一种雾天图像重构方法及系统与流程
本发明涉及目标探测技术领域，特别是涉及一种雾天图像重构方法及系统。
背景技术：
大多数的室外视觉系统需要清晰准确的提取图像特征，但视觉系统对天气条件非常敏感，尤其是雾天条件下。由于场景点辐射的光能受到大气粒子的散射作用，导致系统性能大幅度下降甚至无法工作，采集的图像特征衰减严重，这极大地限制和影响了系统效用的发挥。因此，为了使系统具备在恶劣天气下工作的鲁棒性和可靠性，有必要对雾天降质图像进行去雾处理。
雾天天气下图像退化的原因主要包括两个方面：一是目标本身光强由于受到大气中悬浮粒子的吸收和散射作用，它通常会降低图像亮度，造成图像的对比度下降；二是太阳光、天空光等环境光照受到大气粒子的散射作用而形成杂散光，它通常会使图像模糊，造成图像色彩不自然。针对这两个主要的原因，构建出雾天偏振成像模型。
现有技术中，虽然对从雾天图像中重构出无雾图像做了大量的研究，但是在重构无雾目标图像时只考虑大气光的偏振特性，未考虑目标光的偏振特性，从而导致对大气光的确定存在一定的误差。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种雾天图像重构方法及系统，综合考虑目标光的偏振特性和大气光的偏振特性，从而提高图像的清晰度。
为实现上述目的，本发明提供了一种雾天图像重构方法，包括以下步骤：
获取雾天条件下多个不同偏振角度下的目标偏振图像；
根据多个所述目标偏振图像确定原雾天目标图像及分别与各所述目标偏振图像一一对应的大气光偏振图像；
根据多个所述大气光偏振图像确定大气光偏振度图像和大气光强差分值；
根据亮通道先验规律确定无穷远处大气光强值图像；
根据所述原雾天目标图像、所述大气光偏振度图像、所述大气光强差分值及所述无穷远处大气光强值图像确定无雾目标图像。
可选的，所述根据多个所述目标偏振图像确定原雾天目标图像及分别与各所述目标偏振图像一一对应的大气光偏振图像，具体步骤包括：
根据多个所述目标偏振图像和光强公式确定原雾天目标图像；
采用最小算子处理公式对多个所述目标偏振图像进行最小算子处理，确定多个与所述目标偏振图像一一对应的暗原色偏振图像；
采用中值滤波公式对多个所述暗原色偏振图像进行滤波处理，确定多个与所述暗原色偏振图像一一对应的大气光偏振图像。
可选的，所述光强公式为：
i+qcos2θ+usin2θ＝2iθ(1)；
其中，θ为不同偏振角度；i为原雾天目标图像；q为0°～90°方向上线偏振光的分量之差；u为45°与135°方向上线偏振光分量之差；
所述最小算子处理公式为：
其中，x为图像中某一像素点；y＝ω(x)为以x为中心的局部区域；iθ(x)为不同偏振角度对应的目标偏振图像；
所述中值滤波公式为：
其中，median()为中值滤波器；λ为控制参数；iaθ(x)为不同偏振角度对应的大气光偏振图像。
可选的，所述根据多个所述大气光偏振图像确定大气光偏振度和大气光强差分值，具体步骤包括：
根据多个所述大气光偏振图像确定大气光的斯托克斯矢量；
根据所述大气光的斯托克斯矢量确定大气光偏振度图像；
根据多个所述大气光偏振图像确定最大大气光强值和最小大气光强值；
根据所述最大大气光强值、所述最小大气光强值确定大气光强差分值。
可选的，所述根据所述大气光的斯托克斯矢量确定大气光偏振度图像的具体公式为：
其中，pa为大气光偏振度图像；ia为大气光图像；qa为0°～90°线偏振光分量之差；ua为45°与135°线偏振光分量之差。
可选的，所述根据所述原雾天目标图像、所述大气光偏振度图像、所述大气光强差分值、所述无穷远处大气光强值图像确定无雾目标图像的具体公式为：
j＝a∞(ipa-δa)/(a∞pa-δa)(7)；
其中，a∞为无穷远处大气光强值图像；i为原雾天目标图像；δa为大气光强差分值；j为无雾目标图像。
本发明还提供了一种雾天图像重构系统，所述系统包括：
获取模块，用于获取雾天条件下多个不同偏振角度下的目标偏振图像；
第一确定模块，用于根据多个所述目标偏振图像确定原雾天目标图像及分别与各所述目标偏振图像一一对应的大气光偏振图像；
第二确定模块，用于根据多个所述大气光偏振图像确定大气光偏振度图像和大气光强差分值；
第三确定模块，用于根据亮通道先验规律确定无穷远处大气光强值图像；
