一種去除大氣退化圖像云霧的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種去除大氣退化圖像云霧的方法，包括以下步驟：暗通道圖像的獲取及中值濾波、大氣光圖像的自適應(yīng)分解獲取;大氣傳輸函數(shù)的細(xì)化;色彩域的視覺校正。本發(fā)明所處理的大氣退化圖像存在不同程度光照、對比度以及動態(tài)范圍問題，采用暗通道理論模型，并且融入暗通道圖像的中值濾波、大氣光圖像的自適應(yīng)分解獲取和色彩域的視覺校正來進(jìn)行去云霧，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的不足。此外，本發(fā)明操作簡單，具有很好的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種去除大氣退化圖像云霧的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)與圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種去除大氣退化圖像云霧的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]可見光成像下的大氣退化圖像去云霧技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖像處理中、高階段提高圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)，它旨在從云霧和極低照度等大氣退化現(xiàn)象下恢復(fù)出圖像的原始信息，圖像信息的有效恢復(fù)對復(fù)雜氣象條件下的道路安全監(jiān)控、汽車安全駕駛、光學(xué)武器作戰(zhàn)效能的提升、敵我戰(zhàn)場的有效監(jiān)視發(fā)揮著重大作用[1]，然而，現(xiàn)有的基于物理模型的可見光成像系統(tǒng)受到大氣條件的嚴(yán)重影響，在云霧等大氣退化現(xiàn)象下，大氣中懸浮的大量微小水滴、氣溶膠的衰減和散射作用使得大氣能見度、亮度嚴(yán)重下降，致使可見光成像傳感器采集到的圖像質(zhì)量降低，極大地影響和限制了復(fù)雜氣象環(huán)境下戶外可見光成像系統(tǒng)的功能[2][3]，既而引起了國內(nèi)外許多研究者的濃厚興趣，近年來已經(jīng)成為圖像處理計(jì)算機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】備受關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)。
[0003]依據(jù)算法特點(diǎn)，針對大氣退化現(xiàn)象的圖像去云霧技術(shù)主要形成了兩個方向:基于圖像增強(qiáng)的方法和基于圖像復(fù)原的方法，基于圖像增強(qiáng)的方法只能相對的提升大氣退化現(xiàn)象下圖像的質(zhì)量，并不能實(shí)現(xiàn)真正意義上的去云霧，基于圖像復(fù)原的方法依賴于圖像退化模型的建立，通過對大氣衰減和環(huán)境光照進(jìn)行建模，并依據(jù)強(qiáng)有力的假設(shè)和先驗(yàn)信息將模型求解的非適定性轉(zhuǎn)換為適定性，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)分析和去云霧圖像的獲得，該研究方向從CVPR2008開始至今是國內(nèi)外研究的前沿和熱點(diǎn)，尤其以CVPR2009何愷明等所提出的暗原色(Dark Channel Prior, DCP)為代表,該方法具備物理有效性,但是當(dāng)場景目標(biāo)在很大的區(qū)域和大氣光本質(zhì)上很相似時，并且沒有陰影投影到物體上時，它的物理模型就會無效，本發(fā)明從圖像復(fù)原角度出發(fā)，旨在從降質(zhì)模型中恢復(fù)出原始高質(zhì)量圖像，在對降質(zhì)過程進(jìn)行適應(yīng)性物理建模的同時，引入色彩空間校正機(jī)制，使得顏色表現(xiàn)更加豐富，從而改善圖像的視覺效果，為了使之具有廣泛的適用性，在處理時要使圖像亮度、對比度和顏色分別通過模型與圖像的內(nèi)在底層因素相聯(lián)系，這樣就不用人為的設(shè)定參數(shù)，并且使復(fù)原結(jié)果更加符合圖像的本質(zhì)特性和人眼視覺感知，總之，基于圖像復(fù)原的去云霧方法很多，關(guān)鍵是尋找到其病態(tài)退化物理模型的一個最優(yōu)解法，從而實(shí)現(xiàn)圖像局域特征和全局特征的契合。
[0004]何丨豈明等所提出的暗原色理論(Dark Channel Prior,DCP)認(rèn)為,清晰的圖像上除天空區(qū)域外，在RGB顏色通道中至少有一個通道存在很低的強(qiáng)度值，在云霧圖像上，暗原色的強(qiáng)度值主要由大氣光組成，該方法直接使用暗原色來估計(jì)傳輸圖，并使用圖像修補(bǔ)的方法對傳輸圖進(jìn)行了平滑操作，使用修補(bǔ)后的傳輸圖能夠恢復(fù)出清晰的圖像，并從中獲得霧天圖像的深度圖[5]，具體的實(shí)現(xiàn)方案如下:
[0005]首先假設(shè)大氣光A是給定的，進(jìn)一步假定在一個局部區(qū)域的大氣傳輸函數(shù)恒定不變，對McCarney的大氣散射模型使用取最小運(yùn)算符，并同除以A，得到:
【權(quán)利要求】
1.一種去除大氣退化圖像云霧的方法，其特征在于，所述去除大氣退化圖像云霧的方法包括以下步驟: 暗通道圖像的獲取及中值濾波、大氣光圖像的自適應(yīng)分解獲取； 大氣傳輸函數(shù)的細(xì)化； 色彩域的視覺校正。
2.如權(quán)利要求1所述的去除大氣退化圖像云霧的方法，其特征在于，暗通道圖像生成采用圖像自適應(yīng)分塊處理思想，在暗通道先驗(yàn)理論基礎(chǔ)上獲取原始圖像所對應(yīng)的暗通道圖像Id(x，y)，并使用中值濾波平滑處理，可用如下公式定義生成的暗通道圖像ID(x，y):
/.,)(W)= min (min(/.(..1., κ)))

