基于暗通道先验的单幅图像去雾改进算法

电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering计算机与多媒体技术Computer And Multimedia Technology基于暗通道原理的图像去雾算法改进倪金卉(吉林建筑科技学院吉林省长春市130114)摘要：本文基于暗通原理改进的去雾算法针对透射率细化过程比较耗时的问题，通过结合Retinex算法进行改进；针对暗通道去雾类似区域出现颜色失真、色偏效应，采用分割出天空区域在求取大气参数A,提高求取大气参数A的精度，并结合阈值法对透射率加个增幅项；针对暗通道去雾处理后的图像有偏暗的现象，采用自适应对数映射算法进行色调调整.该改进算法能较好的还原出无雾图像，并具有很好的保留边缘细节信息等特性.关键词：图像去雾；暗通道去雾；透射率；还原图像雾是十分普遍的大气现象，釆集图像时目标图像和雾被一起釆集，这种图像比无雾图像看起来朦胧模糊且伴有颜色偏灰白、对比度下降现象。

何恺名博士通过大量户外自然图像釆集实验得出，在户外自然无雾图像中，除去天空区域外，绝大多数的图像数据块中都有一些在某个色彩通道上亮度值很小的像素，并提出了暗通道先验原理模型，通过暗通道先验假设直接恢复岀无雾的图像。

但在实际应用中，利用软抠图算法来细化粗糙的透射率，会导致算法的复杂度很高。

经过大量实验对比分析，本文题提出一种基于暗通道先验原理的改进算法。

户外釆集的图像，天空区域一般在图像的中上部，利用这种特点对是否存在天空进行判断和分割。

从而避免高亮物体对大气参数求取过程的影响并提高了求取大气参数的精度。

结合Retinex算法、利用快速双边滤波器对透射率滤波从而消除Halo现象和色彩失真。

针对像素点的值接近大气光值时，对透射率加上增幅项来消除出现的色斑色块效应。

1暗通道先验原理去霧算法1.1大气散射模型在近些年计算机视觉领域，有一种得到广泛应用的雾天图像成像物理模型为：I(x)=/(/(x)+/1(1-r(x))(1)其中，I(x)为获取的有雾降质图像：J(x)为无雾的场景真实图像：A为大气参数；t(x)为透射率。

基于暗通道先验的图像去雾算法改进研究摘要：暗通道先验去雾算法求得的的透射率比较精细，去雾效果优于大多数去雾算法。

然而在暗通道求取过程中，最小值滤波的处理会使得暗色向外扩张，导致透射率扩张变大，使得去雾后的图像在边缘部分产生“光晕”现象。

为了减弱光晕效应，利用形态学理论对粗略透射率进行腐蚀处理，腐蚀掉扩张变大的透射率，然后使用容差机制修复不符合暗原色先验的明亮区域透射率，再使用引导滤波精细化透射率，最后利用去雾模型复原图像。

实验表明，改进后的算法去雾效果更佳、去雾速度更快，具有更强的鲁棒性。

关键词：暗通道先验去雾；腐蚀；引导滤波DOIDOI：10.11907/rjdk.161089中图分类号：TP312文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2016）005-0030-040 引言雾霾天气不仅影响人们的出行，也给视频监控、自动驾驶等涉及室外图像应用的领域带来了很大挑战，并引起了相关研究人员的重视，如今已出现了不少研究成果。

图像去雾的研究方法可分为两大类，基于图像增强的方法和基于物理模型的方法。

早期图像去雾研究主要利用图像处理的知识来去雾，Kim[1]提出对雾图进行局部直方图均衡处理的方法，这种方法根据每个像素的邻域对像素进行处理，可以突出图像的特征，但运算量较大，算法复杂度较高。

Land[2-3]基于色彩恒常性提出了Retinex即视网膜皮层理论，其后出现了一些基于Retinex的图像增强算法[4-6]，与其它图像增强算法相比，基于Retinex的图像增强算法处理的图像，局部对比度相对较高，色彩失真较小。

基于图像增强的去雾方法可以利用成熟的图像处理算法来增强图像的对比度，突出图像中的特征信息，但这种方法会造成图像部分信息损失，导致图像失真。

图像去雾的另一类是基于物理模型的方法，该方法研究大气悬浮颗粒对光的散射作用，通过大气散射模型来复原图像，恢复的图像效果更真实，图像信息能得到较好保存。

Narasimhan等[7]提出了雾霾天气条件下的单色大气散射模型，后来基于物理模型的方法几乎均建立在此模型之上。

基于暗原色先验图像去雾算法的研究与改进作者：王亮万舟来源：《软件》2017年第09期摘要：暗原色先验算法在单幅图像去雾方面有较好的效果，但该算法对处理器要求较高，且耗时长，很难应用于对实时性要求较高的图像去雾。

针对这一问题，提出了一种基于暗通道先验的改进算法：首先用高斯滤波替代软抠图方法消除块状效应、平滑透射率，根据给定的雾浓度系数粗略恢复无雾图像；然后增大雾的浓度系数，结合峰值信噪比和暗原色先验算法对图像进行去雾处理，最终恢复无雾图像。

