专利名称：一种基于暗原色通道先验的雾效数字滤镜方法
技术领域：
本发明涉及数字图像处理领域，具体的涉及ー种基于暗原色通道先验的雾效数字滤镜方法。
背景技术：
户外图像往往会因为空气中颗粒(雾，霾，杂质等)的存在而清晰度降低，图像质 量下降。在过去的几十年间，为了提高这些系统的完善性与可靠性，人们一直致力于除雾研究。利用多幅图像(不同拍摄角度或不同拍摄时间)处理去雾化，取得了一定的效果。但是这些方法对于输入数据的要求，使得普通拍摄者难以获取合适的图像。对于单幅图像，一种是基于图像增强的方法，由于图像的质量降低与场景点到成像传感器的距离成指数关系，因此这种假设场景景深不变的图像增强技术不能很好地对雾化图像去雾恢复。而另ー种基于大气散射规律建立图像退化模型的方法能够利用先验知识，具有内在的优越性。不足的是这类方法一般需要求得场景深度或大气条件信息。而现实条件下，获取的降质图像并没有附加任何景深与大气条件的信息。由于已知信息量不足，因此图像去雾恢复是个不适定的反问题。近些年来，对于单幅图像的处理又取得了很大进步，这些方法更多地依赖于先验假设和物理模型。例如増大局部差异和利用简单大气散射模型的方法，然而，它们对于浓雾无法进行很好的处理。就目前来说，基于暗原色通道先验的除雾方法是取得最好效果的方法。然而，这种方法仍然存在模型考虑不足的问题，其本身存在着一定的局限性。对于天空等区域的考虑不足以及没有考虑到散射效应使其处理结果容易出现色差问题。另外，雾的存在是人感受深度的一个基础，这被称为透视感。在远处保留少部分的雾，能够使图像更加接近真实场景。然而，很少有人对这方面加以关注，现有的基于暗通道先验的方法也仅是少量涉及。
发明内容
本发明提供了一种基于暗原色通道先验的雾效数字滤镜方法，针对现有模型的局限性提出了解决方案，并以透视感这一概念为基础，将传统的除雾方法改为雾效滤镜，解决了现有技术的不足。通过简单人机交互不仅能去除图像中的雾霾，而且也能根据用户需要生成自然雾效。该方法仅仅需要简单的物理模型和数据计算，就能够对物理模型进行修正操作，时间上和空间上都大大減少，増加了其通用性。本发明采用的技术方案一种基于暗原色通道先验的雾效数字滤镜方法，采用大气散射模型应用于雾霾天气除雾的模型，并采用暗原色通道先验原理，对图像进行操作。一种基于暗原色通道先验的雾效数字滤镜方法，包括暗原色图像提取、估计大气光、透射率转换、优化补偿、雾效模拟等模块，其步骤如下
第一歩，暗原色图像提取 在图像上设置ー个滑动窗ロ，得到该窗ロ内内像素的RGB最小值并将这个窗ロ内像素值设置为该最小值；然后将窗ロ以I像素为单位移动，直至处理完整个图像，得到单通道的暗原色图像。第二步，估计大气光井修正色差使用大气光估计的方法来得到大气光井修正雾对不同顔色光散射效应的不同而造成的色差。将暗原色图像中O. I %最亮的点(即灰度值最大的点)取出，并将其对应位置的源图像中的像素点作为ー个集合O(X)，取O(X)中RGB三通道的像素最大值，根据散射定律对其进行系数修正，公式如下Imax—r = (1-ηΓ)ιηαχ(ΗΓ (y))(丄 ノImax—g =(1-η8) max (H8 (y))V Z )
& yeo(x)Imax—b =(1-r|b) max (Hb (y))Uノ其中Hlr, Hg和Hb是源图像的RGB三通道，Imax_r, Imax_g和Imax_b分别是大气光的RGB值，參数も，ng和ηb分别是RGB的修正參数。第三步，透射率转换根据步骤(2)得到大气光的RGB值，再结合暗原色通道先验原理及大气散射模型公式(4)、(5)，推导得到透射率推导公式(6)，具体如下t(x) = e_0d(x)(4)I(x) = J(x) t (X)+A (l_t (X)) (5)其中t为透射率，e是自然常数，β为透射系数，d为距离，I为源图像，J为无雾图像，A为大气光。推导透射率推导公式t(x) = l-^(6)
