基于雙邊濾波的實(shí)時(shí)圖像去霧技術(shù)研究

基于雙邊濾波的實(shí)時(shí)圖像去霧技術(shù)研究前言1.Tan通過(guò)增強(qiáng)局部區(qū)域顏色對(duì)比度的方法,首次實(shí)現(xiàn)基于單幅圖像信息的去霧。2.Fattal假定霧天大氣介質(zhì)透射比與表面陰影局部不相關(guān),

利用獨(dú)立成分分析(ICA)的方法估計(jì)透射比。3.He等人首次提出了一種物理先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律———暗原色先驗(yàn)(darkchannelprior),并利用該規(guī)律直接估計(jì)大氣透射比,實(shí)現(xiàn)圖像去霧。針對(duì)目前去霧算法普遍存在的算法復(fù)雜度高、處理速度慢等缺點(diǎn),作者首先基于暗原色先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律魯棒地估計(jì)出大氣光。在此基礎(chǔ)上,提出一種新的基于雙邊濾波器的快速大氣光幕估計(jì)方法,并利用大氣散射物理模型恢復(fù)去霧圖像。1.基于大氣散射模型的成像方程N(yùn)arasimhan等人給出了基于大氣散射物理模型的霧天成像方程：式中:IJ為場(chǎng)景在理想氣象條件下的輻射強(qiáng)度;

IJ(x,y)τ(x,y)對(duì)應(yīng)衰減后的輻射強(qiáng)度;IA

為全局大氣光輻射強(qiáng)度;IA[1-τ(x,y)]對(duì)應(yīng)大氣光散射強(qiáng)度;

I(x,y)為實(shí)際輻射強(qiáng)度,對(duì)應(yīng)于霧天退化圖像(x,y)處像素點(diǎn)的顏色值;τ為大氣透射比,對(duì)于同性大氣式中:β為大氣散射系數(shù);d為景深。1.基于大氣散射模型的成像方程重寫方程,得到上述成像方程的一種等價(jià)形式：式中V為大氣光幕(atmosphericveil)。本文中提出的基于雙邊濾波的實(shí)時(shí)圖像去霧方法即可通過(guò)直接求解上面的方程實(shí)現(xiàn)。2.基于雙邊濾波的去霧算法在使用暗原色先驗(yàn)規(guī)律魯棒地估計(jì)出全局大氣光IA

的基礎(chǔ)上，將大氣光幕的精確估計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一種快速雙邊濾波估計(jì)問(wèn)題，進(jìn)而通過(guò)求解大氣散射物理方程直接恢復(fù)出去霧后圖像IJ，在取得更佳去霧效果的同時(shí),運(yùn)算速度得到了極大的提升。2.1基于暗原色先驗(yàn)的大氣光估計(jì)

暗原色先驗(yàn)是一種基于無(wú)霧圖像的先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。在紋理較豐富的無(wú)霧圖像中,每一個(gè)局部區(qū)域都很有可能會(huì)有純色或黑色的陰影。因此,每一個(gè)局部區(qū)域都很可能在至少1個(gè)顏色通道內(nèi)含有很低的值,近似為0。對(duì)于圖像IJ,該先驗(yàn)IJd

表達(dá)式為：式中IcJ為圖像IJ的顏色通道,c∈{r,g,b},(x′,y′)∈Ω(x,y),Ω(x,y)是以點(diǎn)(x,y)為中心的局部區(qū)域。2.1基于暗原色先驗(yàn)的大氣光估計(jì)對(duì)于退化圖像I,在霧較濃區(qū)域,其暗原色先驗(yàn)圖像Id

的亮度將明顯增加,因此帶霧圖像暗原色先驗(yàn)的亮度可近似霧的濃度,大氣光IA的顏色值通常對(duì)應(yīng)于霧最濃的區(qū)域?；诖?給出大氣光估計(jì)。具體實(shí)現(xiàn)步驟：①求取帶霧圖像的暗原色先驗(yàn)圖Id,②從Id

統(tǒng)計(jì)出前0.1%亮度最高的像素點(diǎn)。③在帶霧圖像I中搜索步驟②給出的亮度極小值點(diǎn),并將該點(diǎn)亮度值作為大氣光IA