与典型的去雾算法相比，改进后的算法运算量显著减少，保证去雾效果的同时计算速度明显提高。

关键词：暗原色先验；图像去雾；高斯滤波；峰值信噪比0 引言目前，无人机广泛用于航拍、交通监测、空中侦察和测绘等方面。

其轻便、机动灵活、隐蔽性强的特点，使其具有很高的应用价值，越来越受到人们的重视。

然而无人机雾天执行任务时，由于大气中气溶胶对光线的吸收和散射作用，造成无人机拍摄图像质量下降。

图像的退化和模糊使得图像中基本信息特征失真受损，导致目标识别不清。

因此，对无人机图像进行去雾技术研究意义重大。

雾天下由于从目标物体反射的光线与大气粒子的相互作用，发生折射、散射、吸收融合等光学现象，造成能量大幅衰减，感光装置接收到的光线强度发生变化，从而引起图像灰度值分布过于集中、像素间的对比度降低等。

目前无人机去雾算法主要分为两类：基于图像处理的图像增强，通过对雾化图像锐化处理提高对比度，凸显图像中的细节信息，但会造成一定的细节丢失，并不能真正地实现去雾。

该类方法主要包括gamma校正、直方图均衡、小波变换、对比度拉伸等；第二，基于物理模型的图像复原，通过对整个过程清晰的了解构建物理模型，反演退化过程，获得清晰无雾的图像。

该类方法主要包括基于偏微分方程、基于深度关系、基于先验信息等。

如基于暗通道先验的图像去雾算法，虽然能获得较好的清晰度和对比度，但该基于先验信息的方法依然存在计算复杂，明亮区域透射率估算不准确，色彩过于饱和等问题。

基于暗通道先验的图像去雾算法改进王凯;王延杰;樊博【摘要】To develop an algorithm for haze removal based on the physics model,this paper proposes an improved and fast method for single image haze removal using dark channel prior.First,we intro-duce the degraded model for describing the formation of a haze image and several algorithms based on this model.Second,we introduce the method of He’s single image haze removal using dark channel prior.The image quality of He’s method is satisfactory,but it is a time consuming method because of refining the transmission map with guide filter.We propose an optimized method based on estimating transmission by scene depth directly and the runtime of the new algorithm decreases a lot.Finally,we realize the algorithm in MATLAB and compare the runtime with the original algorithm.Results dem-onstrates that the new method provides a reliable transmission estimation and a better image quality with around 40% computation time of He’s method,and the results of haze images with sky are less halos.The optimized method execute fast and the results demonstrate the new method abilities to re-move the haze layer as well as provide a high quality transmission estimation as a byproduct of haze removal which can be used for other applications.%为了实现基于物理模型的图像复原去雾算法，文中提出了一种改进的基于暗通道先验的图像去雾算法。

关于暗通道先验图像去雾算法的改进
在社会经济高速发展的今天，人们生活水平得到不断的提高，对安全方面有了更高的需求，于是安全防护变得越来越重要，而监控是安防工作最强有力的措施，得到广泛应用。

然而在雨、雾等恶劣的天气条件下，尤其现今环境问题日益严峻，雾霾天气越来越频繁的出现，监控系统的可靠性受到巨大的挑战。

我们获得的图像会很容易会发生特征信息衰减甚至毁坏等情况，导致图像无法准确提供我们所需要的信息，成为安全防护工作中巨大的隐患，因此进行图像去雾技术的相关研究工作具有非常重大的意义。

本文详细的介绍了暗通道先验去雾算法，以及大气散射模型，透射率优化等相关知识。

并且针对暗通道先验方法对于灰白色景物、明亮的天空等一些特殊区域并不适用的缺点进行改进。

这些区域的共同特点是三个颜色通道的值都比较高，会使暗通道的值偏大影响去雾效果，于是我们采用一些有效方法将三个颜色通道的值分别降低使它们接近于零，经过这样的处理后获得三幅暗通道都非常小的图像，然后对它们进行去雾复原，最后加权求得所需要的清晰图像。

实验结果表明，该方法对带灰白色景物或天空等背景的图像去雾效果优于已有方法，并能有效的减少当下流行的暗通道先验方法在此种情况下进行去雾所出现的噪声，使视觉效果得到提升。

基于暗通道先验图像去雾的方法改进
崔冰琪;解振东;李红
【期刊名称】《信息通信》
【年(卷),期】2013(000)006
【摘要】基于暗通道先验的规律在单幅图像处理中取得了很好的效果，但是在计算较高分辨率的图像时会消耗大量的内存，而且需要很长的计算时间。

针对这一问题，文章提出通过小波变换提取图像的低频信息和高频信息。

由于有雾图像的雾气信息主要集中在低频带区域，所以只需要对低频部分进行暗通道先验去雾，再和高频信息进行重构即可恢复无雾清晰图片。

这种方法大幅减少了去雾的计算量，同时也减少了内存的消耗，而去雾效果和暗通道先验去雾差别不大。

【总页数】2页(P60-61)
【作者】崔冰琪;解振东;李红
【作者单位】成都理工大学信息科学与技术学院，四川成都610059;成都理工大学信息科学与技术学院，四川成都610059;成都理工大学信息科学与技术学院，四川成都610059
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.41
【相关文献】
1.一种改进的基于暗通道先验的图像去雾算法 [J], 包斌;李亚岗
2.基于暗通道先验的图像去雾改进 [J], 冯昕晨;穆平安
3.基于改进暗通道先验算法的图像去雾 [J], 邱清辉
4.基于改进暗通道先验的图像去雾算法 [J], 辛娇娇; 陈本豪; 郭元术; 张红丽; 高洁
5.基于暗通道先验理论的图像去雾算法改进 [J], 车雯雯;李竹林;徐雪丽
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基于暗通道先验的图像清晰化去雾算法研究基于暗通道先验的图像清晰化去雾算法研究摘要：随着计算机视觉领域的发展，图像去雾技术在许多应用中得到了广泛的应用，例如无人机拍摄、视频监控等。

