示霧化圖像的暗通道值；r表示濾波半徑；ω(x)為以x為中心的非天空局部區(qū)域，也稱為局部窗口；i^c為彩色霧化圖像的每個(gè)通道。

步驟s300、在所述暗通道圖下采用鄰域分割法并結(jié)合大氣光強(qiáng)度a的估計(jì)值得到優(yōu)化后的透射率t(x)，解決透射率不匹配問題。

本實(shí)施例中首先需要按照以下約束條件掃描暗通道圖像區(qū)塊中的所有像素點(diǎn)，保證選取點(diǎn)和中心點(diǎn)在同一個(gè)前景或背景區(qū)域：

其中：ω^f(x,y)和ω^b(x,y)分別是前景像素點(diǎn)和背景像素點(diǎn)構(gòu)成的集合；ω(x,y)表示前景區(qū)域ω^f(x,y)與背景區(qū)域ω^b(x,y)所有像素點(diǎn)構(gòu)成的總集合。

其次，在采用鄰域分割時(shí)，分割的區(qū)域ω^s(x,y)需滿足以下關(guān)系：

其中：ω^s(x,y)表示分割的區(qū)域；ω^f(x,y)表示前景區(qū)域；ω^b(x,y)表示后景區(qū)域；

并采用以下判斷依據(jù)對鄰域分割進(jìn)行判斷：

其中：ε為區(qū)域分割的閾值取0.025；(u,v)為對應(yīng)于像素中心點(diǎn)(x,y)的臨近像素點(diǎn)位置；ω^s(x,y)表示分割的區(qū)域；im表示使用本發(fā)明改進(jìn)的圖像區(qū)塊。

最后，通過以下基于鄰域分割的透射率估計(jì)公式快速求得透射率t(x)：

其中：tr為待求的透射率；(x,y)表示待求透射率像素點(diǎn)的位置坐標(biāo)；μ為去霧因子取0.95；ω^s(x,y)表示分割的區(qū)域；(u,v)為對應(yīng)于像素中心點(diǎn)(x,y)的臨近像素點(diǎn)位置；im表示使用本發(fā)明改進(jìn)的圖像區(qū)塊。

步驟s400、將霧化圖像、大氣光強(qiáng)度a和優(yōu)化后的透射率t(x)代入霧化圖像降質(zhì)物理模型，實(shí)現(xiàn)單幅霧化圖像的復(fù)原。

本實(shí)施例中將霧化圖像、步驟s100和s300分別求得的大氣光強(qiáng)度a和透射率t(x)，代入以下霧化圖像降質(zhì)物理模型中，實(shí)現(xiàn)霧化圖像的復(fù)原：

其中：x表示圖像中像素點(diǎn)的坐標(biāo)位置；i(x)表示光線經(jīng)過大氣散射作用后匯入像素點(diǎn)的光強(qiáng)總和，即霧化圖像；j(x)表示無霧情況下得到的原始圖像，即晴天無霧情況下拍攝得到的正常圖像；t(x)表示光的透射率，即在大氣介質(zhì)中光線通過傳播媒介到達(dá)相機(jī)中被散射部分的比率；常數(shù)a表示無窮遠(yuǎn)處大氣光強(qiáng)的大小，與變量x無關(guān)，是一個(gè)常量。

如圖2所示，一種基于物理模型的改進(jìn)暗通道先驗(yàn)單幅霧化圖像復(fù)原方法，其具體操作步驟如下：

(1)輸入霧化圖像i；

(2)對輸入的霧化圖像i，在確定腐蝕操作半徑的基礎(chǔ)上，采用三尺度實(shí)現(xiàn)大氣光強(qiáng)度a的估計(jì)；

(3)通過暗通道先驗(yàn)規(guī)律對輸入霧化圖像i的每個(gè)暗通道采用多個(gè)尺度進(jìn)行最小值濾波，并對每個(gè)暗通道值進(jìn)行加權(quán)平均，得到具有更高精確度的暗通道；

(4)結(jié)合步驟(2)獲得的大氣光強(qiáng)度a，采用鄰域分割方法，實(shí)現(xiàn)透射率t(x)的快速估計(jì)：

(5)將(2)、(4)操作中得到的大氣光強(qiáng)度a和透射率t(x)代入霧天圖像降質(zhì)物理模型，實(shí)現(xiàn)霧化圖像的去霧處理：

(6)判斷復(fù)原效果是否滿足要求，若滿足要求，則可得到無霧圖像j(x)，結(jié)束單幅霧化圖像的去霧操作。

(7)對于復(fù)原效果不滿足需求的圖像，可通過調(diào)整鄰域分割法中區(qū)域分割的閾值ε(ε∈[0.01,0.05]，增長步長為0.005)或去霧因子μ(μ的取之范圍為[0.50,1]，增長步長為0.005)，或同時(shí)調(diào)整區(qū)域分割的閾值ε和去霧因子μ，重復(fù)上述(1)至(5)的步驟，直到滿足需求為止。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，圖3a是未處理的霧化圖像。圖3b是采用原始最小值濾波(dcp)方法得到的透射率圖。圖3c是由圖3b復(fù)原得到的去霧圖像，因原始dcp方法對霧天圖像的整體透射率只進(jìn)行了粗略估計(jì)，所以得到的透射率圖比較粗糙，圖像中樹葉邊緣區(qū)域不明顯，復(fù)原得到的去霧效果圖存在光暈現(xiàn)象，樹葉附近白色暈塊較多，去霧效果比較一般。圖3d是采用中值濾波(mdcp)方法得到的透射率圖。圖3e是由圖3d復(fù)原得到的去霧圖像，因mdcp選取中位數(shù)作為中心像素的亮度，相較dcp而言雖然較好的保持了圖像邊緣特征，透射率估計(jì)相對精確，但是依舊達(dá)不到理想效果，還原后的圖像仍存在一定的光暈效應(yīng)。圖3f是采用引導(dǎo)濾波(gif)方法得到的透射率圖。圖3g是由圖3f復(fù)原得到的去霧圖像，引導(dǎo)濾波方法很好的細(xì)化了圖像的透射率，圖像邊緣細(xì)節(jié)得以突顯，光暈效應(yīng)基本消除，但相較于本發(fā)明方法，其仍然存在一定的局限性。圖3h是采用本發(fā)明方法得到的透射率圖。圖3i是由圖3h復(fù)原得到的去霧圖像，本發(fā)明方法針對已有方法存在參數(shù)估計(jì)精度不足、透射率優(yōu)化程度不夠和運(yùn)行效率不理想等問題，采用多尺度加權(quán)平均取代已有單尺度值求取暗通道圖，提高了暗通道先驗(yàn)理論對未知參數(shù)的估計(jì)精度，采用鄰域分割法細(xì)化了透射率，實(shí)現(xiàn)了圖像透射率的快速估計(jì)。

圖4a和5a是未經(jīng)過任何處理的霧化圖像，圖4b和5b是采用本發(fā)明方法處理得到的霧化復(fù)原圖像。通過對比實(shí)驗(yàn)，并采用對比度、信息熵、平均梯度、均值、方差和細(xì)節(jié)強(qiáng)度等一系列評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定量分析，可知本發(fā)明方法在數(shù)據(jù)指標(biāo)方面取得了一定的成效，較好的保留了圖像的信息，提高了圖像的色彩豐富度和清晰度。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。