本發(fā)明具體涉及一種基于平均飽和度先驗(yàn)的圖像去霧方法，用于對(duì)彩色圖像進(jìn)行無(wú)色偏去霧，屬于數(shù)字圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

霧天環(huán)境下，由于受到大氣中懸浮顆粒的影響，成像設(shè)備所采集的圖像可視性差、飽和度低，清晰度嚴(yán)重不足。因此，對(duì)霧天降質(zhì)圖像進(jìn)行清晰化處理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域中，常用大氣散射模型來(lái)描述霧霾天氣條件下的成像過(guò)程，圖像去霧的過(guò)程就是根據(jù)大氣散射模型，從有霧圖像中的每個(gè)像素的強(qiáng)度值恢復(fù)出去霧圖像中的每個(gè)像素的強(qiáng)度值?，F(xiàn)有的圖像去霧方法大多使用以下等式所描述的大氣散射模型：

i^c(x,y)＝j(luò)^c(x,y)·e^-β·d(x,y)+a·(1-e^-β·d(x,y))

其中，i^c(x,y)表示有霧圖像中像素(x,y)的強(qiáng)度值，j^c(x,y)表示去霧圖像中像素(x,y)的強(qiáng)度值，j^c(x,y)＝a·ρ(x,y)，ρ(x,y)表示有霧圖像中像素(x,y)的場(chǎng)景反照率，a表示大氣光值，β表示散射系數(shù)，d(x,y)表示有霧圖像中像素(x,y)的深度值。有霧圖像的大小與去霧圖像的大小相同，并且有霧圖像中的像素(x,y)與去霧圖像中像素(x,y)相對(duì)應(yīng)，即像素(x,y)處于有霧圖像和去霧圖像中的相同位置。現(xiàn)有的圖像去霧方法將散射系數(shù)β設(shè)為常數(shù)，即默認(rèn)圖像中每個(gè)像素的散射系數(shù)相同。但是散射系數(shù)表示的是單位體積的大氣在各個(gè)方向上散射光線的能力，其大小是與大氣中懸浮粒子的半徑及聚集程度相關(guān)(即與全圖霧氣濃度空間分布相關(guān))，故現(xiàn)有的去霧方法只能處理大氣勻質(zhì)(即霧氣濃度全圖一致)的有霧圖像；同時(shí)散射系數(shù)是由人工根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，缺乏準(zhǔn)確性，易導(dǎo)致去霧效果差甚至失效。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：現(xiàn)有圖像去霧方法只能處理大氣均質(zhì)的有霧圖像，無(wú)法處理非勻質(zhì)大氣條件下的有霧圖像，且散射系數(shù)根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，缺乏準(zhǔn)確性。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于平均飽和度先驗(yàn)的圖像去霧方法，包括以下步驟：

s1，根據(jù)有霧圖像計(jì)算大氣光值；

s2，求取有霧圖像中的每個(gè)像素的深度值；

s3，求取有霧圖像中的每個(gè)像素的散射系數(shù)，具體包括：

s301，獲取大量晴天圖像，根據(jù)以下等式計(jì)算每個(gè)晴天圖像的平均飽和度值：

n表示晴天圖像的全部區(qū)域，(x,y)表示晴天圖像中的任意一個(gè)像素，j^c1(x,y)表示像素(x,y)的強(qiáng)度值，j^r1(x,y)表示像素(x,y)的r通道的強(qiáng)度值，j^g1(x,y)表示像素(x,y)的g通道的強(qiáng)度值，j^b1(x,y)表示像素(x,y)的b通道的強(qiáng)度值，mean()表示求均值；

s302，統(tǒng)計(jì)所有晴天圖像的平均飽和度值，獲得晴天圖像的平均飽和度概率分布，計(jì)算期望值作為平均飽和度先驗(yàn)