而暗通道先验是一种经典的图像去雾方法，它基于图像中存在的低亮度区域。

本文针对基于暗通道先验的图像清晰化去雾算法进行了深入研究，通过实验验证了该方法的有效性。

1. 引言图像去雾是一种重要的图像增强技术，在许多应用中发挥着关键作用。

然而，由于大气散射的影响，图像可能会出现模糊、低对比度的现象。

因此，图像去雾算法的研究成为了计算机视觉领域的热点问题之一。

2. 暗通道先验原理暗通道先验是一种基于全局的图像先验知识。

它认为，在大部分的自然图像中，至少有一个通道的像素值在某些区域非常接近于零。

这一观察启发了基于暗通道先验的图像去雾算法。

3. 基于暗通道先验的图像去雾算法基于暗通道先验的图像去雾算法主要包括以下几个步骤：（1）估计全球大气光照：通过计算每个像素点在RGB三个通道上的最大值来估计全球大气光照。

（2）计算暗通道：对输入图像进行滤波操作，得到每个像素点的暗通道。

（3）估计透射率：通过计算每个像素点的暗通道除以全球大气光照，得到透射率。

（4）恢复原始图像：根据透射率和全球大气光照，对输入图像进行去雾处理，恢复清晰的图像。

4. 实验结果与分析本文通过实验对比了基于暗通道先验的图像去雾算法和其他经典的图像去雾算法。

实验结果表明，基于暗通道先验的图像去雾算法在提高图像清晰度和对比度方面具有较好的效果。

5. 算法优化尽管基于暗通道先验的图像去雾算法具有较好的效果，但仍然存在一些问题。

例如，对于包含高光和投影阴影的图像，该算法可能会导致一些伪影。

因此，对算法进行进一步的优化是有必要的。

6. 结论本文针对基于暗通道先验的图像清晰化去雾算法进行了深入研究。

通过实验验证了该方法的有效性。

然而，该算法仍然存在一些不足之处，需要进一步改进。

未来，我们可以通过结合其他图像处理技术来改进和优化该算法，提高图像去雾效果。

基于暗通道先验的图像去雾优化算法王昕;孙莹莹;孟健【摘要】暗通道先验算法虽然在单幅图像去雾方面取得了一定的效果,但是该算法运行时间较长,另外对环境光的计算不太准确,不适用于天空区域,会导致复原图像色彩失真、亮度偏暗.针对这些缺陷,本文提出一种改进的White PatchRetinex算法,对原有图像去雾算法进行优化.首先,通过改进的White Patch Retinex算法计算出环境光.其次通过暗通道先验算法获得透射率.最后根据得到的环境光和透射率,求解大气散射模型,从而得到去雾后的图像.实验结果表明,该算法不仅运行时间较短,对分辨率为600×800的图像处理时间平均为5 s左右,且能解决天空区域失真问题,去雾后的图像具有较高的亮度和对比度.【期刊名称】《液晶与显示》【年(卷),期】2016(031)005【总页数】5页(P506-510)【关键词】去雾;暗通道先验;改进的White Patch Retinex算法;引导滤波【作者】王昕;孙莹莹;孟健【作者单位】长春工业大学计算机科学与工程学院,吉林长春130012;长春工业大学计算机科学与工程学院,吉林长春130012;长春工业大学计算机科学与工程学院,吉林长春130012【正文语种】中文【中图分类】TP317.4在有雾天气条件下，大气中会漂浮着颗粒和小水滴，这些浑浊介质会对光进行吸收和散射，从而导致光学传感器捕获到的户外图像出现模糊不清，对比度下降，颜色偏灰白等退化现象，使图像失去研究及应用价值。

因此通过一些图像处理算法，对有雾图像进行去雾，恢复其清晰度、保真度和对比度，具有重要的实际意义。

目前去雾方法主要分两类：非物理模型法和物理模型法[1-3]。

非物理模型法属于图像增强范围，典型方法有直方图均衡化[4]、同态滤波[5]、Retinex算法[6-7]等。

这类方法以对比度增强为目标，只能相对地提高图像质量，并不能实现真正意义上的去雾。

收稿日期：2018-04-09修回日期：2018-06-20基金项目：军队预研基金资助项目（31511040301）作者简介：刘健（1991-），男，山西太原人，硕士研究生。

