探究惡劣霧霾天氣退化圖像的處理與優(yōu)化技術(shù)

王偉

摘 要：近年來(lái)，隨著社會(huì)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，自然環(huán)境遭到了極大的破壞，霧霾天氣越來(lái)越嚴(yán)重。霧霾天氣導(dǎo)致能見(jiàn)度降低，不僅給人們的日常生產(chǎn)生活和身體健康帶來(lái)了極大的影響，還造成系統(tǒng)圖像的退化。因?yàn)殪F霾天氣中水汽導(dǎo)致太陽(yáng)光發(fā)生反射，降低了圖像拍攝的清晰度。霧霾天氣圖像清晰技術(shù)在交通及遙感等多方面應(yīng)用廣泛，已經(jīng)是霧霾圖像退化處理領(lǐng)域的重要研究課題。為了在霧霾天氣下還能夠保持圖像的清晰，該文從大氣效應(yīng)對(duì)霧霾天氣的影響出發(fā)，對(duì)霧霾天氣退化圖像的處理方法和理論進(jìn)行研究，分析兩點(diǎn)數(shù)字化圖像復(fù)原模式。

關(guān)鍵詞：霧霾退化圖像 圖像處理 復(fù)原

中圖分類號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（b）-0246-01

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，人類在信息技術(shù)方面取得了巨大的進(jìn)步。近年來(lái)，隨著數(shù)字化地球理念的提出和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用，圖像通訊技術(shù)變得越發(fā)重要。然而，在實(shí)際的應(yīng)用中，獲取的圖像都有一定的退化，干擾圖像成形的主要原因就是天氣，霧霾天氣的影響最大。當(dāng)前，應(yīng)用于交通系統(tǒng)領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)天氣變化極為敏感，在霧霾天氣的影響下，大氣能見(jiàn)度低，圖像嚴(yán)重退化，降低了圖像的應(yīng)用價(jià)值。所以針對(duì)在霧霾天氣下圖像退化處理技術(shù)的具體意義。為了減少霧霾天氣對(duì)圖像的影響，該文就對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 大氣效應(yīng)及霧霾天氣

大氣主要是由空氣中的各種分子和氣溶膠顆粒構(gòu)成，分子主要有氧氣、氮?dú)狻⑺肿?、二氧化碳和其他稀有氣體等等。固體或液體的質(zhì)點(diǎn)分子漂浮在空氣當(dāng)中，從而組成了氣溶膠體的分散體系，這些分散出來(lái)的粒子都是由氣體和微粒相互凝結(jié)而產(chǎn)生的。大氣當(dāng)中的氣溶膠顆粒主要由三方構(gòu)成：一是自然氣溶膠；二是生物氣溶膠；三是人類活動(dòng)所產(chǎn)生的氣溶膠。其中，人類氣溶膠主要是由人類進(jìn)行日常生產(chǎn)生活排放到大氣中的物質(zhì)與有害氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)之后形成的顆粒，這些顆粒的半徑較小，用肉眼無(wú)法辨別。

霾的產(chǎn)生主要是由于空氣中懸浮的粒子組成的，如果空氣中濕度較高，這種粒子就會(huì)加速變化。霾要比空氣中的分子顆粒大，如果霾的濕度變大就會(huì)轉(zhuǎn)變成霧，影響能見(jiàn)度。接近地面的空氣沉降，水滴和冰點(diǎn)變化形成的氣溶膠粒子，從而產(chǎn)生了霧。霧和霾的主要不同在于霾的濕度沒(méi)有霧產(chǎn)生的濕度大，而霧產(chǎn)生的濕度多半屬于飽和狀態(tài)。所以，如果空氣濕度沒(méi)有達(dá)到80%時(shí)，大氣渾濁導(dǎo)致的能見(jiàn)度下降是由于霾造成的；相對(duì)濕度超過(guò)90%時(shí)，導(dǎo)致的空氣能見(jiàn)度降低多是由于霧造成的；濕度在80%到90%之間時(shí)，導(dǎo)致的空氣能見(jiàn)度下降則是由霧霾混合形成，但主要原因還是霾。從科學(xué)研究角度區(qū)分，將空氣能見(jiàn)度小于1000 m的視為濃霧，能見(jiàn)度距離在1000 m和10000 m之間的視為薄霧。

霧霾天氣對(duì)光傳輸有很大的負(fù)面影響，霧霾的氣溶膠顆粒散射大氣中發(fā)出的光線，使系統(tǒng)收集的圖像清晰度受到嚴(yán)重影響。霧霾一般分為幾種程度，輕度的霧霾使圖像的遠(yuǎn)景模糊不清晰，但是人類的肉眼還是可以辨別個(gè)別建筑的，可以理解為效果不佳。大霧天氣下就會(huì)導(dǎo)致圖像信息模糊情況嚴(yán)重，無(wú)法識(shí)別遠(yuǎn)處景物，而且近處圖像也有一定的缺失。濃霧天氣下完全無(wú)法識(shí)別圖像中的信息，使圖像信息完全缺失。因而在不同霧霾天氣的情況下，需要有效地提煉圖像的基本信息，盡可能地還圖像的真實(shí)情況。

