CN105825483B - 一种图像去雾霾及沙尘的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于计算机视觉技术领域，具体涉及一种图像去雾霾及沙尘的方法。本发明首先将图像变化到RGB颜色空间，得到R、G、B分量；然后通过计算和调整自适应局部对比度参数，以能在估计背景信息过程中得到最佳的背景估计；因此能在估计细节信息时得到最佳的细节信息；在设定3个不同的尺度的高斯函数时选择不同的高斯函数的模板大小，以保证增强图像能有更为丰富的颜色信息；在增强估计细节信息时选择不同的sigmod函数参数，以保证对不同图像的增强效果达到最佳；最终得到R、G和B的合成增强图像，并将其合成彩色的增强图像。本发明通过简单的参数选择，能有效的增强雾天环境，雾霾环境或者沙尘天气与雾同时存在的环境条件下获取的图像。
Description
技术领域
本发明属于计算机视觉技术领域，特别是对雾天环境，雾霾环境或者沙尘天气与雾同时存在的环境条件下获取的图像进行增强。
背景技术
雾天，雾霾天气或者沙尘天气与雾同时存在的天气严重影响人类社会活动的正常进行。如：影响室外摄影照片质量，影响交通的视频监控的画面，影响飞机起飞和降落安全，等等。而水下图像是在比雾和雾霾等极端天气环境下更为复杂的环境中获取，其图片质量也遭受到了严重的破坏。雾、雾霾和沙尘等极端环境严重影响了人的人身安全、交通安全等；而水下图像则直接关系到国家对海洋资源的勘探、开发和利用。
目前主要的图像增强方法：一类是基于大气物理模型的方法，主要是通过估计大气传播系数和大气光强度来复原图像；另一类是基于图像增强的方法，直接从图像增强的角度来提升图像质量。其中，比较经典的方法有He等在2009年提出的方法，参见文献：Kaiming He；Jian Sun；Xiaoou Tang,"Single image haze removal using dark channelprior,"Computer Vision and Pattern Recognition,2009.CVPR 2009.IEEE Conferenceon,vol.,no.,pp.20-25,June 2009。该方法首先估计一幅图像的暗通道(dark channel)，然后对暗通道进行软抠图处理(soft matting)，再估计大气光A，最后通过大气物理模型来复原图像。但是，该方法对于场景与天空相似的情况，或者对于沙尘天气与雾同时存在的图像不能很好的估计出暗通道和大气光，因此不能得到理想的复原图像。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明的目的是为了解决现有方法不能很好解决在雾天环境，雾霾环境或者沙尘天气与雾同时存在的环境条件下获取的图像的增强问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种图像去雾霾及沙尘的方法，包括如下步骤：
步骤1、将彩色图像用RGB空间表示：
将彩色图像转换到RGB空间，得到R空间分量图像、G空间分量图像和B空间分量图像，并将其除以255后定义为I，0<I≤1。
步骤2、计算自适应局部对比度参数：
预先设定一个大高斯函数和小高斯函数，其中大高斯函数的尺度波动范围为10～20,小高斯函数尺度的波动范围为0.1～2；并对这两个高斯函数做归一化处理，它们的模板大小波动范围都为3*3～10*10；
然后用步骤1得到的I与大高斯作卷积后得到的值，除以I与小高斯作卷积后得到的值，得到的结果乘以一个常数,该常数的取值范围为0.89～0.95，最终结果为自适应局部对比度参数。
步骤3、对步骤2中的得到的结果进行调整，得到调整后的自适应局部对比度参数：
如果步骤2的结果大于1.15，则设定步骤2中的该结果为1.15；如果步骤2的结果小于0.93，则设定步骤2的结果为0.93；如果步骤2的结果在0.93～1.15，则不改变。
步骤4、设定3个不同的尺度的高斯函数：
设定3个不同尺度的高斯函数，其中小尺度高斯函数的尺度波动范围为0.1～2，中尺度高斯函数的尺度波动范围为10～20，大尺度高斯函数的尺度波动范围为30～100，并且取定3个高斯函数的模板大小的波动范围均为100*100～600*600。
步骤5、计算平滑的、模糊的图像：
将步骤1得到的I分别和步骤4得到的3个不同尺度的高斯函数进行卷积处理，得到3组共9个不同的平滑的、模糊的图像。
步骤6、估计背景信息：
将步骤3得到的结果和步骤5得到的对应结果分别相乘，得到3组共9个不同的背景信息。
步骤7、估计细节信息：
将步骤1得到的I分别减去步骤6得到的结果，得到3组共9个不同的关于I的细节信息。
步骤8、增强步骤7得到的结果：