第四确定模块，用于根据所述原雾天目标图像、所述大气光偏振度图像、所述大气光强差分值及所述无穷远处大气光强值图像确定无雾目标图像。
可选的，所述第一确定模块具体包括：
原雾天目标图像确定单元，用于根据多个所述目标偏振图像和光强公式确定原雾天目标图像；
暗原色偏振图像确定单元，用于采用最小算子处理公式对多个所述目标偏振图像进行最小算子处理，确定多个与所述目标偏振图像一一对应的暗原色偏振图像；
大气光偏振图像确定单元，用于采用中值滤波公式对多个所述暗原色偏振图像进行滤波处理，确定多个与所述暗原色偏振图像一一对应的大气光偏振图像。
可选的，所述第二确定模块具体包括：
斯托克斯矢量确定单元，用于根据多个所述大气光偏振图像确定大气光的斯托克斯矢量；
大气光偏振度图像确定单元，用于根据所述大气光的斯托克斯矢量确定大气光偏振度图像；
最大、最小值确定单元，用于根据多个所述大气光偏振图像确定最大大气光强值和最小大气光强值；
大气光强差分值确定单元，用于根据所述最大大气光强值、所述最小大气光强值确定大气光强差分值。
可选的，所述第四确定模块的具体公式为：
j＝a∞(ipa-δa)/(a∞pa-δa)(7)；
其中，a∞为无穷远处大气光强值图像；i为原雾天目标图像；δa为大气光强差分值；j为无雾目标图像。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1)、本发明首先获取雾天条件下多个不同偏振角度一一对应的目标偏振图像；根据多个所述目标偏振图像确定原雾天目标图像；然后，对多个所述目标偏振图像进行处理，确定所述原雾天目标图像、多个与所述目标偏振图像一一对应的大气光偏振图像、大气光偏振度图像、大气光强差分值和无穷远处大气光强值图像；最后，根据所述原雾天目标图像、所述大气光偏振度图像、所述大气光强差分值、所述无穷远处大气光强值图像确定无雾目标图像。本发明综合考虑目标光的偏振特性和大气光的偏振特性，提高了图像的清晰度。
2)、本发明采用亮通道先验规律确定无穷远处的大气光强，可以自动选取无穷远处的大气光强值，使得每一个像素点都有与之相对应的无穷远处的大气光强值，避免了人为选取的繁琐性和偶然性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图确定其他的附图。
图1为本发明实施例雾天图像重构方法的具体流程图；
图2为本发明实施例雾天图像重构系统的总体框图；
图3为本发明实施例三通道ccd相机的实物图；
图4为本发明实施例偏振相机获取的偏振角度为0°的偏振图像i0；
图5为本发明实施例偏振相机获取的偏振角度为60°的偏振图像i60；
图6为本发明实施例偏振相机获取的偏振角度为120°的偏振图像i120；
图7为本发明实施例原雾天光强图像i；
图8为本发明实施例去雾后的图像j。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所确定的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种雾天图像重构方法及系统，综合考虑目标光的偏振特性和大气光的偏振特性，从而提高图像的清晰度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例雾天图像重构方法的具体流程图，如图1所示：所述雾天图像重构方法具体包括以下步骤：
步骤100：获取雾天天气条件下不同偏振角度θ1、θ2、…、θn下的目标偏振图像iθ1、iθ2、…、iθn。
步骤200：根据多个所述目标偏振图像iθ1、iθ2、…、iθn确定原雾天目标图像i及分别与各所述目标偏振图像一一对应的大气光偏振图像
步骤201：根据多个所述目标偏振图像iθ1、iθ2、…、iθn和光强公式确定原雾天目标图像i；所述光强公式为：
i+qcos2θ+usin2θ＝2iθ(1)；
其中，θ为不同偏振角度；i为原雾天目标图像；q为0°～90°方向上线偏振光的分量之差；u为45°与135°方向上线偏振光分量之差。
步骤202：采用最小算子处理公式对多个所述目标偏振图像iθ1、iθ2、…、iθn进行最小算子处理，确定多个与所述目标偏振图像一一对应的暗原色偏振图像
其中，x为图像中某一像素点；y＝ω(x)为以x为中心的局部区域；iθ(y)为不同偏振角度对应的目标偏振图像；
