一種單幀圖像的快速去霧方法

段世杰+黃華+王鵬飛+康永杰

摘要：基于霧圖求反圖與低光照?qǐng)D像之間統(tǒng)計(jì)特性的相似性，本文提出了一種利用Retinex圖像增強(qiáng)方法實(shí)現(xiàn)圖像去霧的新方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)霧圖的快速、有效去霧。該方法首先獲取霧圖的求反圖，對(duì)求反圖進(jìn)行Rednex增強(qiáng)，并對(duì)其結(jié)果圖像進(jìn)行動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整和色彩復(fù)原，得到去霧后的圖像。對(duì)本文提出的去霧算法與當(dāng)前其他去霧算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示，本文提出的去霧算法去霧效果明顯，主客觀評(píng)價(jià)結(jié)果與當(dāng)前最好的算法相當(dāng)，但本文算法的時(shí)間效率很高，能夠達(dá)到實(shí)時(shí)處理的要求。

關(guān)鍵詞：圖像處理；霧圖；Retinex；去霧；霧圖求逆圖

中圖分類號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2015.05.001

0 引言

在適宜的氣候條件下，霧霾作為一種自然天氣現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)境污染加劇，我國部分地區(qū)越來越頻繁地發(fā)生霧霾天氣。根據(jù)國家有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，部分地區(qū)出現(xiàn)霧霾天氣的天數(shù)甚至超過半年。霧霾天氣的頻繁發(fā)生給生產(chǎn)、生活和學(xué)習(xí)造成了不利影響，甚至造成經(jīng)濟(jì)損失。在戶外視頻監(jiān)控領(lǐng)域，霧霾天氣的發(fā)生會(huì)直接影響視頻采集的質(zhì)量，造成圖像模糊，影響監(jiān)控系統(tǒng)的性能甚至使之失效。因此，利用圖像處理技術(shù)改善受霧霾影響的圖像/視頻質(zhì)量，從霧圖中得到較為清晰的圖像或視頻具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

近年來，霧圖去霧研究已成為國內(nèi)外圖像處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，眾多專家學(xué)者對(duì)此開展了深入研究并取得了相當(dāng)成果。針對(duì)單幀圖像的去霧研究主要有兩類：基于圖像處理的方法和基于大氣成像模型的方法。基于圖像處理的去霧方法，采用傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)思想實(shí)現(xiàn)去霧，對(duì)薄霧圖像的去霧有較好的效果，但通常對(duì)濃霧條件下圖像的去霧效果不佳；一些算法將圖像進(jìn)行分割，對(duì)圖像局部實(shí)現(xiàn)對(duì)比度增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)的去霧效果相對(duì)較好。基于大氣成像模型的方法從霧霾成因入手，結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)復(fù)原圖像，一般能夠得到較為清晰的圖像。基于大氣成像模型的方法對(duì)薄霧和濃霧圖像都有很好的去霧效果，越來越受到研究人員的重視，但存在計(jì)算量大、效率低的缺點(diǎn)。倫敦大學(xué)的Tan等人認(rèn)為霧天圖像一定比無霧圖像的對(duì)比度高，因此以大氣成像模型為基礎(chǔ)，將霧圖的最大亮度值作為全局大氣光照，通過修復(fù)圖像中最大局部對(duì)比度的方式來實(shí)現(xiàn)去霧的目的，得到的去霧圖像與真實(shí)的物理場(chǎng)景存在一定的偏差。Tare等人提出了一種基于大氣成像模型的濾波去霧思想，可以實(shí)現(xiàn)彩色圖和灰度圖的去霧。香港中文大學(xué)的Kaiming He提出了一種簡單有效的圖像先驗(yàn)規(guī)律——暗原色先驗(yàn)（Dark chrdnnel Prior）。通過對(duì)大量無霧圖像的統(tǒng)計(jì)分析，He發(fā)現(xiàn)絕大部分的戶外無霧圖像的局部區(qū)域中都存在至少某個(gè)顏色通道像素值最低的像素點(diǎn)。根據(jù)這些先驗(yàn)并施加一定的約束條件，可以估算出整體大氣光強(qiáng)度和傳輸率，通過軟摳圖方式對(duì)傳輸率進(jìn)行優(yōu)化，最后按照大氣成像模型得到去霧增強(qiáng)后的圖像。基于大氣成像模型的去霧方法能夠較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)霧圖進(jìn)行去霧增強(qiáng)的目的，但通常存在計(jì)算復(fù)雜度高的缺點(diǎn)，不利于實(shí)時(shí)處理。

本文通過對(duì)大量霧圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)：霧圖的求反圖與低光照?qǐng)D像之間的統(tǒng)計(jì)直方圖分布存在相似之處，因此提出利用Retinex算法對(duì)霧圖的求反圖進(jìn)行增強(qiáng)處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)霧圖去霧的目的。對(duì)大量霧圖進(jìn)行的去霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本文提出的算法去霧效果明顯，與當(dāng)前最好的去霧算法效果相當(dāng)，且時(shí)間效率很高。

1 低光照?qǐng)D像與霧圖求反圖的比較分析

由于受到霧靄的影響，霧圖的亮度一般都很高。與之對(duì)應(yīng)，低光照?qǐng)D像由于光照不足，其總體亮度偏暗。本文對(duì)此類相關(guān)圖像進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果表明，霧圖求反后得到的圖像與低光照?qǐng)D像之間存在大量的相似之處。圖l給出了霧圖、霧圖求反圖和低光照?qǐng)D像的示例。

對(duì)圖1中的霧圖求反圖以及低光照?qǐng)D像進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如圖2所示，可見霧圖求反圖與低光照?qǐng)D像的亮度直方圖之間存在較多的相似之處，其亮度分布主要集中在低亮度區(qū)域。