A其中IdaA为暗原色图，A为大气光，t为得到的粗略的透射率图。第四步，优化补偿使用引导滤波(guided filter)的方法对该透射率图进行优化。优化后对其进行天空补偿，修正暗原色通道先验原理不适用的天空等明亮区域的色差，通过人工交互的方法获取天空补偿阈值α，此阈值作为区分天空等明亮区域与实际景物的景物的分界值，利用天空补偿公式t = 2 a -t (7)对透射率图进行天空补偿，得到修正的透射率图。第五步，雾效模拟设定ー个不同雾效场景下的能见度，当不同浓度雾图像同时达到最大能见度吋，它们的透射率相同，依据公式(4)推导tn(x) = th(x)Dws"/Dws°(8)其中tn(x)和th(x)分别为模拟雾图像和源图像的透射率，Dvish和Dvisn分别为人工交互设定的源图像和模拟雾图像的能见度，再将不同雾效下的场景联系起来，根据公式(5)推导的公式
N(x) = (H(x)tn(x)-A(tn(x)-th(x)))/th(x) (9)其中N(X)是所求的模拟雾图像，H(x)是源图像，tn(x)和th(x)分别为模拟雾图像和源图像的透射率，A是大气光。将得到的有雾场景的透射率图，源图像以及源图像的透射率图代入公式(9)计算得出模拟的有雾图像。最后再对图像进行适当的曝光修饰以改善其视觉效果。本发明基于通用的大气散射的物理模型，采用基于暗原色先验的方法来求取暗原色图像，估计大气光并根据局部最小值的推导得到粗略的透射率图，利用引导滤波(guidedfilter)的方法对透射率图进行优化并进行天空补偿，进而利用透射率间的指数对应关系计算不同的透射率，从而得到不同雾效的有雾场景。
图I是本发明的方法工作流程图。 101源图像，102暗原色图像，103粗略透射率图像，104优化的透射率图像，105天空补偿后的透射率图像，106模拟雾图像的透射率图像，107模拟雾图像。图2a是能见度16000m的雾效示意图。图2b是能见度8000m的雾效示意图。图2c是能见度4000m的雾效示意图。图2d是能见度2000m的雾效示意图。图2e是能见度IOOOm的雾效示意图(原始图像)。图2f是能见度800m的雾效示意图。图2g是能见度500m的雾效示意图。图2h是能见度200m的雾效示意图。图2i是能见度IOOm的雾效示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实例，对本发明做进ー步详细说明。本发明提出了一种基于暗原色通道先验的雾效数字滤镜方法，该方法具体实施步骤首先，加载源图像101，根据大气散射模型暗原色通道先验的原理，建立ー张空白的单通道图像，采用15*15大小的滑动窗ロ，对源图像101进行运算，取窗口内像素RGB最小值，并将该最小值作为单通道图像该区域内像素值，以像素为单位移动该窗ロ进行相同运算，直至处理完整个源图像101，得到的单通道图像即为源图像的暗原色图像102 ；接着，将暗原色图像102中O. I %最亮的点(即灰度值最大的点)取出，并将其对应位置的源图像中的像素点作为ー个集合0(X)，取该集合中RGB三通道的像素最大值，根据散射定律对其进行系数修正，按照公式(I) (2) (3)进行计算(得到大气光。 Imax—r = (1-ηΓ)ιηαχ(ΗΓ (y))( I )Imax—g =(1-η )max(H8(y))VZ)
8 Υ￡θ(χ)
