鐵路綜合視頻圖像去霧算法研究與探討

吳歆彥,陳明陽

(1.中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038； 2.北京郵電大學(xué),北京 100876)

1 概述

隨著我國高速鐵路的蓬勃發(fā)展，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，目前已經(jīng)頒布了《鐵路通信設(shè)計規(guī)范》《鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)，同時編制了相關(guān)系統(tǒng)驗收規(guī)范，為鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)范化設(shè)計、施工、維護(hù)、管理提供了理論方法指導(dǎo)，也標(biāo)志著鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展到了規(guī)范運營階段。目前鐵路視頻監(jiān)控采集點主要包括車站(場)內(nèi)(包括車站運轉(zhuǎn)室、外勤作業(yè)點、車站進(jìn)出站口、候車室、售票廳、站臺、通道、檢票口)、四電機(jī)房內(nèi)外(供電電力、通信信號、信息機(jī)房、院落)以及區(qū)間線路(咽喉區(qū)、隧道口、公跨鐵立交橋、救援疏散通道、高路塹)等，是鐵路部門重要的安防手段，滿足了鐵路部門救災(zāi)搶險現(xiàn)場應(yīng)急管理的需求。然而在霧霾天氣情況下，由于大氣中的懸浮顆粒和雜質(zhì)對光線造成散射和折射，導(dǎo)致采集到的視頻信息質(zhì)量嚴(yán)重下降，視頻圖像細(xì)節(jié)信息模糊，嚴(yán)重影響監(jiān)控人員判斷，為我國鐵路運營和人民的生命財產(chǎn)安全帶來隱患[1-4]。因此，通過技術(shù)手段處理大霧天氣對鐵路綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)的影響具有重要的意義[5]。

當(dāng)前主要有基于物理模型和基于圖像增強(qiáng)兩種圖像去霧算法[6-8]?；趫D像增強(qiáng)的算法是針對霧天對比度過低和細(xì)節(jié)信息模糊等問題，通過增強(qiáng)圖像彩色信息和對比度達(dá)到除霧的目的，主要有直方圖均衡算法[9-10]、Retinex圖像增強(qiáng)算法[11]等；基于物理模型的去霧算法有暗通道先驗去霧算法[12-13]，對大氣散射的作用進(jìn)行分析，通過霧天圖像退化模型，利用退化的先驗信息復(fù)原原始圖像。

2 鐵路霧霾視頻監(jiān)控圖像特點(圖1)

圖1 有霧原始圖像視覺效果

霧霾情況下，鐵路視頻監(jiān)控系統(tǒng)所拍攝的視頻效果與無霧情況視頻圖像相比具有以下幾個特點：

有霧圖像具有分辨率低、信噪比低和可見度低的特點，且圖像細(xì)節(jié)模糊，特征難以分辨；

有霧圖像在頻域上多為低頻，高頻分量較少，導(dǎo)致圖像邊緣信息模糊，在時域上灰度分布集中且區(qū)域較小；

由于色彩出現(xiàn)偏差，且圖像色彩和保護(hù)度不夠，導(dǎo)致圖像整體呈現(xiàn)出灰白色。

3 基于圖像增強(qiáng)的去霧算法

基于圖像增強(qiáng)的去霧算法是針對有霧圖像的高低頻分量較少，且其直方圖較為集中的特性，通過增強(qiáng)圖像的全局或者局部的對比度來增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)信息，通過擴(kuò)大像素值的動態(tài)范圍，從而增強(qiáng)有霧圖像的細(xì)節(jié)[14]。主要包括直方圖均衡算法和Retinex圖像增強(qiáng)算法。

3.1 直方圖均衡算法

基于直方圖均衡化的去霧方法可以分為全局直方圖處理和局部直方圖處理兩種。針對有霧圖像的直方圖范圍較為集中等特性，將有霧圖像的直方圖變換為均勻的形式，經(jīng)加大灰度值的動態(tài)范圍，從而有效實現(xiàn)去霧目的[15]。

假設(shè)一幅數(shù)字圖像f(x，y)像素數(shù)為N，rk為第k個灰度級的灰度，nk為像素個數(shù)，用縱坐標(biāo)表示像素個數(shù)即頻數(shù)，用橫坐標(biāo)表示灰度級，則直方圖可定義為p(rk)=nk/N，其中，p(rk)表示灰度rk出現(xiàn)的相對頻數(shù)即概率。直方圖在一定程度上能夠反映數(shù)字圖像的概貌性描述，包括圖像的灰度范圍、灰度分布、整幅圖像的亮度均值和陰暗對比度等，并可以此為基礎(chǔ)，分析得出對圖像進(jìn)一步處理的重要依據(jù)。

圖2 全局直方圖處理后圖像

由圖2可以看出，處理后的圖像比處理之前更加清晰，其相應(yīng)的直方圖更加均勻。然而圖像也丟失很多細(xì)節(jié)(火車車燈和交通燈)，導(dǎo)致邊緣較為模糊且較容易出現(xiàn)某些色彩失真。

