基于直方圖的圖像去霧平臺的設計與實現

李哲鑫 郭遙 季潔

摘要：霧霾天氣屢見不鮮，不僅影響了人們的生活、健康，且霧天采集的圖片失真，不利于圖像的特征提取及識別，城市監控系統、智能交通系統也因此作用大打折扣，此外，對航空攝影系統、衛星遙感系統等也帶來了嚴重的影響。該文在MAT-LAB開發平臺下，設計并實現了一個圖像去霧綜合平臺，實現了直方圖均衡化、雙直方圖均衡化、加權雙直方圖均衡化這三種不同的圖像去霧方法，并結合圖像信息熵和對比度的數值來評價圖像去霧的效果。

關鍵詞：圖像去霧;直方圖均衡化;圖像去霧平臺;圖像增強

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）06-0180-03

1概述

隨著計算機視覺系統在軍事、智能交通以及城市監控等領域的廣泛應用，圖像去霧已成為計算機視覺的重要研究方向之一。如圖1所示，霧天采集的圖片色彩偏灰白，大量細節丟失，給圖像后續處理帶來一定的難度。

主要的圖像去霧算法分為基于圖像增強的去霧算法和基于圖像復原的去霧算法兩種，基于圖像復原的去霧算需要先驗知識來求解圖像成像的逆過程，進行大量的計算，相對而言，基于圖像增強的去霧算法更加簡單實用。直方圖均衡化算法（HE）是圖像增強算法中最常用的方法，由圖2可見，霧天圖像的直方圖集中在一個比較狹窄的區域內，直方圖均衡化算法可以通過累積分布函數拉伸直方圖的動態范圍，從而改變圖像的對比度。直方圖均衡化算法雖然能夠改善霧天圖像的對比度，但常常會使得圖像視覺失真，能夠保持亮度的雙直方圖均衡化方法（BBHE）通過計算平均亮度作為閾值，將直方圖分割成兩個子直方圖，再分別進行均衡化，能夠在提高圖像對比度的同時保持亮度。

本文實現了一個圖像去霧的綜合平臺，HE算法、BBHE算法是常用的方法，為了突出該系統的特色，在雙直方圖均衡化算法的基礎上，綜合考慮子直方圖的像素個數和灰度范圍，實現了加權雙直方圖均衡化算法（WBBHE），使霧天圖像在保持良好去霧的效果的基礎上，更好的保持圖像中的細節。此外，該平臺還集成對比度、信息熵的數據和直方圖形態，使用戶更直觀地對比各種算法的處理結果。

2概要設計

2.1系統的設計目標

本系統的目標是實現基于直方圖的圖像去霧平臺，集成三種基于直方圖的去霧算法：HE算法、BBHE算法和WBBHE算法。用戶可以選擇不同的方法對圖像進行去霧，并查看圖像的直方圖形態，對比圖像信息熵、對比度來比較圖像的去霧效果，以便選擇更加適合的去霧方法。此外，本系統需要有較強的可操作性，用戶界面友好，無須注冊，技術可行性較好。

2.2系統總體設計

根據三種不同的去霧方法，系統劃分為三大模塊，每一個模塊中包含了針對該算法的質量評估和實驗結果。系統的總體結構設計圖如圖3所示。

2.3系統相關技術

本去霧平臺基于C語言在MATLAB平臺上開發而成，并使用GUI工具創建用戶界面及交互式功能的設計。為了讓去霧平臺在沒有安裝MATLAB編程環境的電腦上運行，將整體程序打包成可以獨立運行的exe文件，只需運行MATLAB Runtime文件，便可以啟動去霧平臺。

3詳細設計

3.1去霧平臺的業務流程

啟動去霧平臺后，用戶選擇需要去霧的圖片，并選擇不同的去霧算法，查看不同的去霧效果，同時還可以根據直方圖形態、信息熵以及對比度等數據信息最終選擇去霧的輸出圖像，并保存。平臺的主要業務流程圖如圖4所示。

3.2關鍵算法

本平臺實現的三種算法中，HE算法為最經典的圖像增強算法，BBHE算法在文獻[2]中有詳細介紹。雙直方圖分割之后，每個子圖的像素個數和灰度范圍直接影響著均衡化之后的效果，文獻[3]中提到了一種基于最大類間方差法的加權直方圖均衡化圖像去霧算法，本平臺的加權雙直方圖均衡化算法（WBBHE）在此基礎上，實現步驟如下：

（1）運用平均灰度值為閾值，進行雙直方圖分割;

（21根據兩個子圖的像素點個數和灰度范圍定義參數f1和f2，如公式（1）所示。其中N為圖像的總像素數是，N1和N2分別為兩個子直方圖包含的像素數，a1=0.6，a2=0.4，表示前景和背景的重要程度參數;

4平臺實現

4.1系統實現截圖

圖像去霧平臺如圖5所示，點擊“瀏覽”按鈕加載本地霧霾圖片，點擊“保存”按鈕可設置去霧圖像的保存路徑。下方用戶可選擇三個去霧算法，看到圖像去霧前后的對比，并顯示詳細的信息熵和對比度。“查看直方圖”按鈕可顯示直方圖形態。

4.2實驗測試數據

本平臺選用了“交通”圖像，用全局直方圖均衡化算法（GHE）、雙直方圖均衡化算法（BBHE）以及本文中的方法，分別對其進行去霧操作，結果如圖6所示。

表1是三種去霧方法信息熵及對比度數據，根據實驗結果，三種方法均能對有效去霧，在保留信息熵的同時，使對比度得到了較大的提升。其中WBBHE算法較優于HE算法和BBHE算法。

5結束語

本文實現了一個基于直方圖的圖像去霧平臺，實現了三種去霧算法，并集成了信息熵和對比度以及直方圖形態等數據，使用戶可以綜合多項指標選擇最為合適的去霧方法。今后可在此平臺上實現更多的去霧算法，為圖像去霧研究的進一步發展奠定基礎，擴寬其應用領域。