Imax—b =(1- ) max (Hb (y))( 3 )其中Hlr, Hg和Hb是源图像的RGB三通道，Imax_r, Imax_g和Imax_b分别是大气光的RGB值，參数も，ng和nb分别是RGB的修正參数，常用数值为O. 02，0. 01，0。)使用天空补偿的方法来修正暗原色通道先验原理不适用的天空等明亮区域的色差，通过人工交互的方法获取天空补偿阈值α，此阈值作为区分天空等明亮区域与实际景物的景物的分界值，利用天空补偿公式t = 2 a -t (4)对透射率图进行天空补偿，得到修正的透射率图；使用雾效模拟的方法来实际模拟各种不同浓度的雾(即雾效)下的场景，根据大气散射模型中公式t(x)=e-0d(x) (5)其中β是透射系数，引入能见度的概念，设定ー个不同雾效场景下的能见度，当不同浓度雾图像同时达到最大能见度时，它们的透射率相同，根据公式(5)可以得到tn(x) = th(x)Dws"/Dws°(6)其中tn(x)和th(x)分别为模拟雾图像和源图像的透射率，Dvish和Dvisn分别为人工交互设定的源图像和模拟雾图像的能见度。然后依据公式(6)进行计算得到粗略的透射率图103，用引导滤波(guided filter)的方法对粗略的透射率图进行优化得到优化的透射率图104 ；然后，再根据大气散射模型中公式I(x) = J(x) t (X)+A (1-t (X)) (7)
对优化的透射率图进行天空补偿(如果没有天空区域则设置阈值为O. I)得到补偿后的透射率图105。其中I(X)为有雾图像，J(x)为无雾图像，t(x)为透射率，A为大气光。定义源图像和需要模拟的图像的最大能见度，利用公式(8)N(x) = (H(x)tn(x)-A(tn(x)-th(x)))/th(x) (8)代入源图像和需要模拟的图像的最大能见度及补偿后的透射率图得到模拟雾图像的透射率图106 ;其中N(x)是所求的模拟雾图像，H(x)是源图像，tn(x)和th(x)分别为模拟雾图像和源图像的透射率，A是大气光；将大气光，源图像，源图像及模拟雾图像的透射率代入公式(9)，并适当的用曝光对其结果进行修饰，得到最終的模拟雾图像107。如图2a、图2b、图2c、图2d、图2e、图2f、图2g、图2h、图2i为模拟的不同雾效的图集，依次为 16000m, 8000m, 4000m, 2000m, 1000m (源图像),800m, 500m, 200m, 100m。
权利要求
1.一种基于暗原色通道先验的雾效数字滤镜方法，采用大气散射模型应用于雾霾天气除雾的模型，并采用暗原色通道先验原理，对图像进行操作；其特征包括以下步骤 第一歩，暗原色图像提取 在图像上设置ー个滑动窗ロ，得到该窗口内内像素的RGB最小值并将这个窗口内像素值设置为该最小值；然后将窗ロ以I像素为单位移动，直至处理完整个图像，得到单通道的暗原色图像； 第二步，估计大气光井修正色差 使用大气光估计的方法来得到大气光井修正雾对不同顔色光散射效应的不同而造成的色差；将暗原色图像中0. 1%最亮的点取出，并将其对应位置的源图像中的像素点作为ー个集合O (X)，取O (X)中RGB三通道的像素最大值，根据散射定律对其进行系数修正，公式如下
全文摘要
一种基于暗原色通道先验的雾效数字滤镜方法，属于计算机应用技术领域。采用大气散射模型应用于雾霾天气除雾的模型，并采用暗原色通道先验原理，对图像进行操作，包括暗原色图像提取、估计大气光、透射率转换、优化补偿、雾效模拟等步骤。本发明针对现有模型的局限性提出了解决方案，又以透视感这一概念为基础，将传统的除雾方法改为雾效滤镜，得到不同雾效的有雾/无雾场景，解决了现有技术的不足。该方法仅需要物理模型和数据计算，就能够对物理模型进行修正操作，时间上和空间上都大大减少，提高了其通用性。
文档编号G06T11/00GK102663694SQ20121009099
公开日2012年9月12日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者樊鑫, 高仁杰 申请人:大连理工大学