的顏色值。這種基于暗原色先驗(yàn)的自動(dòng)大氣光估計(jì)方法簡(jiǎn)單易行,并且相比以前方法具有更強(qiáng)的魯棒性。2.2大氣光幕估計(jì)對(duì)彩色圖像(RGB顏色空間),

令:則有約束條件:0≤V(x,y)≤W(x,y)。對(duì)于灰度圖像,有W=I。W局部均值與局部標(biāo)準(zhǔn)差之間的差值可較好地近似V,在景深d突變的局部區(qū)域,V也會(huì)隨之產(chǎn)生躍變;而在景深變化平緩的局部區(qū)域,V同樣趨于平緩(如圖1所示)2.2大氣光幕估計(jì)為避免出現(xiàn)殘霧及光暈現(xiàn)象,在估計(jì)W局部均值與局部標(biāo)準(zhǔn)差時(shí),必須保護(hù)其沿邊緣方向的躍變,而這正是雙邊濾波器的獨(dú)有特性。雙邊濾波器定義為：式中:Ip,Iq

分別表示圖像I中坐標(biāo)為p和q像素點(diǎn)的顏色值;Wp為濾波器歸一化系數(shù);Gσr,Gσs

分別是圖像I值域R和空域S上以σr,σs

為參數(shù)的高斯核;符號(hào)|?|表示絕對(duì)值,||?||表示兩像素點(diǎn)之間的歐式距離?？梢?雙邊濾波在處理相鄰像素值的灰度時(shí),不僅考慮到了空間的鄰近關(guān)系,也考慮到了灰度的相似關(guān)系,可在平滑圖像的同時(shí)保持圖像邊緣。2.2大氣光幕估計(jì)基于上述分析,提出了基于雙邊濾波的大氣光幕估計(jì)方法,具體步驟如下：①采用雙邊濾波器估計(jì)W局部均值M(x,y)及局部標(biāo)準(zhǔn)差D(x,y),分別為②計(jì)算M(x,y)與D(x,y)之差V′(x,y),V′(x,y)=M(x,y)-D(x,y).。③考慮約束條件0≤V(x,y)≤W(x,y),求取大氣光幕V(x,y),式中參數(shù)ω∈(0,1)控制去霧后圖像遠(yuǎn)景處的殘余霧量,用以保證去霧后圖像在視覺上的自然效果。為了提高算法的運(yùn)算速度,采用一種雙邊濾波器的近似快速算法。2.3去霧圖像的恢復(fù)

在求取大氣光強(qiáng)度IA及大氣光幕V(x,y)的基礎(chǔ)上,可直接恢復(fù)出場(chǎng)景在理想氣象條件下的輻射強(qiáng)度IJ(x,y),2.4去霧后圖像亮度的調(diào)整

去霧后圖像整體亮度偏暗,須進(jìn)行亮度的調(diào)整以提高圖像質(zhì)量,

采用標(biāo)準(zhǔn)差截?cái)喾ㄟM(jìn)行亮度調(diào)整。對(duì)于給定的顏色飽和閾值s∈(0,1),

在R,G,B3個(gè)顏色通道內(nèi)分別計(jì)算出最大、最小分位數(shù)fmax,fmin。設(shè)各顏色通道值域?yàn)閇rmin,rmax],

則亮度增強(qiáng)后圖像為：3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

估計(jì)大氣光IA時(shí),局部區(qū)域Ω的大小設(shè)為15×15;

在估計(jì)大氣光幕V階段,

選取雙邊濾波器參數(shù)σr=0.1,σs=16;

去霧圖像亮度調(diào)整階段,

顏色飽和閾值s∈0.03。3.1去霧效果的分析

圖2為本文中算法的去霧效果圖。去霧后圖像整體顏色自然,

無(wú)過(guò)飽和現(xiàn)象,這得益于本文物理模型的有效性和基于暗原色先驗(yàn)方法的全局大氣光精確估計(jì)。圖2(c)為去霧前后圖像局部細(xì)節(jié)的放大對(duì)比,通過(guò)比較可見,算法對(duì)于圖像能見度及對(duì)比度有極大地提升,非常有利于圖像特征的提取和應(yīng)用。4.結(jié)論本文基于暗原色先驗(yàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律魯棒地估計(jì)出大氣光