步骤203：采用中值滤波公式对多个所述暗原色偏振图像
其中，median()为中值滤波器；λ为控制参数；iaθ(x)为不同偏振角度对应的大气光偏振图像。
步骤300：根据多个所述大气光偏振图像
步骤301：根据多个所述大气光偏振图像
步骤302：根据所述大气光的斯托克斯矢量sa确定多个大气光偏振度图像pa。所述根据所述大气光的斯托克斯矢量sa确定多个大气光偏振度图像pa的具体公式为：
其中，pa为大气光偏振度图像。
步骤303：根据多个所述大气光偏振图像
步骤3031：将上述获得的stokes矢量sa＝(ia、qa、ua)代入光强公式便可获得大气光强公式ia+qacos2θ+uasin2θ＝2iaθ。
步骤3032：将不同偏振角度θ代入大气光强公式，获得多个不同偏振角度θ对应的新的大气光偏振图像i′aθ。
步骤3033：根据多个不同偏振角度θ和多个与所述不同偏振角度θ对应的新的大气光偏振图像i′aθ进行曲线拟合，获得最大偏振角度θmax、最小偏振角度θmin。
步骤3034：将所述最大偏振角度θmax、最小偏振角度θmin代入大气光强公式，获得所述最大大气光强值amax和最小大气光强值amin。
步骤304：根据所述最大大气光强值amax、所述最小大气光强值amin确定大气光强差分值δa。
所述确定大气光强差分值δa的公式为：
δa＝amax-amin(5)。
步骤400：根据亮通道先验规律确定无穷远处大气光强值图像a∞。
根据亮通道先验规律利用亮通道公式确定无穷远处大气光强值图像a∞，所述亮通道公式具体为：
其中，ia(y)表示大气光图像,ibright(x)表示亮通道图像,a∞为无穷远处的大气光强值图像。
步骤500：根据所述原雾天目标图像i、所述大气光偏振度图像pa、所述大气光强差分值δa及所述无穷远处大气光强值图像a∞确定无雾目标图像。
确定无雾目标图像的具体公式为：
j＝a∞(ipa-δa)/(a∞pa-δa)(7)；
其中，a∞为无穷远处大气光强值图像；i为原雾天目标图像；δa为大气光强差分值；j为无雾目标图像。
图2为本发明实施例雾天图像重构系统的总体框图，如图2所示，所述系统包括：获取模块1、第一确定模块2、第二确定模块3、第三确定模块4、第四确定模块5。
获取模块1，用于获取雾天条件下多个不同偏振角度θ1、θ2、…、θn的目标偏振图像iθ1、iθ2、…、iθn。
第一确定模块2，用于根据多个所述目标偏振图像iθ1、iθ2、…、iθn确定原雾天目标图像i及分别与各所述目标偏振图像一一对应的大气光偏振图像
所述第一确定模块具体包括：原雾天目标图像确定单元、暗原色偏振图像确定单元、大气光偏振图像确定单元。
原雾天目标图像确定单元，用于根据多个所述目标偏振图像iθ1、iθ2、…、iθn和光强公式确定原雾天目标图像i；所述光强公式为：
i+qcos2θ+usin2θ＝2iθ(1)；
其中，θ为不同偏振角度；i为原雾天目标图像；q为0°～90°方向上线偏振光的分量之差；u为45°与135°方向上线偏振光分量之差。
暗原色偏振图像确定单元，用于采用最小算子处理公式对多个所述目标偏振图像iθ1、iθ2、…、iθn进行最小算子处理，确定多个与所述目标偏振图像一一对应的暗原色偏振图像
其中，x为图像中某一像素点；y＝ω(x)为以x为中心的局部区域；iθ(y)为不同偏振角度对应的目标偏振图像；
大气光偏振图像确定单元，用于采用中值滤波公式对多个所述暗原色偏振图像
其中，median()为中值滤波器；λ为控制参数；iaθ(x)为不同偏振角度对应的大气光偏振图像。
第二确定模块3，用于根据多个所述大气光偏振图像
斯托克斯矢量确定单元，用于根据多个所述大气光偏振图像
大气光偏振度图像确定单元，用于根据所述大气光的斯托克斯矢量sa确定多个大气光偏振度图像pa。所述根据所述大气光的斯托克斯矢量sa确定多个大气光偏振度图像pa的具体公式为：
其中，pa为大气光偏振度图像。
最大、最小值确定单元，用于根据多个所述大气光偏振图像
大气光强公式确定子单元，用于将上述获得的stokes矢量sa＝(ia、qa、ua)代入光强公式便可获得大气光强公式ia+qacos2θ+uasin2θ＝2iaθ。
新的大气光偏振图像i′aθ确定子单元，用于将不同偏振角度θ代入大气光强公式，获得多个不同偏振角度θ对应的大气光偏振图像i′aθ。