研究方向：系统工程。

*摘要：雾霾等粒子的大气散射作用会使得图像采集设备所获取的图像质量下降，影响后续工作。

基于暗原色先验理论提出一种单幅图像的去雾优化技术。

针对景深突变处出现的“白边”与“黑化”现象，提出结合最小值滤波与中值滤波的粗估计透射率优化方法。

并提出自适应限定透射率下限值的方法改善天空区域的颜色失真问题。

实验结果表明，该算法在去雾效果及自适应性方面优于对比算法。

关键词：暗原色先验，图像去雾，透射率优化，图像处理中图分类号：TP391文献标识码：ADOI ：10.3969/j.issn.1002-0640.2019.06.032引用格式：刘健，张宾，鹿超，等.基于暗原色先验的单幅图像去雾优化技术［J ］.火力与指挥控制，2019，44（6）：164-167.基于暗原色先验的单幅图像去雾优化技术*刘健1，张宾2，鹿超1，王燕燕1，邸丽霞1（1.北方自动控制技术研究所，太原030006；2.陆军装备部驻北京地区军代局驻太原地区第二军代室，太原030006）Optimized Technique of Single Image Haze Removal Based on Dark Channel PriorLIU Jian 1，ZHANG Bin 2，LU Chao 1，WANG Yan-yan 1，DI Li-xia 1（1.North Automatic Control Technology Institute ，Taiyuan 030006，China ；2.Army Equipment Department in Beijing Military Representative Office in Taiyuan District Second Military Representative Office ，Taiyuan 030006，China ）Abstract ：The atmospheric scattering of particles such as fog will make the image quality of theimage acquisition equipment decrease ，which will affect the follow -up work.Based on the theory of dark channel prior ，an image dehazing optimization technique for single image is proposed.According to the depth of mutation appear at the “white ”and “black ”phenomenon ，combining with the minimumvalue of the transmittance optimization method of coarse estimation filtering and median filtering.A method of adaptively defining the lower limit of transmittance is proposed to improve the color distortion problem in the sky region.The experimental results show that the algorithm is superior to the contrast algorithm in haze removal and self-adaptation.Key words ：dark channel prior ，image haze removal ，transmittance optimization ，image Citation format ：LIU J ，ZHANG B ，LU C ，et al.Optimized technique of single image haze removal based on dark channel prior ［J ］.Fire Control &Command Control ，2019，44（6）：164-167.0引言人所获取的绝大多数信息来自图像，图像采集在视频监控、军事侦察等领域都有所应用。

OpenCV 耦合改进暗通道先验的图像去雾算法研究王帮元（安徽经济管理学院 信息工程系，安徽 合肥，230051）摘要：在雾境下,由于大气粒子的散射作用导致图失真严重,直接影响后期图像数据的分析，因此对雾天图像进行去雾处理,以提高图像的清晰度，是非常有必要的。

而当前的图像去雾算法不稳定，当大雾天气很严重时，去雾质量较差。

对此，本文提出了基于OpenCV 耦合改进暗通道先验的图像去雾算法与实现机制。

首先分析暗通道先验理论与雾图形成模型；然后对先验理论进行改进，推算出本文的去雾公式。

最后引入OpenCV 实现机制，增强系统运行效率。

最后测试了本文机制性能，结果表明：与普通的图像去雾算法相比，在大雾天气很严重时，本文机制具有更好的去雾效果，准确还原了图像的清晰度，失真度较小。

关键词：图像去雾；暗通道先验；雾图形成模型；OpenCV ；中图分类号：TP391 文献标识码：A0 引言随着通信、电子技术、图像处理算法的蓬勃发展，视频监控、视频目标识别已运用在各个领域，并且已取得很大的发展，推动了科技和社会的前进[1]。

然而，在实际生活中，由于雾天原因，导致安全监控目标的清晰度收到破坏，严重影响了目标识别精度。

因此，图像去雾功能非常重要。

图像去雾技术成为很多大型设备或者系统正常运作的先决条件。

为了取得良好的图像去雾效果，诸多学者进行了研究，并提出了许多不同的图像去雾算法。

王一帆等人[2]提出，首先在计算暗通道函数时,定义了一类暗区域对图像边缘的低强度像素点进行描述,该区域像素点的暗原色中值取其三原色通道的最小值,以代替原来的中值滤波运算值.此滤波方法不仅能有效去除Halo 效应,而且避免了黑斑效应;然后基于大气散射物理模型定义一种伪去雾图,将其与原去雾图进行像素级融合对原图进行色度校正,实现了柔性去雾,改善了现有方法易出现过去雾的缺陷，实验结果表明该算法去雾后图像具有较好清晰度及色彩恢复度,去雾鲁棒性强.在大雾和图像色彩失真严重的情况下,仍可有效恢复图像。

基于暗通道先验的图像去雾算法改进研究作者：郭云云徐伯庆来源：《软件导刊》2017年第09期摘要：目前，基于暗通道先验原理的图像去雾能够取得较好效果，但仍存在图像景物交界处产生光晕、天空及白色物体区域去雾后色彩失真等问题。

鉴于此，提出改进的基于暗通道先验去雾算法：首先，对暗通道图进行非重叠式滤波，消除最小值滤波导致图像交界边缘产生的光晕；然后，对输入雾霾图像进行直方图分析，能够自适应获得分割天空区域的亮度阈值；再对透射率图天空区域进行像素变换，去雾后可消除颜色失真；最后，采用非线性亮度提高的方法提升去雾图像的视觉效果。