s303，構(gòu)建散射系數(shù)的優(yōu)化模型如下：

其中

β(x,y)表示有霧圖像中的像素(x,y)的散射系數(shù)，ω(x,y)表示以有霧圖像中的像素(x,y)為中心的局部像素塊，i^c(x',y')表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(x',y')的強(qiáng)度值，j^c(x',y')表示有霧圖像中的像素(x',y')對(duì)應(yīng)的去霧圖像中的像素(x',y')的強(qiáng)度值，i^r(x',y')表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(x',y')的r通道的強(qiáng)度值，j^r(x',y')表示有霧圖像中的像素(x',y')對(duì)應(yīng)的去霧圖像中的像素(x',y')的r通道的強(qiáng)度值，i^g(x',y')表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(x',y')的g通道的強(qiáng)度值，j^g(x',y')表示有霧圖像中的像素(x',y')對(duì)應(yīng)的去霧圖像中的像素(x',y')的g通道的強(qiáng)度值，i^b(x',y')表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(x',y')的b通道的強(qiáng)度值，j^b(x',y')表示有霧圖像中的像素(x',y')對(duì)應(yīng)的去霧圖像中的像素(x',y')的b通道的強(qiáng)度值，d(x',y')表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(x',y')的深度值，β(x',y')表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(x',y')的散射系數(shù)且局部像素塊ω(x,y)中的所有像素的散射系數(shù)均相等；

s304，求解上述散射系數(shù)的優(yōu)化模型，得到有霧圖像中的每個(gè)像素的散射系數(shù)；

s4，根據(jù)以下等式求取有霧圖像中的每個(gè)像素的場(chǎng)景反照率：

其中，ρ(x,y)表示有霧圖像中的像素(x,y)的場(chǎng)景反照率，i^c(x,y)表示有霧圖像中的像素(x,y)的強(qiáng)度值，a表示大氣光值，d(x,y)表示有霧圖像中的像素(x,y)的深度值，β(x,y)表示有霧圖像中的像素(x,y)的散射系數(shù)；

s5，根據(jù)上述步驟求取的大氣光值和有霧圖像中的每個(gè)像素的場(chǎng)景反照率，計(jì)算與有霧圖像中的每個(gè)像素相對(duì)應(yīng)的去霧圖像中的每個(gè)像素的強(qiáng)度值，從而組成去霧圖像。

優(yōu)選的，上述步驟1具體包括：

s101、找出有霧圖像的每個(gè)像素的r通道、g通道和b通道中最小的強(qiáng)度值，得到最小通道圖像，再以每個(gè)像素為中心設(shè)定窗口，對(duì)每個(gè)窗口進(jìn)行最小值濾波得到暗原色圖像；

s102、找出暗原色圖像中強(qiáng)度值前0.1％的區(qū)域，選擇該區(qū)域?qū)?yīng)在有霧圖像中覆蓋的區(qū)域中的所有像素的亮度值的最大值作為大氣光值。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明方法利用經(jīng)過(guò)去霧處理后得到的去霧圖像符合晴天圖像的平均飽和度先驗(yàn)這個(gè)條件，逆向推導(dǎo)構(gòu)建出散射系數(shù)的優(yōu)化模型，通過(guò)求解優(yōu)化模型獲得各像素點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的散射系數(shù)，可以有效反應(yīng)有霧圖像成形時(shí)的大氣中霧氣的空間分布特性，對(duì)大氣非勻質(zhì)的有霧圖像可有效去霧，同時(shí)解決了現(xiàn)有方法中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置散射系數(shù)產(chǎn)生的不確定性問(wèn)題，在處理大氣勻質(zhì)的有霧圖像時(shí)可以取得更好的去霧效果。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明方法的流程圖。

圖2是第一幅有霧圖像以及本發(fā)明實(shí)施例方法和現(xiàn)有的兩種方法對(duì)其進(jìn)行處理的效果圖。

圖3是第二幅有霧圖像以及本發(fā)明實(shí)施例方法和現(xiàn)有的兩種方法對(duì)其進(jìn)行處理的效果圖。

圖4是第三幅有霧圖像以及本發(fā)明實(shí)施例方法和現(xiàn)有的兩種方法對(duì)其進(jìn)行處理的效果圖。

圖5是第四幅有霧圖像以及本發(fā)明實(shí)施例方法和現(xiàn)有的兩種方法對(duì)其進(jìn)行處理的效果圖。

圖6是第五幅有霧圖像以及本發(fā)明實(shí)施例方法和現(xiàn)有的兩種方法對(duì)其進(jìn)行處理的效果圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種基于平均飽和度先驗(yàn)的圖像去霧方法，如圖1所示，包括以下步驟：

s1，根據(jù)有霧圖像計(jì)算大氣光值，具體包括：

s101、找出有霧圖像的每個(gè)像素的r通道、g通道和b通道中最小的強(qiáng)度值，得到最小通道圖像，再以每個(gè)像素為中心設(shè)定多個(gè)窗口，對(duì)每個(gè)窗口進(jìn)行最小值濾波得到暗原色圖像。