ce{rsg,i>\ Ω 其中，IJxj)為原始圖像的指定通道； Ω為自適應(yīng)的圖像子塊，是以(x，y)為中心的一塊正方形區(qū)域，為了防止深度跳變所產(chǎn)生的粗糙現(xiàn)象，避免在結(jié)果中出現(xiàn)棋盤格效應(yīng)和光暈痕跡，需對暗通道圖像進(jìn)行中值濾波；
3.如權(quán)利要求1所述的去除大氣退化圖像云霧的方法，其特征在于，大氣光圖像獲取采用自適應(yīng)二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸猓谶M(jìn)行5次分解之后，獲取原始圖像所對應(yīng)的大氣光圖像A(x, y),并通過低通濾波來均勻局域大氣光。
4.如權(quán)利要求3所述的去除大氣退化圖像云霧的方法，其特征在于，自適應(yīng)二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?，具體實(shí)施步驟如下: 步驟一，通過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的測地算子識別圖像中的區(qū)域極值點(diǎn)； 步驟二，采用優(yōu)化了的徑向基函數(shù)插值法構(gòu)造包絡(luò)曲面，對極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)分別進(jìn)行插值運(yùn)算，運(yùn)算后得到極大值點(diǎn)包絡(luò)曲面和極小值點(diǎn)包絡(luò)曲面，將兩曲面數(shù)據(jù)求平均得到均值包絡(luò)曲面數(shù)據(jù)，因此，圖像空間中的上下包絡(luò)求解問題就轉(zhuǎn)化成三維曲面的離散數(shù)據(jù)點(diǎn)插值重建問題，求解包絡(luò)平面可表示為:
N
J(,r) =r0 + C1X+ C2 V+Y4 λ^φν-x;.||)


/-1 其中，S(X)為插值節(jié)點(diǎn)，C(l、Cl、c2、Xi為多項(xiàng)式系數(shù)和徑向基函數(shù)組合系數(shù)，Il.Il為歐幾里德范數(shù)，Φ(.)為徑向基函數(shù)，通過求解Ν+3元一次的大型線性方程組，解得c0> C1, C2, Xi的值，進(jìn)而代入所有點(diǎn)的坐標(biāo)值得到整個插值曲面，對φ(.)的選取有thin-plate, multi quadratics 等方法，改進(jìn) Φ (.)的選取為: 齡|(1-輯
I O,及>1 其中，R= Il X-Xi Il為歐式距離，P是一個常數(shù)系數(shù)； 步驟三，用原曲面減去均值包絡(luò)曲面； 步驟四，判斷是否滿足終止條件，因?yàn)槎S內(nèi)蘊(yùn)模函數(shù)過零點(diǎn)的數(shù)目是無法統(tǒng)計(jì)的，所以二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸鈺r可以用二維內(nèi)蘊(yùn)模函數(shù)的約束條件作為篩選過程的停止條件，也可以用高效的Cauchy-type收斂條件:
Sd _ y11-Λ-ι (尤，,’)^ Jk^xI y\
—rr TiJ^y)其中，fk(x, y)是第k層自適應(yīng)二維經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸鈺r圖像上(x，y)點(diǎn)的像素值，并可使SD為0.2到0.3之間的數(shù); 重復(fù)步驟(一)~(三)，直到滿足給定的終止條件，得到第I層二維內(nèi)蘊(yùn)模函數(shù)圖像IDimf1 (X，y)，用原圖像減去bimfjx，y)得到第I層殘差圖像residuel,對residuel重復(fù)步驟(一)~(四)，依次得到圖像的N層二維內(nèi)蘊(yùn)模函數(shù)圖像和第N層殘差圖像，在上述過程中，極值點(diǎn)求解、平面插值和篩選的停止條件是本算法的核心，一般是進(jìn)行5次分解，就可以得到純凈的大氣光圖像，所以最終的結(jié)果表示為:

5.如權(quán)利要求1所述的去除大氣退化圖像云霧的方法，其特征在于，大氣傳輸函數(shù)細(xì)化采用最暗通道處理思想，通過下面的公式:

6.如權(quán)利要求1所述的去除大氣退化圖像云霧的方法，其特征在于，去云霧圖像色彩域校正具體操作為，對圖像的R，G，B三原色通道分別進(jìn)行去云霧運(yùn)算:
7.如權(quán)利要求6所述的去除大氣退化圖像云霧的方法，其特征在于，對去除云霧的圖像J (X，y)中任一像素點(diǎn)mxy=[mK, mG, mB]T,進(jìn)行如下的RGB色彩域校正，
8.如權(quán)利要求6所述的去除大氣退化圖像云霧的方法，其特征在于，去云霧圖像色彩域校正采用均值加減方差作為另外兩個分量間相關(guān)系數(shù)矩陣與Rn分別求出校正后的三幅圖像，之后求平均得到最后的校正圖像。
【文檔編號】G06T5/50GK103500440SQ201310454978
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】南棟, 畢篤彥, 王晨, 查宇飛, 何林遠(yuǎn) 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學(xué)