结果表明，改进算法去雾后的图像真实、天空自然。

关键词：图像去雾；暗通道原理；像素变换；天空分割DOI：10.11907/rjdk.171527中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）009-0046-04Abstract：Now， image haze removal based dark channel prior principle has acquired good effect， but there still are many problems that halo at the junction of scenery and color distortion of the sky and the white area. The improved algorithm： first compensating the dark channel image could eliminate halo at the junction of scenery caused by min filter； secondly， analysis of the haze image through its histogram could obtain brightness threshold to distinguish the sky self-adaptively；then，the pixels of transmission’s sky area are transformed， after haze removing ， color distortion is not there； finally， the nonlinear brightness increase was used to enhance visual effect of the haze removal image. Experiments show that the improved algorithm remove image haze， the image is more real， the sky is more natural.Key Words：image haze removal；dark channel prior； pixels conversion；sky division0 引言随着科技的不断进步，计算机视觉系统在人们的生活中扮演着越发重要的角色，如交通监控、目标追踪、无人机航拍等。

基于暗通道先验的图像快速去雾及增强算法研究基于暗通道先验的图像快速去雾及增强算法研究摘要：图像雾霾是影响图像质量的重要因素之一，因此去除图像中的雾霾成为图像处理领域重要的研究内容之一。