最大、最小偏振角度确定子单元，用于根据多个不同偏振角度θ和多个与所述不同偏振角度θ对应的新的大气光偏振图像i′aθ进行曲线拟合，获得最大偏振角度θmax、最小偏振角度θmin。
最大、最小大气光强值确定子单元，用于将所述最大偏振角度θmax、最小偏振角度θmin代入大气光强公式，获得所述最大大气光强值amax和最小大气光强值amin。
大气光强差分值确定单元，用于根据所述最大大气光强值amax、所述最小大气光强值amin确定大气光强差分值δa。
所述确定大气光强差分值δa的公式为：
δa＝amax-amin(5)。
第三确定模块4，用于根据亮通道先验规律确定无穷远处大气光强值图像a∞；其具体为根据亮通道先验规律利用亮通道公式确定无穷远处大气光强值图像a∞，所述亮通道公式具体为：
其中，ia(y)表示大气光图像,ibright(x)表示亮通道图像,a∞为无穷远处的大气光强值图像。
第四确定模块5，用于根据所述原雾天目标图像i、所述大气光偏振度图像pa、所述大气光强差分值δa及所述无穷远处大气光强值图像a∞确定无雾目标图像。
确定无雾目标图像的具体公式为：
j＝a∞(ipa-δa)/(a∞pa-δa)(7)；
其中，a∞为无穷远处大气光强值图像；i为原雾天目标图像；δa为大气光强差分值；j为无雾目标图像。
具体举例：
本发明采用实验室设计、搭建并标定过的三通道ccd相机获取场景目标的偏振图像，所述三通道ccd相机的波段范围是400-1000nm，分辨率为1392×1040，三通道ccd相机通过单光路下三路通道的同步测量结构，同时获取三个不同偏振角度的静、动态目标的偏振图像。
本发明采用三通道ccd相机获取雾天天气条件下三个偏振角度为0°、60°、120°的目标偏振图像i0、i60、i120。图3为本发明实施例三通道ccd相机的实物图；图4为本发明实施例偏振相机获取的偏振角度为0°的偏振图像i0；图5为本发明实施例偏振相机获取的偏振角度为60°的偏振图像i60；图6为本发明实施例偏振相机获取的偏振角度为120°的偏振图像i120；具体详见图3-6。
根据三个偏振角度为0°、60°、120°以及三个偏振角度0°、60°、120°一一对应的偏振图像i0、i60、i120代入光强公式(1)，其具体为：
其中，i表示偏振图像的总强度；q表示0°～90°线偏振光分量之差；u表示45°与135°线偏振光分量之差。
整理公式(8)后获得i为：
图7为原雾天光强图像i，具体详见图7；
将0°、60°、120°三个角度下的偏振图像i0、i60、i120利用式(2)分别进行最小值算子处理，得到3幅暗原色偏振图像
为了平滑目标的边缘轮廓，采用中值滤波公式(3)作进一步处理，得到三个偏振角度下的大气光图像
将三个偏振角度对应的大气光图像
将大气光的stokes矢量sa＝(ia,qa,ua)t代入公式(4)求解出大气光的偏振度pa
将上述获得的大气光的stokes矢量sa＝(ia、qa、ua)代入光强公式便可获得大气光强公式ia+qacos2θ+uasin2θ＝2iaθ。
将多个不同偏振角度代入大气光强公式，获得多个不同偏振角度θ对应的新的大气光偏振图像i′aθ。
根据多个不同偏振角度θ和多个与所述不同偏振角度θ对应的新的大气光偏振图像i′aθ进行曲线拟合，获得最大偏振角度θmax、最小偏振角度θmin。
将所述最大偏振角度θmax、最小偏振角度θmin代入大气光强公式，获得最大大气光强值amax和最小大气光强值amin。
将最大大气光强值amax和最小大气光强值amin代入公式(5)就可求出大气光强差分值δa。
根据公式(6)利用亮通道先验规律确定无穷远处的大气光强值a∞。
将已求原雾天目标图像i、大气光偏振度图像pa、大气光强差分值δa及无穷远处大气光强值图像a∞代入式(7)就可重构出无雾目标图像，图8为重构出的无雾目标图像，具体详见图8。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的规则及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
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