基於大氣散射理論的影片去霧演算法的研究論文

　　摘要：本文提出了基於大氣散射理論的影片去霧演算法，這種方法計算固定場景下的大氣透射率，把計算結果應用於影片的所有幀以消除霧氣，實驗結果和實際應用顯示這種演算法去霧效果較為清晰，對比度較原始影象有明顯的提升。與其他影片去霧演算法相比，由於固化了先驗資訊，因此演算法的處理速度較快，在處理實時監控資料時可以迅速得到去霧的結果。

　　關鍵詞：霧氣理論；影片；去霧；大氣透射率

　　0 引言

　　目前針對霧天影片的去霧方法主要建立單幅影象去霧的基礎上，也可分為基於影象增強和基於物理模型的影片去霧方法兩類。前者對影片的每一幀進行直方圖去霧化處理，後者則是對背景影象採用去霧演算法進行處理，求取得到相關的引數後，再將物理模型與原始影片結合得到完整的去霧影片。

　　1 霧氣理論

　　1.1 大氣散射理論

　　大氣散射模型由大氣光成像模型和入射光衰減模型組成[4]。何愷明[3]給出了霧霾天氣下單色大氣散射模型的簡化表示式為：

　　其中，A為大氣光強為輸入的有霧影象，為空間座標x處的場景反照率，為大氣的散射係數，是觀測點到場景點的距離。去霧的本質就是透過求取以及A的值以從原有霧影象中得到去霧後的影象。

　　在原始的霧氣影象中，霧氣的濃度會隨著景物距離的變化而變化，因此透射率是一個變化的引數，而暗原色先驗則提供了估算透射率的方法。暗顏色先驗理論是對大量室外無霧影象的觀察統計得到的：在排除了天空等大面積明亮區域後的無霧影象中，存在這樣的一些畫素點，它們在RGB3個顏色通道中至少一個通道的值很低，這就是暗原色的概念，數學模型為[3]：

　　其中為原始影象的顏色通道，為紅綠藍3個顏色通道，c為顏色通道的合集；為以x為中心的區域性區域。透過觀察統計得到，的值較低且趨近於0。如果J是無霧影象，則被稱為J的暗通道。

　　2 基於大氣散射理論的去霧演算法

　　2.1 簡化的大氣散射理論

　　從大氣散射模型出發，定義，則散射模型表示式變換如下：

　　其中，表示介質在影象位置x處的傳播函式或者透射率，為復原後的無霧影象。定義，則（3）式變換為：

　　其中，為大氣耗散函式，它表示環境光對影象的附加部分。這裡去霧問題就轉化為計算大氣透射率和大氣光強的問題。

　　2.2 去霧演算法流程

　　本文的'去霧演算法：第一步，假定是固定場景的有霧影片，因此可以透過幀差法獲得影片的背景影象；再透過暗原色的值的變化來估計大氣透過率，獲得背景影象的大氣透射率，由此即可透過運算求得。第二步，用暗原色先驗方法的統計資訊估算出大氣光強值A，並將原始影象資料代入到（4）式中即可求得去霧後的復原影象。

　　2.3 大氣透射率估計

　　在霧霾天氣下獲得的影象，由於大氣光參與成像，會使得暗原色強度值發生變化，而大氣透射率是與這個值直接相關的，因此可以透過暗原色值的變化來估計大氣透射率[3]。這個粗略估計的大氣透射率可以表示為：

　　其中是調節因子，使復原的影象更接近真實影象。

　　本文采用雙邊濾波的方法對原始影象進行處理，目的在於消除其中可能導致影象復原錯誤的細節資訊。雙邊濾波採用加權平均獲取影象的強度值[5]，其定義為：

　　這裡為粗略估計的大氣透射率，為濾波最佳化後的大氣透射率，表示畫素的鄰域，和分別是空間域和灰度域的權重，是歸一化引數，而後三個權重引數可由以下公式求取：

　　越小則影象細節和邊緣越清晰，則這裡取8，取0.1。

　　2.4 大氣光強估計

　　目前已經有很多方法解決這一問題。如對邊緣檢測處理後的影象採用灰度腐蝕的方式進行分塊統計，找到候選的天空區域，但這種方法要求場景中必須存在天空區域。本文先對三個顏色分量進行灰度腐蝕，然後將處理後的影象中各畫素點的亮度值按照遞減的方式進行排序，從這些最小值中選取0.1%最亮的畫素所在的位置，找到這些位置所對應的原始有霧影象區域，而這些區域中的畫素最大值就是大氣光強A的估算值。

　　3 分析與應用

　　3.1 去霧效果驗證

　　3.2 計算速度

　　影片去霧處理的時間長短取決於影片幀影象的大小、影片演算法的複雜度以及場景的複雜度。本文演算法是對暗顏色先驗去霧方法的改進。對於暗顏色先驗去霧方法而言，演算法需對每幀影象進行按霧氣濃度的區域性顏色修復，因而計算量較大。相比之下，雙邊濾波估算大氣透射率的去霧方法，其複雜度與影片幀影象總畫素數目線性相關，因而該方法的運算速度比較快。表1是這兩種演算法的運算速度對比。

　　3.3 影片影象去霧系統

　　利用本文的理論，構建了一套影片影象去霧系統。這套系統可以降低監控影片畫面中霧霾的影響，改善影片影象質量，減少惡劣天氣對CCD攝像機的監控畫面的干擾，讓影片監控系統看得更遠、更清楚、更準確。目前，這套系統已經應用在了黃山風景區的影片監控系統之中，改善影象的成像質量，使得影象資訊更加豐富，為黃山景區影片監控提供亮麗、清晰、準確的影象畫面。

　　4 總結與展望

　　本文提出了基於大氣散射理論的影片去霧演算法。這種演算法基於固定場景下使用雙邊濾波的方式改進了原有的暗原色先驗估計大氣透射率的方法。實驗結果顯示這種演算法去霧效果較為清晰，對比度較原始影象有明顯的提升，且處理速度相對較快。而對於不斷髮生變化的有霧場景，還需要提出一種更精確的背景建模和檢測場景變化的方法，這個是下一步需要解決的問題。