具體地，根據(jù)以下等式找出與有霧圖像中的每個(gè)像素相對(duì)應(yīng)的最小強(qiáng)度值，從而組成暗原色圖像：

其中ω(x,y)表示以有霧圖像中的任意一個(gè)像素(x,y)為中心的局部像素塊，優(yōu)選局部像素塊的大小為15×15，i^c(a,b)表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(a,b)的強(qiáng)度值，idark(x,y)表示局部像素塊ω(x,y)中的所有像素的所有通道的強(qiáng)度值中最小的一個(gè)強(qiáng)度值。

s102、找出暗原色圖像中強(qiáng)度值前0.1％的區(qū)域，選擇該區(qū)域?qū)?yīng)在有霧圖像中覆蓋的區(qū)域中的所有像素的亮度值的最大值作為大氣光值a，即

其中，u表示強(qiáng)度前0.1％的區(qū)域?qū)?yīng)在有霧彩色圖像中所覆蓋的區(qū)域，i'(p1,p2)表示區(qū)域u中的任意一個(gè)像素(p1,p2)的亮度值。

s2，根據(jù)以下等式求取有霧圖像中的每個(gè)像素的深度值：

d(x,y)＝θ0+θ1·i'(x,y)+θ2·i^°(x,y)+ε(x,y)(3)

其中，θ0表示第一線性系數(shù)，θ1表示第二線性系數(shù)，θ2表示第三線性系數(shù)，本發(fā)明具體實(shí)施例中θ0＝0.1218,θ1＝0.96,θ2＝-0.78，ε(x,y)表示服從正態(tài)分布n(0,(0.0413)²)的隨機(jī)補(bǔ)償量，d(x,y)表示有霧圖像中的像素(x,y)的深度值，i'(x,y)和i^°(x,y)分別表示有霧圖像中的像素(x,y)的亮度值和對(duì)比度值。

s3，求取有霧圖像中的每個(gè)像素的散射系數(shù)，具體包括：

s301、獲取大量晴天圖像，根據(jù)以下等式計(jì)算各晴天圖像的平均飽和度值：

n表示晴天圖像的全部區(qū)域，(x,y)表示晴天圖像中的任意一個(gè)像素，j^c1(x,y)表示晴天圖像中的像素(x,y)的強(qiáng)度值，j^r1(x,y)表示晴天圖像中的像素(x,y)的r通道的強(qiáng)度值，j^g1(x,y)表示晴天圖像中的像素(x,y)的g通道的強(qiáng)度值，j^b1(x,y)表示晴天圖像中的像素(x,y)的b通道的強(qiáng)度值，mean()表示求均值。

s302、統(tǒng)計(jì)所有晴天圖像的平均飽和度值，獲得晴天圖像的平均飽和度概率分布，計(jì)算期望值作為平均飽和度先驗(yàn)

s303、將大氣散射模型中的散射系數(shù)定義為一個(gè)與像素相關(guān)的變量，得到一個(gè)改進(jìn)的大氣散射模型如下：

i^c(x,y)＝a·ρ(x,y)·e^{-β(x,y)·d(x,y)}+a·(1-e^{-β(x,y)·d(x,y)})(5)

其中，i^c(x,y)表示有霧圖像中像素(x,y)的強(qiáng)度值，ρ(x,y)表示有霧圖像中像素(x,y)的場(chǎng)景反照率，a表示大氣光值，β(x,y)表示有霧圖像中像素(x,y)的散射系數(shù)，d(x,y)表示有霧圖像中像素(x,y)的深度值。

根據(jù)上述大氣散射模型，將大氣散射模型中的場(chǎng)景反照率ρ(x,y)表示為與散射系數(shù)β(x,y)有關(guān)的函數(shù)，即而場(chǎng)景反照率ρ(x,y)的取值范圍是(0,1)，為了防止所求得的場(chǎng)景反照率溢出取值空間，場(chǎng)景反照率表示如下：

其中，ρ(x,y)表示有霧圖像中的像素(x,y)的場(chǎng)景反照率，i^c(x,y)表示有霧圖像中的像素(x,y)的強(qiáng)度值，a表示大氣光值，d(x,y)表示有霧圖像中的像素(x,y)的深度值，β(x,y)表示有霧圖像中的像素(x,y)的散射系數(shù)。