上文提到了霧霾天氣對(duì)系統(tǒng)獲取圖像的影響主要是散射或放射作用。散射是由于光在傳輸過(guò)程中，受到大氣影響而分散到大氣中的微小離子上，這些微小粒子在吸取了電磁波之后，將能量分散到以自身為中心的各個(gè)方向。所以，散射、吸收、輻射等就成為了霧霾天氣影響圖像退化的主要原因。

2 數(shù)字化圖像的處理方法和理論

2.1 數(shù)字化圖像的基本理論

數(shù)字化圖像處理主要是用數(shù)字的形式對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)處理，再使用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行后期加工處理。在X、Y的空間坐標(biāo)上將幅度值F作為圖像的強(qiáng)度或者灰度。將數(shù)字化圖像進(jìn)行劃之后分成的每一小塊稱之為像素，像素的屬性有位置和灰度，所有像素的范圍都處于0～255。數(shù)字化圖像的應(yīng)用一是為了使人們更加方便地對(duì)圖像進(jìn)行分析，二是為了使用計(jì)算機(jī)操作圖像的存儲(chǔ)和傳輸來(lái)大大提高工作效率。

2.2 數(shù)字化圖像的處理方法

2.2.1 直方圖線性化處理

直方圖線性處理方法是圖像處理方法中比較常見(jiàn)且簡(jiǎn)單實(shí)用的處理方式。一般在處理灰度圖像的像素亮度時(shí)，會(huì)用到直方圖線性處理方法。這種處理方法使用數(shù)學(xué)計(jì)算把原有的灰度圖像進(jìn)行處理，將灰度進(jìn)行重新分布。使用算數(shù)的方法將原有圖像的灰度級(jí)別展開(kāi)，使原圖像更加的層次分明，清晰可見(jiàn)。這種處理方法簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)也就是增加了圖像的對(duì)比度?？傊?，通過(guò)直方圖線性處理過(guò)后的圖像會(huì)更加的清晰。

2.2.2 彩圖處理

上面所說(shuō)的方法都是對(duì)原有圖像的灰度進(jìn)行處理，最后的成像還是灰色圖像，圖像的屬性從根本上來(lái)講是沒(méi)有改變的。因而不適用于彩圖的處理。彩圖的處理可分為兩種：一種是全彩圖處理；另一種是色彩圖處理。第一種全彩圖處理可以使用全彩色的儀器進(jìn)行處理，最常見(jiàn)的就是掃描儀等。全彩圖處理可以對(duì)圖像的每一部分進(jìn)行分別處理，然后進(jìn)行合成，最終構(gòu)成全彩色圖像；還可以對(duì)圖像的像素直接處理，達(dá)到處理效果。第二種是在一定范圍內(nèi)有顏色，可以通過(guò)改變灰度值、人工加彩等方式進(jìn)行處理。

2.2.3 同態(tài)濾波處理

這種方法就是將灰度的數(shù)值看做光照度和反射率，通過(guò)對(duì)照度和反射率的分析，得出其對(duì)灰度值的影響。在霧霾中，霧霾流動(dòng)性低，相對(duì)來(lái)說(shuō)分布情況就比較穩(wěn)定。所以，在霧霾天氣退化圖像的處理過(guò)程中，得到圖像的灰度會(huì)很暗，且圖像清晰度低，而同態(tài)濾波處理方法則能夠有效地改善圖像上照明分布不均勻的情況。

2.2.4 Retinex圖像處理方法

上述的幾種處理方式都是比較通用的方法，對(duì)圖像的處理都是基于圖像像素的處理，沒(méi)有從人類的視覺(jué)角度出發(fā)。然而，Retinex圖像處理方法就很好地體現(xiàn)了這一點(diǎn)，通過(guò)算法和理論提高了圖像清晰度。這種方法的根本理念就是基于人類視覺(jué)對(duì)色彩的感知，利用人類的視覺(jué)感知能力對(duì)霧霾情況下的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。

3 分析數(shù)字化圖像復(fù)原模式

根據(jù)上文提到的退化圖像的處理方法，圖像增強(qiáng)是對(duì)退化圖像優(yōu)化和改善的主要措施，通過(guò)對(duì)圖像灰度的調(diào)整，像素、對(duì)比度的調(diào)整以及色彩變換等方式進(jìn)行退化圖像的基本處理。而對(duì)圖像最根本的處理方式還是需要對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)原，圖像的復(fù)原方法一般可以分為數(shù)學(xué)模型和物理模型兩種。數(shù)學(xué)模型是根據(jù)算法進(jìn)行一步步的理論推算，從而對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)原。物理模型則是根據(jù)建立的空間模型得到霧霾天氣圖像退化的大致模型，再通過(guò)對(duì)物理模型進(jìn)行改進(jìn)達(dá)到圖像復(fù)原的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，霧霾天氣頻發(fā)，霧霾天氣影響下圖像的清晰處理則成為數(shù)字化圖像處理領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。該文主要對(duì)霧霾天氣的基本原理和霧霾天氣如何對(duì)數(shù)字化圖像產(chǎn)生影響這兩大問(wèn)題進(jìn)行了分析，闡述了數(shù)字化圖像的處理和優(yōu)化方法。相信隨著數(shù)字化圖像處理技術(shù)的不斷完善，數(shù)字化圖像將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮作用，促進(jìn)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展。

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