本文研究了一种基于暗通道先验的图像快速去雾及增强算法。

该算法利用了图像中存在的暗通道先验，对图像进行快速且有效的去雾处理，并同时改善图像的视觉质量。

通过实验对比及结果分析，表明本算法能够更好地去除图像中的雾霾，同时保持图像的真实性和细节信息。

1. 引言图像去雾是指通过对图像中的雾霾进行处理，使图像恢复清晰和细节丰富的过程。

在实际生活中，由于天气、环境污染等原因，图像中常常存在各种各样的雾霾，影响了图像的视觉质量和信息传递效果。

因此，研究图像去雾算法具有重要的实际意义。

2. 相关工作在过去的几十年中，学者们提出了许多图像去雾算法。

最早的一些算法主要基于物理模型，如大气散射模型。

然而，这些算法在实际应用中往往存在计算量大、时间复杂度高等问题。

近年来，基于暗通道先验的去雾算法逐渐引起了研究者的关注。

暗通道先验在大多数自然场景图像中都成立，即在图像中存在一些像素点，在任何一条从亮像素点到黑像素点的路径上，至少有一个像素点的RGB分量值非常小。

基于暗通道先验的去雾算法较之传统算法在算法复杂度和处理速度方面都具有优势。

3. 方法介绍本文提出的图像去雾算法主要基于暗通道先验和图像增强技术。

算法的具体步骤如下：(1) 暗通道估计：根据暗通道先验，估计图像中的暗通道，得到图像的全局最小值。

(2) 大气光估计：根据估计的暗通道，计算图像的大气光。

(3) 透射率估计：根据估计的暗通道和大气光，计算图像的透射率。

(4) 图像恢复：根据估计的透射率和大气光，对图像进行去雾恢复。

(5) 图像增强：对去雾后的图像进行增强处理，以提高图像的视觉质量。

4. 实验结果与分析为了验证本文算法的有效性，我们使用了多组室外和室内雾霾图像进行了实验。

实验结果表明，本文算法能够快速有效地去除图像中的雾霾，并且在保持图像真实性的同时，能够准确地保留图像的细节信息。

㊀第52卷第1期郑州大学学报(理学版)Vol.52No.1㊀2020年3月J.Zhengzhou Univ.(Nat.Sci.Ed.)Mar.2020收稿日期:2019-01-12基金项目:河南省交通厅重点项目(220024140173)㊂作者简介:辛娇娇(1995 ),女,山西临汾人,硕士研究生,主要从事图像处理研究,E-mail:915927100@;通信作者:郭元术(1962 ),男,河南信阳人,教授,主要从事通信信号处理研究,E-mail:ysguo@chd,㊂基于改进暗通道先验的图像去雾算法辛娇娇,㊀陈本豪,㊀郭元术,㊀张红丽,㊀高㊀洁(长安大学信息工程学院㊀陕西西安710000)摘要:针对暗通道先验去雾算法在含有浓雾㊁亮白㊁非均匀光照区域造成的图像失真的问题,提出了一种改进的自适应局部阈值分割和自适应参数优化相结合的去雾算法㊂首先根据暗通道先验理论运用局部阈值分割出亮白区域和非亮白区域,然后采用引导滤波将求取的原始透射率进行细化,并通过亮白区域与非亮白区域加权求取更加精准的大气光强,提高了大气光强的鲁棒性,使得该算法适用于暗通道去雾效果不好的浓雾高亮区域和非均匀光照区域㊂最后,通过雾天图像降质模型恢复出无雾图片,将该算法与几种常用的去雾算法进行比较㊂结果表明,该算法在绝大多数情况下恢复的图片清晰自然,解决了图像去雾后视觉效果不好的问题,同时也有效改善了亮白区域色彩失真的现象㊂关键词:局部阈值分割;大气光强;暗亮通道先验;图像去雾中图分类号:TP391㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀㊀文章编号:1671-6841(2020)01-0072-07DOI :10.13705/j.issn.1671-6841.20190130㊀引言计算机视觉系统如今广泛应用于各个领域,如交通监控㊁航天航空㊁医药工程等,这些应用场景都对采集的图像视觉质量要求较高㊂然而近年来,每到冬季我国的大部分地区经常出现大面积雾霾天气,恶劣天气严重影响着人们的日常出行和生产活动㊂尤其在雾霾条件下,自然光因光线在雾霾天气中被散射而使色调发生偏移[1],获取的图像因此丢失了大量细节信息,导致拍摄出的图片出现对比度低㊁细节信息丢失㊁图像失真㊁可利用价值低等问题[2-3],因此消除雾霾天气所导致的图像负面效果从而恢复出相应的无雾图像有着显著的研究意义和应用价值[4-5]㊂目前,主流的去雾方法根据原理的不同可分为两类:一类是基于图像增强的方法,例如直方图均衡化㊁Retinex 算法[6]㊁同态滤波㊁小波变换等,这类方法通过增强图像对比度,改善整体视觉效果,实现图像去雾,但是没有考虑雾天图像降质的本质问题,去雾效果不理想㊂另一类是基于物理模型的图像复原方法,例如Tan [7]根据有雾图像对比度普遍较低的先验条件使用最大化复原图像的局部对比度的方法进行去雾,得到的去雾图像存在过饱和的问题㊂Tarel [8]等假设在某个区域内,大气耗散函数逼近最大值,然后根据中值滤波估计其取值,因为在景深突变区域,中值滤波的去雾能力较弱,可能出现光晕现象㊂Fattal [9]通过独立成分分析的方法估计透射率,该方法对浓雾图像处理效果不好,而且不能处理灰度图像㊂目前,基于图像复原的主流去雾方法是基于He [10]的先验知识理论的去雾算法,根据暗通道先验理论估计出初始透射率,利用引导滤波算法优化初始透射率,从而达到去雾的目的㊂但是当图像中出现大片天空㊁浓雾㊁白色㊁非均匀光照区域时,去雾效果不好,并且大气光强有时估值过高,导致去雾后图像色度偏暗㊂针对这些问题,本文提出了一种基于暗通道先验理论,利用局部阈值分割图像和自适应参数优化相结合的去雾算法,该算法有效解决了浓雾㊁高亮㊁光照不均匀区域的去雾问题㊂同时去雾后的图像具有较好的清晰度以及较高的图像对比度,去雾鲁棒性好㊁精准性强,可有效实现去雾㊂㊀第1期辛娇娇,等:基于改进暗通道先验的图像去雾算法1㊀暗通道先验算法理论1.1㊀基于暗通道的去雾算法文献[10]通过对户外无雾图像进行大量的统计实验后,得到了一个客观的统计规律,即暗通道先验知识㊂该思想内容是:在绝大多数户外无雾图像的任意区域内,总有某些像素在某个颜色通道上有一个很小的值,这个值为0或者接近于0,称之为暗通道先验知识㊂对于暗通道的求解,首先需要将一幅彩色图像在RGB颜色空间中进行分解,并取其最小值,以便求得R㊁G㊁B三个颜色通道中最小分量通道,其公式为J dark(x)=min yɪΩ(x)(min