根據(jù)有霧圖像經(jīng)過(guò)處理后得到的去霧圖像的平均飽和度是符合平均飽和度先驗(yàn)的，并假設(shè)有霧圖像中局部范圍內(nèi)各像素的散射系數(shù)均相等，構(gòu)建散射系數(shù)的優(yōu)化模型如下：

其中

β(x,y)表示有霧圖像中的像素(x,y)的散射系數(shù)，ω(x,y)表示以有霧圖像中的任意一個(gè)像素(x,y)為中心的局部像素塊，優(yōu)選局部像素塊的大小為15×15，i^c(x',y')表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(x',y')的強(qiáng)度值，j^c(x',y')表示從有霧圖像中的像素(x',y')的強(qiáng)度值i^c(x',y')像素恢復(fù)出的去霧圖像中的像素(x',y')的強(qiáng)度值，i^r(x',y')表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(x',y')的r通道的強(qiáng)度值，j^r(x',y')表示從有霧圖像中的像素(x',y')的r通道的強(qiáng)度值i^r(x',y')恢復(fù)出的去霧圖像中的像素(x',y')的r通道的強(qiáng)度值，i^g(x',y')表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(x',y')的g通道的強(qiáng)度值，j^g(x',y')表示從有霧圖像中的像素(x',y')的g通道的強(qiáng)度值i^g(x',y')恢復(fù)出的去霧圖像中的像素(x',y')的g通道的強(qiáng)度值，i^b(x',y')表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(x',y')的b通道的強(qiáng)度值，j^b(x',y')表示從有霧圖像中的像素(x',y')的b通道的強(qiáng)度值i^b(x',y')恢復(fù)出的去霧圖像中的像素(x',y')的b通道的強(qiáng)度值，d(x',y')表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(x',y')的深度值，β(x',y')表示局部像素塊ω(x,y)中的任意一個(gè)像素(x',y')的散射系數(shù)且局部像素塊ω(x,y)中的所有像素的散射系數(shù)均相等。本發(fā)明具體實(shí)施例中平均飽和度期望值取值為0.106。

s304、利用上述散射系數(shù)的優(yōu)化模型，在以有霧圖像中的每個(gè)像素為中心的局部范圍內(nèi)求解出一個(gè)最優(yōu)的散射系數(shù)作為該像素的散射系數(shù)。

s4，根據(jù)式(7)求取有霧圖像中的每個(gè)像素的場(chǎng)景反照率。

s5，根據(jù)以下等式求取與有霧圖像中的每個(gè)像素相對(duì)應(yīng)的去霧圖像中的每個(gè)像素的強(qiáng)度值，從而組成去霧圖像：

j^c(x,y)＝a·ρ(x,y)(9)

其中，j^c(x,y)為去霧圖像中的像素(x,y)的強(qiáng)度值。

圖2-6為利用本發(fā)明實(shí)施例方法和現(xiàn)有的兩種方法對(duì)相同的五個(gè)有霧圖像進(jìn)行處理的效果圖，其中，圖2(a)和3(a)為大氣勻質(zhì)的有霧圖像，圖4(a)、5(a)和6(a)為大氣非勻質(zhì)的有霧圖像，圖2(b)、3(b)、4(b)、5(b)和6(b)為he方法處理后的去霧圖像，圖2(c)、3(c)、4(c)、5(c)和6(c)為zhu方法處理后的去霧圖像，圖2(d)、3(d)、4(d)、5(d)和6(d)為本發(fā)明方法計(jì)算各像素的散射系數(shù)后得到的散射圖，圖2(e)、3(e)、4(e)、5(e)和6(e)為本發(fā)明方法處理后的去霧圖像。從圖2-6中可以看出，本發(fā)明方法在處理各種大氣條件下(大氣勻質(zhì)或非勻質(zhì))的有霧圖像時(shí)，所求得的散射圖都可以準(zhǔn)確表達(dá)出大氣中霧氣的分布情況。通過(guò)去霧效果的對(duì)比，可以看出本發(fā)明方法在處理大氣勻質(zhì)的有霧圖像可以取得更好的視覺(jué)效果；而在處理大氣非勻質(zhì)的有霧圖像時(shí)，現(xiàn)有算法普遍存在霧氣殘留問(wèn)題，而本發(fā)明方法可以有效去除全圖的霧氣。