用sigmod函数来增强步骤7得到的结果，得到3组共9个不同尺度的增强图像。其中x为步骤7得到的结果，sigmod(x)为步骤8得到的结果，e是自然对数，k的取值波动范围为0.4～2，设定x0的波动范围为-0.02～0.02。
步骤9、合成增强图像：
将步骤8中得到的3组共9个不同尺度的增强图像，分别乘以都为1/3的权值，再进行加和，得到I的合成增强图像，即得到R、G、B这3个分量的合成增强图像。
步骤10、合成彩色增强图像：
将步骤9得到的结果合成为彩色图像，即完成图像去雾霾及沙尘。
本发明首先，将图像变化到RGB颜色空间，得到R、G、B分量。然后，通过步骤2和步骤3参数的简单的调整，以便对I求出最佳的自适应的局部对比度参数，以能在步骤6过程中得到最佳的背景估计，因此能在步骤7中得到最佳的细节信息。在步骤4可以选择不同的高斯函数的模板大小，以保证增强图像能有更为丰富的颜色信息。在步骤8中可以选择不同的sigmod函数参数，以保证对不同图像的增强效果达到最佳。步骤9得到R、G和B的合成增强图像，步骤10将步骤9的结果合成彩色的增强图像。
综上所述，本发明的图像增强方法通过简单的参数选择，能有效的增强雾天环境，雾霾环境或者沙尘天气与雾同时存在的环境条件下获取的图像。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
图2(a)是实施例选用的雾霾目标图像，(b)是现有技术的图像增强结果，(c)是本发明图像增强的结果。
图3(a)是实施例选用的沙尘天气与雾霾天气同时存在的目标图像，(b)是现有技术的图像增强结果，(c)是本发明图像增强的结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。
视觉系统是比现在任何图像处理系统更为智能、高效的图像处理系统；视觉神经元的感受野作为视觉系统信息处理的基本单元，它在视觉系统的信息获取、处理占有极其重要的地位。外界的视觉信息都是通过视网膜的光感受器进入视觉系统的，视网膜中的双极细胞(bipolar cell)和神经节细胞(ganglion cell)构成了视网膜信息传输的主要信息通道，它们都具有中心-外周拮抗的空间，它们能很好的去除进入视网膜信息中的冗余信息，使得信息在离开视网膜的时候是更为有效的信息；而水平细胞(horizon cell)和无足细胞(amacrine cell)的侧向作用(lateral interaction)则优化、辅助主要信息通道，其实更为有效的传播信息。正是基于上述视网膜信息处理机制，提出了本发明。
对于雾霾图像和沙尘天气与雾霾天气同时存在情况的图像，分别选择了在自然情况下拍摄的图像，如图2中的(a)和图3中的(a)。选择的对比算法来自文献：Kaiming He；Jian Sun；Xiaoou Tang,"Single image haze removal using dark channel prior,"Computer Vision and Pattern Recognition,2009.CVPR 2009.IEEE Conference on,vol.,no.,pp.20-25,June 2009，为方便描述，简单称为He。其中，He的结果分别是图2(b)和图3(b)；本发明的结果分别是图2(c)和图3(c)。具体的算法流程图如图1所示，具体过程描述如下：
步骤1、将彩色图像用RGB空间表示：
将彩色图像转换到RGB空间，得到R空间分量图像、G空间分量图像和B空间分量图像，并将其除以255后定义为I，0<I≤1。
如图3(a)是一张来自互联网的沙尘天气与雾霾天气同时存在的目标图像，它的大小是704*1200；当I代表图3(a)的R空间分量时，其中空间位置(504,618)的值为0.498，空间位置(504,615)的值为0.9059，空间位置(504,612)的值为0.7176。
步骤2、计算自适应局部对比度参数：
预先设定一个大高斯函数和小高斯函数，其中设定大高斯尺度为小高斯尺度为并对这两个高斯函数做归一化处理，分别取模板大小为9*9。用步骤1得到的I与大高斯作卷积后得到的值，除以I与小高斯作卷积后得到的值，得到的结果乘以常数0.93，得到自适应局部对比度参数。
当I代表图3(a)的R空间分量时，通过步骤2中的计算，其中空间位置(504,618)的自适应局部对比度参数为1.3476，空间位置(504,615)的自适应局部对比度参数为0.8674，空间位置(504,612)的自适应局部对比度参数为0.9635。
步骤3、对步骤2中的得到的结果进行调整，得到调整后的自适应局部对比度参数：
当I代表图3(a)的R空间分量时，其中空间位置(504,618)的自适应局部对比度参数为1.3476，该值大于1.15，因此将该值设置为1.15；空间位置(504,615)的自适应局部对比度参数为0.8674，该值小于0.93，因此将该值设置为0.93；空间位置(504,612)的自适应局部对比度参数为0.9635，该值在0.93～1.15之间，因此不对该值做处理。