cɪ{r,g,b}J c(y))ң0,(1)式中:c表示R㊁G㊁B三通道的某个通道;Ω(x)表示以像素为中心点的局部区域;J c(y)表示在Ω(x)区域中的某个像素值通道;J dark(x)表示暗通道值,根据前文介绍在无雾图像中暗通道值是一个很小的值,其总是接近于0或者等于0㊂不妨假设大气光强A是已知的,并且认为在局部区域内图像透射率不变,用t~(x)表示,两边取暗通道,即对两边分别取最小值可得min yɪΩ(x)(min c I c(y)Ac )=t~(x)min yɪΩ(x)(min c J c(y)Ac)+1-t~(x)㊂(2)根据暗通道先验知识,J c(y)近似为0,式(2)可变形为t~(x)=1-min yɪΩ(x)(min c I c(y)Ac),(3)其中:t~(x)为初始透射率㊂当有一定景深成像时,雾是不可避免存在的,如果去雾太彻底,反而显得不真实,这种现象被称为 空间透视 ,因此,引入一个去雾保真参数ω=0.95,于是式(3)可以表达为t~(x)=1-ωmin yɪΩ(x)(min c I c(y)Ac),(4)为了更直观地观察到去雾算法,将公式变形为J(x)=I(x)-Amax(t(x),t0)+A,(5)式(5)中,t0是为了避免透射率过小而设置的一个阈值,防止因t(x)太小而导致图像复原出现失真,经验值t0=0.1㊂根据上述暗通道先验知识,对一些有雾图像能取得较好的去雾效果,但是并不能满足所有的情况㊂文献[10]取原图所对应暗通道内前0.1%最大像素点的值作为大气光强,而当一张图像中有大面积浓雾㊁亮白㊁非均匀光照区域时,会导致大气光强估计不准确㊂因为在这些区域,其暗通道值不为0或者不接近于0,很可能这些值都会很大,所以有雾图像中的暗元素是准确获取透射率的关键,然而在处理天空区域时,由于这部分区域几乎不包含暗元素,从而导致该区域的透射率估值小㊂因此有必要针对浓雾㊁亮白㊁天空和因雾霾影响造成的非均匀光照等区域改进算法,使得其大气光强㊁传输透射率鲁棒性更强,适用范围更大,去雾效果更好㊂2㊀本文算法针对上述问题,本文提出了一种基于改进的暗通道先验的自适应局部阈值分割和参数优化的去雾算法㊂该方法通过局部阈值精准分割图像,提高大气光强获取的准确度以及加权求取透射率来达到去雾效果㊂整个算法主要分为以下步骤:利用局部阈值的方法精准分割成二值图像;通过暗亮通道图求取自适应程度更高的大气光强;将大气光强作为阈值,求取加权的透射率,再通过引导滤波算法,得到细化的透射率;最后基于雾天图像降质模型反演出去雾图像㊂2.1㊀局部阈值分割图像阈值分割方法[11]是常用的图像分割[12]方法之一,本文采用局部阈值法,即用与像素位置相关的一组阈37郑州大学学报(理学版)第52卷值对图像各区域分别进行有效分割,将图像划分为若干个小图像,先对分割的小图像进行处理,再将分割后的图像连接起来,就能有效完成整张图像的阈值分割㊂其具体步骤如下㊂1)将图像分为m 块,其中各个子块图像面积可以不相等㊂2)对每个子块图像分别计算其分割阈值㊂3)对每个子块图像分别进行阈值分割,并最终将子块合并到一起,进而完成整幅图像的分割㊂局部阈值的好处在于每个像素位置处的阈值不是固定不变的,而是由其周围邻域像素的分布来决定的,亮度较高的图像区域的二值化阈值通常会较高,亮度较低的图像区域的二值化阈值通常会较低㊂这样对于不同亮度㊁对比度㊁纹理的局部图像区域将会拥有相对应的阈值,最终有效分割出复杂背景图像的非亮白区域与亮白区域㊂2.2㊀改进的加权大气光强本文使用加权平均求取大气光强A 的方法㊂将有雾图像设为I (x ),亮白区域为L (x ),像素总数为M ,亮白区域像素数目为m ,由前文可知雾天图像的暗通道为I dark (x )=min y ɪΩ(x )(min c ɪ{r ,g ,b }I c (y )),(6)则暗通道图中的最大像素值I d _max 可表示为I d _max =max c ɪ{r ,g ,b }(I dark (x ))㊂(7)亮白区域像素通道最大值的中值L media 为L media =media [max(L (x ))],(8)改进的大气光强可表示为A =kL media +(1-k )I d _max ,(9)式中:k =m /M ,表示亮白区域的权值㊂此时求得的大气光强更加精准且鲁棒性更强㊂2.3㊀暗亮通道先验算法在本文前面内容,可以看到暗通道先验不适合大面积浓雾㊁亮白和非均匀光照区域,在这些区域中,暗通道值普遍较高,不满足暗通道先验理论㊂针对这些问题,在文献[12]的基础上提出了暗亮通道先验的算法㊂文献[13]提出了暗通道与亮通道的概念,该文献取通道的最大值,认为这些值接近于1或者等于1,称之为亮通道㊂当一幅图像中包含大面积的浓雾㊁亮白㊁非均匀光照区域时,这些区域符合上述特性,其像素通道值接近于1或者等于1㊂对于上述区域,本文提出了一种亮通道先验理论㊂根据前面内容描述的大气光强的特征,只要暗通道数值大于大气光强的区域,定义为亮通道区域,然后根据暗亮通道先验分别求得初始透射率,将这两个初始透射率进行区间判断,求得各自符合暗亮通道区域的初始透射率,同时对式两边取颜色通道最大值,可得max c (I c (y )A c )=t ~i (x )max c (J c (y )A c )+1-t ~i (x ),(10)式中各参数所表示的内容与前面提到的相同㊂然后对式(10)两边求区域最大值,并且将J light (x )ң1代入,也加入ω来保留少量的雾气来提高视觉上的真实性,可得t ~i (x )=1-ω1-max y ɪΩ(x )(max c I c (y ))1-A ㊂(11)㊀㊀将式(11)与式(4)相结合,并根据前面求得的暗亮通道先验图和大气光强,最终求得的初始透射率t dl (x )为t dl (x )=1-ωmin y ɪΩ(x )(min c I c (y ))A ,I dl (x )<A ,1-ω1-max y ɪΩ(x )(max c I c (y ))1-A ,I dl (x )ȡA ,ìîíïïïïïï(12)式中:I dl (x )为在暗亮通道图中的像素值㊂如果用初始透射率处理有雾图像,反演出来的去雾图像在边缘处会有白色雾状现象产生,并且在中间的平滑区域也会有方块效应的出现㊂所以采用引导滤波[14]算法细化初始透射率,最终恢复出的无雾图像视觉47㊀第1期辛娇娇,等:基于改进暗通道先验的图像去雾算法上更加清晰自然㊂相较于暗通道先验求取的透射率,本文改进的透射率对大片的浓雾㊁亮白㊁非均匀光照区域去雾效果大为改进㊂3㊀实验结果及性能分析实验所用软件为Matlab2016a,操作系统为64位Windows 