基于二色散射模型的激光高速相機成像去煙霧

文/李運

在武器彈藥測試方面經(jīng)常需要對復(fù)雜環(huán)境下的目標進行拍攝，特別是一些成像條件惡劣的環(huán)境，例如霧霾天氣、強煙霧目標等。由于存在煙霧的干擾，使捕獲目標的圖像品質(zhì)很難滿足需求。隨著數(shù)字圖像處理的發(fā)展，應(yīng)用圖像復(fù)原增強技術(shù)來處理此類問題成為一大熱點。

圖1：系統(tǒng)原理框圖

圖像復(fù)原通常根據(jù)圖像的退化模型，采用相反的過程進行處理，以便恢復(fù)出原圖像，一般采用各種反退化處理方法，如維納濾波、中值濾波等。但大多數(shù)圖像復(fù)原技術(shù)都需提前預(yù)知圖像退化模型，對于拍攝過程不可重復(fù)的目標，很難提前預(yù)知其退化模型。故而基于單幅圖像退化模型復(fù)原的圖像處理技術(shù)逐漸成為人們關(guān)注的熱點。

1 系統(tǒng)原理分析

圖2：系統(tǒng)工作示意圖

圖3：數(shù)據(jù)處理前后對比圖

該系統(tǒng)主要由激光照明光源、高速攝影相機、系統(tǒng)同步控制器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。系統(tǒng)運行時，由同步控制器控制高速攝影相機和激光照明光源協(xié)同工作，激光照明光源提供兩組激光，綠光提供高亮度且亮度均勻的照明，近紅外波段激光提供高透煙霧光源，高速攝影相機在微秒級的曝光時間內(nèi)拍攝兩組瞬態(tài)圖像，將拍攝的圖像數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)圖像融合得到初步去煙霧圖像，結(jié)合二色散射復(fù)原模型得到去煙霧復(fù)原圖像，再通過圖像增強算法，最終得到清晰的圖像。如圖1所示。

2 理論分析

對于強煙霧中的物體，物體發(fā)出的光迅速衰減，而背景光隨著物體到相機的路徑增加而增加，利用這一特點獲取目標景深信息。令深度d處景物點產(chǎn)生的背景光輻射為L(d,λ)，設(shè)相機的光譜相應(yīng)為s(λ)，λ表示光的波長，g便是在景物點亮度和圖像照度之間的比例常數(shù)，景物點的最終亮度為：

結(jié)合背景光模型可知，對任何給定路徑長度d，背景光的輻射強度為：

將式（2）帶入式（1）可知景物點最終的亮度為：

則景物深度可表示為：

p，q是標量，p表示直接傳輸?shù)姆担琿表示背景光的幅值，R為清晰圖像的輻射度，是背景的散射系數(shù)，d是場景點的深度。

從圖像中選擇一個背景區(qū)域，分別計算R、G、B圖像平面該區(qū)域的亮度平均值

該區(qū)域的背景亮度平均值 ：

其中，m為選中背景區(qū)域像素點的總數(shù)，EiR、EiG、EiB為R、G、B圖像平面區(qū)域內(nèi)的亮度。令則表示背景光色度方向的單位向量 表示為：

其中，d為景物點深度，E'為景物點在原圖像中的亮度，m1為決定整體亮度的調(diào)節(jié)參數(shù)，m2為決定亮度調(diào)節(jié)范圍的參數(shù)，通過調(diào)節(jié)m1、m2、m3對復(fù)原后的圖像進行調(diào)整，使復(fù)原增強后的圖像效果更接近于無煙霧是實際場景圖像。

3 實驗研究

為了驗證上述方法對去除煙霧影響的有效性，開展了相關(guān)的實驗研究。首先對整個系統(tǒng)進行標定和校準，當飛行物體經(jīng)過相機視場時，同步控制系統(tǒng)控制激光照明系統(tǒng)與高速攝影系統(tǒng)協(xié)同工作，綠光提供高亮度且亮度均勻的照明，近紅外波段激光提供高透煙霧光源，高速攝影相機在微秒級的曝光時間內(nèi)拍攝兩組瞬態(tài)圖像，將拍攝的圖像數(shù)據(jù)交給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)圖像融合得到初步去煙霧圖像，經(jīng)圖像復(fù)原處理得到去煙霧復(fù)原圖像，再通過圖像增強算法，最終得到清晰的圖像，系統(tǒng)工作的示意圖如圖2所示。

試驗中對彈丸出膛瞬間圖像進行捕獲。圖3為本文算法的效果對比圖，其中圖a為綠光波段下，高速相機拍攝的運動目標的瞬態(tài)圖像；圖b為雙波段獲得圖像融合后的初步去煙霧圖像；圖c為經(jīng)本文算法圖像復(fù)原及圖像增強后的去煙霧圖像。對比3幅圖像可以看出，在綠光可見光下拍攝的圖像（圖a）煙霧干擾嚴重，目標無法辨認。通過圖像融合技術(shù)，將近紅外波段與綠光可見光下拍攝的圖像進行融合得到初步去煙霧圖像（圖b），相比圖a有了一定的去煙霧效果，目標及參照物可辨認且細節(jié)信息有所提高。

在結(jié)合本文算法的圖像復(fù)原和圖像增強處理，得到最終的去煙霧圖像（圖c），分析可知去煙霧效果明顯，目標及參照物信息清晰。

4 結(jié)論

通過前期圖片采集和后期圖像處理相結(jié)合的手段對無法預(yù)先得到退化信息的目標進行處理，可很好的去除煙霧影響、還原目標圖像信息。實驗結(jié)果表明：本文提出的方法在目標高品質(zhì)圖像獲取方面效果顯著，具有一定的參考價值。