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圖像之間統(tǒng)計特性的相似性，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)對霧圖的快速、有效去霧。該方法首先獲取霧圖的求反圖，對求反圖進(jìn)行Rednex增強(qiáng)，并對其結(jié)果圖像進(jìn)行動態(tài)范圍調(diào)整和色彩復(fù)原，得到去霧后的圖像。對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)果對比顯示，本文提出的去霧算法去霧效果明顯，主客觀評價結(jié)果與當(dāng)前最好的算法相當(dāng)，但本文算法的時間效率很高，能夠達(dá)到實(shí)時處理的要求。

關(guān)鍵詞：圖像處理；霧圖；Retinex；去霧；霧圖求逆圖

中圖分類號：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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，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)者對此開展了深入研究并取得了相當(dāng)成果。針對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，對薄霧圖像的去霧有較好的效果，但通常對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，對圖像局部實(shí)現(xiàn)對比度增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)的去霧效果相對較好?；诖髿獬上衲Ｐ偷姆椒◤撵F霾成因入手，結(jié)合先驗(yàn)知識復(fù)原圖像，一般能夠得到較為清晰的圖像?；诖髿獬上衲Ｐ偷姆椒▽Ρ§F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）。通過對大量無霧圖像的統(tǒng)計分析，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?；诖髿獬上衲Ｐ偷娜レF方法能夠較好的實(shí)現(xiàn)對霧圖進(jìn)行去霧增強(qiáng)的目的，但通常存在計算復(fù)雜度高的缺點(diǎn)，不利于實(shí)時處理。

本文通過對大量霧圖進(jìn)行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)：霧圖的求反圖與低光照圖像之間的統(tǒng)計直方圖分布存在相似之處，因此提出利用Retinex算法對霧圖的求反圖進(jìn)行增強(qiáng)處理，從而實(shí)現(xiàn)對霧圖去霧的目的。對大量霧圖進(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)，且時間效率很高。

1 低光照圖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。與之對應(yīng)，低光照圖像由于光照不足，其總體亮度偏暗。本文對此類相關(guān)圖像進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計分析的結(jié)果表明，霧圖求反后得到的圖像與低光照圖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圖像的示例。

對圖1中的霧圖求反圖以及低光照圖像進(jìn)行直方圖統(tǒng)計分析，其結(jié)果如圖2所示，可見霧圖求反圖與低光照圖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。