10,硬件采用的处理器为英特尔第三代酷睿i5-3337U㊁CPU 1.80GHz㊁4.0GB 内存㊂所用引导滤波窗口大小为r =60,滤波参数为esp =10-6㊂本文将用文献[10]的算法㊁文献[9]的算法㊁文献[6]算法与本文算法进行对比实验,选取了两张图片进行去雾效果比对,如图1的(a)㊁(b)所示㊂图1㊀实验图像Figure 1㊀Experimental image3.1㊀主观分析主观分析是以观察者对图像的认知作为评价标准,主要分为两种㊂1)绝对评价:以原始图像作为参考图像,以人的肉眼观察作为评价标准㊂2)相对评价:没有原始图像作为参考图像,以其他相关去雾算法的结果和本文算法进行对比㊂最终的去雾图如图2㊁3所示㊂图2㊀高楼图像的相关去雾算法和本文算法的去雾效果对比Figure 2㊀Comparison of defogging algorithms for high building images通过图2可以看出,文献[10]的算法天空区域呈现蓝色,文献[9]的算法天空区域过亮,且建筑出现蓝色,两者都出现较为明显的失真㊂文献[6]的算法天空区域呈现暗灰色,整体图像偏暗㊂相比较而言,本文算法图片恢复较好,失真度较小,图片清晰明亮,视觉效果最好㊂通过观察图3可以得到,文献[9]算法的图像出现严重的失真,文献[10]算法和文献[6]算法去雾效果较好㊂但是文献[10]算法整体图像偏暗,文献[6]算法在水面部分和左上角建筑呈现黑色,图像出现少量失真㊂相比较而言,本文算法在去雾后最大程度保留了原有色彩,失真程度最低,视觉效果最佳㊂57郑州大学学报(理学版)第52卷图3㊀池塘图像的相关去雾算法和本文算法的去雾效果对比Figure3㊀Comparison of defogging algorithms for pond images and defogging effects of the algorithms3.2㊀客观分析主观分析因为不同的观察者㊁不同的图像类型㊁环境等有较大的感官差异,因此也需要根据客观分析对图像质量作出评价,本文将采用3种评价指标,分别是峰值信噪比㊁结构相似性㊁信息熵㊂1)峰值信噪比反映图像失真程度,其值越大,代表图像失真越小,即图像的质量越好㊂2)结构相似性的取值范围是[0,1],越接近于1,则表明二者结构相似性越高,失真也就越小,图像质量越好㊂3)对图像而言,信息熵越大,表示图像的信息量越大,即图像细节越丰富㊂图2㊁3的客观评价比较结果如表1所示㊂表1㊀图像去雾后客观评比结果Table1㊀Objective evaluation results after image defogging算法峰值信噪比信息熵结构相似性高楼图像原图 7.0388文献[6]算法13.51157.03890.8202文献[10]的算法8.7276 4.15610.4146文献[11]的算法17.33367.53980.8599本文算法22.98777.48690.9478池塘图像原图 6.2171文献[6]算法14.63117.21320.4735文献[10]的算法8.0575 1.72810.0698文献[11]的算法11.5183 6.29170.5616本文算法23.4771 6.94230.9136㊀㊀对比高楼图像去雾评价指标可以看出,本文算法的信息熵略低于文献[11]的算法,但却提供了最高的峰值信噪比和结构相似性㊂说明此图中本文算法失真程度最小,去雾效果最为真实自然,这与主观评价结果一致㊂对比池塘图像去雾评价指标可以看出,虽然本文算法的信息熵略低于文献[6]的算法,但是通过观察文献[6]的去雾图像可以看出,其牺牲了图像的失真度来保持图像的信息量㊂综合来看,本文提供了最高的峰值信噪比和结构相似性,说明此图中本文算法失真程度最小㊂6777㊀第1期辛娇娇,等:基于改进暗通道先验的图像去雾算法4　结论针对已有的去雾算法不能有效解决含有大面积浓雾㊁亮白㊁非均匀光照区域等复杂背景图像,以及大面积的高像素值带来的大气光强估值不准确的问题,本文提出了基于改进暗原色先验的局部阈值分割和自适应参数优化的去雾算法㊂该算法有效解决了原有算法不适用于大面积浓雾㊁亮白㊁非均匀光照区域和去雾后图像偏暗的问题,去雾效果良好㊁图像对比度高㊁色彩明亮㊁边缘信息保持良好且在视觉效果上更加真实自然㊂参考文献:[1]㊀禹晶,徐东彬,廖庆敏.图像去雾技术研究进展[J].中国图象图形学报,2011,16(9):1561-1576.YU J,XU D B,LIAO Q M.Image defogging:a survey[J].Journal of image and graphics,2011,16(9):1561-1576. 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专利名称：基于单幅图像的改进暗通道去雾方法专利类型：发明专利
发明人：陆恺立,任超伟,周向东
申请号：CN201810117127.X
申请日：20180206
公开号：CN108460735A
公开日：
20180828
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种基于单幅图像的改进暗通道去雾方法。

该方法是对传统的暗通道去雾算法进行改进，在不影响去雾效果的同时提升去雾算法的实时性。

本方法首先利用canny边缘检测算法提取图像内的边缘特性，然后对边缘特性作膨胀处理。

然后在求取图像暗通道的时候针对膨胀后的边缘位置部分不作处理，而对其它区域求取暗通道值。

获得暗通道图像之后，对暗通道图像进行直方图统计，并以灰度值220为阈值求取灰度值220以上的灰度平均值作为全球大气光值A。

然后利用已知的暗通道图像和全球大气光A求取粗透射率图t1，对粗透射率图进行腐蚀操作后得到精透射率图t。

最后利用输入图像和全球大气光值A、精透射率图t可以求得去雾后图像。

申请人：中国科学院光电技术研究所
地址：610209 四川省成都市双流350信箱
国籍：CN
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