局部直方圖處理算法是針對全局直方圖均衡化未能有效保持原始圖像細(xì)節(jié)信息和容易出現(xiàn)色彩失真的一種優(yōu)化算法，首先利用窗口信息選擇固定的窗口對圖像進(jìn)行局部直方圖處理，之后對RGB圖像的R、G、B三層通道分別進(jìn)行局部直方圖均衡化，最終整合到新的圖像得到最終結(jié)果。

從處理結(jié)果可以看出局部直方圖處理后圖像并未出現(xiàn)明顯色彩失真，但存在部分信息模糊，見圖3。

圖3 局部直方圖處理后圖像及其直方圖

3.2 Retinex圖像增強(qiáng)算法

Retinex理論從人類對外界刺激的反映和物體顏色對光線反射特性的角度出發(fā)，其主要思想是將人眼對事物亮度的感知分為環(huán)境的照射量和物體表面反射兩部分[16-17]。

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

S(x，y)=L(x，y)·R(x，y)

(1)

式中，S(x，y)為圖像信息；L(x，y)為標(biāo)識環(huán)境光的照射分量；R(x，y)為物體本質(zhì)屬性所決定的反射分量。

通過對公式取對數(shù)，原始域圖像減去照射分量得到圖像的反射分量

lg[R(x，y)]=lg[S(x，y)]-lgL(x，y)

(2)

由式(2)可以看出，圖像可以分為反射和照射分量的疊加，Retinex圖像增強(qiáng)算法明確是從原始圖像S(x，y)中估計出光照L(x，y)，從而分解出R(x，y)，以改善圖像的視覺效果。

圖4 Retinex圖像增強(qiáng)算法處理后圖像及其直方圖

通過圖4可以看出，Retinex圖像增強(qiáng)算法在一定程度上保持了原始圖像局部特征，同時保持了較好的細(xì)節(jié)信息，具有較好的去霧效果。

4 基于物理模型的去霧算法

基于物理模型的去霧算法是通過分析圖像霧化的原理，利用現(xiàn)實中真實情境與霧的關(guān)系去除有霧圖像。該類算法首先建立大氣散射模型，了解圖像的退化物理機(jī)制，最后獲得去霧圖像。目前，基于暗原色原理的去霧算法取得了較好的效果，且很多學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)算法[18-19]。

暗通道先驗[20]是He等研究人員提出的一種理論。這個理論是基于以下的關(guān)于無霧戶外圖像的觀察統(tǒng)計：在圖像的大多數(shù)非天空部分中，RGB三通道中至少有一個顏色通道在某些像素上具有非常低的強(qiáng)度。對于圖像J，在形式上定義

3)

式中，Jc為J的一個色彩通道；Ω(x)為集中于x的局部塊。

觀察表明，如果J是無霧戶外圖像，除了天空區(qū)域外，Jdark的強(qiáng)度低并趨向于0，Jdark即為J的暗通道。

I(x)=J(x)t(x)+A(1-t(x))

(4)

式中，I(x)為有霧圖像；J(x)為待還原無霧圖像，t(x)為透射率。

這就是有霧圖像的成像退化模型，描述到達(dá)相機(jī)的這部分光透射霧的能力，這種能力越大，t值越大，A是大氣光，通常是全局上的常量。去霧就是從I中恢復(fù)J。其本質(zhì)是利用含霧圖像I(x)恢復(fù)景物本身的亮度J(x)。暗通道先驗去霧算法處理后的圖像如圖5所示。

圖5 暗通道先驗去霧算法處理后圖像

5 仿真結(jié)果與分析

本文依次使用直方圖均衡算法、Retinex圖像增強(qiáng)算法和暗通道先驗去霧算法對鐵路室外圖像進(jìn)行分析處理，去霧效果如圖6所示。圖6(a)為原始有霧圖像，圖6(b)為全局直方圖算法處理，圖6(c)為局部直方圖算法處理，圖6(d)為Retinex圖像增強(qiáng)算法處理，圖6(e)暗通道先驗去霧算法處理。

圖6 不同去霧算法處理后圖像

由圖6可看出，4種方法都實現(xiàn)了對圖像的去霧功能，圖像細(xì)節(jié)均一定程度的增強(qiáng)。從去霧效果可以看出，Retinex圖像增加算法具有最好的清晰度，但是其處理結(jié)果存在失真，從人類視覺的角度，暗通道先驗去霧算法處理結(jié)果更加自然，效果更好。

6 結(jié)語

針對鐵路綜合視頻的特點，從圖像增強(qiáng)和基于物理模型兩種類型的算法進(jìn)行分析，分別對直方圖均衡算法、Retinex圖像增加算法和暗通道先驗去霧算法3種算法原理進(jìn)行闡述，之后利用3種方法對鐵路視頻圖像進(jìn)行驗證。

仿真結(jié)果表明，本文3種算法均可以實現(xiàn)去霧。局部直方圖算法存在顏色失真和光暈現(xiàn)象；Retinex圖像增加算法處理后的圖像存在部分失真；暗通道先驗去霧算法處理圖像較為自然，但圖像處理場景不同，可能效果差異較大，且運算復(fù)雜度較高，不具備實時性，需進(jìn)一步研究改進(jìn)。