步骤4、设定3个不同的尺度的高斯函数：
设定3个尺度为0.1，15和30的高斯函数，并且取定这个3个高斯函数的模板大小均为450*450。
步骤5、计算平滑的、模糊的图像：
将步骤1得到的I分别和步骤4得到的3个不同尺度的高斯函数进行卷积处理，得到3个不同的平滑的、模糊的图像。
步骤6、估计背景信息：
将步骤3得到的结果和步骤5得到的结果分别相乘，得到3个不同的背景信息。
步骤7、估计细节信息：
将步骤1得到的I分别减去步骤6得到的结果，得到3个不同的关于I图像的细节信息。
步骤8、增强步骤7得到的结果：
用sigmod函数来增强步骤7得到的结果，得到3个不同尺度的增强图像。e是自然对数，x就是步骤7得到的结果，sigmod(x)就是步骤8得到的结果。
步骤9、合成增强图像：
将步骤8中得到的3个不同尺度的增强图像，分别乘以都为1/3的权值，再进行加和，得到I的合成增强图像，即为图3(a)的R空间分量的合成增强图像。
步骤10、以I代表图3(a)的G和B空间分量，将步骤1到步骤9再分别循环2次，分别得到图3(a)的G、B这2个分量的合成增强图像。
步骤11、合成彩色增强图像：
将步骤9和步骤10得到的R、G和B分量合成增强图像合成为彩色图像。
测试结果分别如图2和图3所示，其中，图2(a)和图3(a)都为为处理的目标图像；He的处理结果分别是图2(b)和图3(b)，都是用He算法的默认参数计算得到的结果；本发明的结果分别是图2(c)和图3(c)。
其中对图2(a)、图3(a)处理时使用的相同的参数设置如下：步骤2中参数设置为大高斯函数尺度为小高斯函数尺度为它们的模板大小都为9*9，常数设置为0.93；步骤4中参数设置为3个尺度分别为0.1、15和30的高斯函数，它们的模板大小都为450*450；设定步骤8中的x0为-0.015。
对图2(a)、图3(a)处理时使用的不同的参数设置如下：其中，图2(a)在步骤8中参数设置为k为0.65；图3(a)在步骤8中参数设置为k为0.95。
Claims (2)
1.一种图像去雾霾及沙尘的方法，包括如下步骤：
步骤1、将彩色图像用RGB空间表示：
将彩色图像转换到RGB空间，得到R空间分量图像、G空间分量图像和B空间分量图像，并将其除以255后定义为I，0<I≤1；
步骤2、计算自适应局部对比度参数：
预先设定一个大高斯函数和小高斯函数，其中大高斯函数的尺度波动范围为10～20,小高斯函数尺度的波动范围为0.1～2；并对这两个高斯函数做归一化处理，它们的模板大小波动范围都为3*3～10*10；
然后用步骤1得到的I与大高斯作卷积后得到的值，除以I与小高斯作卷积后得到的值，得到的结果乘以一个常数,该常数的取值范围为0.89～0.95，最终结果为自适应局部对比度参数；
步骤3、对步骤2中的得到的结果进行调整，得到调整后的自适应局部对比度参数：
如果步骤2的结果大于1.15，则设定步骤2中的该结果为1.15；如果步骤2的结果小于0.93，则设定步骤2的结果为0.93；如果步骤2的结果在0.93～1.15，则不改变；
步骤4、设定3个不同的尺度的高斯函数：
设定3个不同尺度的高斯函数，其中小尺度高斯函数的尺度波动范围为0.1～2，中尺度高斯函数的尺度波动范围为10～20，大尺度高斯函数的尺度波动范围为30～100，并且取定3个高斯函数的模板大小的波动范围均为100*100～600*600；
步骤5、计算平滑的、模糊的图像：
将步骤1得到的I分别和步骤4得到的3个不同尺度的高斯函数进行卷积处理，得到3组共9个不同的平滑的、模糊的图像；
步骤6、估计背景信息：
将步骤3得到的结果和步骤5得到的对应结果分别相乘，得到3组共9个不同的背景信息；
步骤7、估计细节信息：
将步骤1得到的I分别减去步骤6得到的结果，得到3组共9个不同的关于I的细节信息；
步骤8、增强步骤7得到的结果：
用sigmod函数来增强步骤7得到的结果，得到3组共9个不同尺度的增强图像；
步骤9、合成增强图像：
将步骤8中得到的3组共9个不同尺度的增强图像，分别乘以都为1/3的权值，再进行加和，得到I的合成增强图像，即得到R、G、B这3个分量的合成增强图像；
步骤10、合成彩色增强图像：
将步骤9得到的结果合成为彩色图像，即完成图像去雾霾及沙尘。
2.如权利要求1所述图像去雾霾及沙尘的方法，其特征在于：所述步骤8中sigmod函数为x为步骤7得到的结果，sigmod(x)为步骤8得到的结果，e是自然对数，k的取值波动范围为0.4～2，设定x0的波动范围为-0.02～0.02。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |