图像去雾设计报告Word文件下载.docx
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频率域法和空间域法。
空间域处理主要包括:
点处理,模块处理即领域处理。
高、低通滤波、同态滤波等等。
(2)图像复原技术
从广义上讲,图像复原是一个求逆问题,逆问题经常存在非唯一解,甚至无解。
图像复原的目的是将所观测到的退化图像恢复到退化前的原始图像,这种恢复过程在很多图像处理中的应用十分重要。
为了更好的对图像复原的理解,图1-2为图像复原的流程图:
复原
滤波器
图1-2图像复原流程图
其中g(x,y)为降质图像函数,f(x,y)为真实图像函数。
图像复原技术可以分为以下几类:
1)在给定退化模型条件下,分为无约束和有约束两大类
2)根据是否需要外界干预,分为自动和交互两大类。
3)根据处理所在的域,分为频率域和空间域。
(二)从图像增强角度去雾
基于直方图均衡化的算法以概率论为基础,用灰度变换达到图像增强的目的,是图像增强中最常用的算法之一。
直方图均衡化处理的“中心思想”是把原始图像的灰度直方图从比较集中的某个灰度区间变成在全部灰度范围内的均匀分布。
1、图像灰度直方图
定义一:
一个灰度级在范围[0,L-1]的数字图像,其直方图是个离散函数
p(rj=nk/n
n是图像的像素总数,叫思图像中第k个灰皮级的像索总数,引是滴k个灰度级,血=…丄-1。
定义二:
一个灰度级在范围[0丄-1]的数字图像,其直方图是个离散函数
P1rkI=nkk=0,1,2…丄—1
由于3的增量是1,直方图可以表示为:
P(k)=叫
即图像中不同灰度级像素的出现次数。
2、直方图变换的理论基础
设连续图像的概率分布为:
+Ar)-A(r)
P(r)二lim0<
r<
1
Ar-*0
其中r为灰度
max
P(r)dr=1
其中A为图像的面积。
均衡化过程分析:
设r和s分别表示原图像灰度级和经直方图均衡化后的图像灰度
级,为便于讨论,对r和s进行归一化,使:
°
兰乍兰丨;
对于一幅给定的图像,归一化后灰度级分布在°
乞「兰1范围内。
对[0,1]区间内的任意一个r值进行如下变换:
s=T(r)该变换式应满足条件:
(2)在兰1区间内
从s到r的反变换用下式表示
r的概率密度为◎(「);
s的概率密度可由臥)求出
啊=[皿LTJ
假定变换函数为
s=T(r)=Ipr(w)dw
」o
式中:
w是积分变量,而就是r的累积分布函数。
下图为直方图均衡化的过程,体现了“均衡”的含义:
即概率密度的均匀。
(a)是某一图像的的灰度分布
(b)是该图进行直方图均衡化后的灰度分布
图1-3图像灰度分布
给出灰度级’在图像中出现的概率密度统计在MATLA中,imhist
函数可以显示一幅图像的直方图。
其常见调用方法如下:
imhist⑴
其中I是图像矩阵,该函数返回一幅图像,显示I的直方图
通过把原图像的直方图通过变换函数修正为分布比较均匀的直方图,从而改变图像整体偏暗或整体偏亮,灰度层次不丰富的情况,这种技术叫直方图均衡化。
在MATLAB^,用于直方图均衡化的函数是histeq,它的常见调用方式如下:
J=histep(l)
其中,I为输入的原图像,J是直方图均衡化后的图像。
3、直方图均衡化的算法步骤
直方图均衡化的算法步骤如下:
1)列出原始图像和变换后图像的灰度级:
1|,二°
,h…-1,其中
是灰度级的个数;
2)统计原图像各灰度级的像素个数5;
3)计算原始图像直方图:
N为原始图像像素总个数;
4)利用灰度变换函数计算变换后的灰度值,并四舍五入:
j二INT[(L-l)P(i)+0.5].
5)确定灰度变换关系i—j,根据此将原图像的灰度值『5】」)i修正
为g(ui,ti)」统计变换后各灰度级的像素个数丐;
6)计算变换后图像的直方图:
^。
图1-4直方图均衡化示意图
4、直方图均衡化的优缺点
(1)优点:
操作相当直观并且为可逆操作,如果已知均衡化函数,那么就可以恢复原始的直方图,并且计算量也不大。
可以用于增强局部的对比度而不影响整体的对比度,直方图均衡
化通过有效地扩展常用的亮度来实现这种功能。
(2)缺点:
变换后图像的灰度级减少,某些细节消失;
某些图像,如直方图有高峰,经处理后对比度不自然的过分增强。
(二)从图像复原角度去雾
说到图像去雾,就不得不提到由何恺明博士等人提出的基于暗通道的图像去雾算法。
这个算法因其新颖的思路和理想的效果而广受关注,相关论文也曾于2009年荣获CVPR最佳论文奖,同时也是该奖设立以来,首次由亚洲学者获此殊荣。
随着大气污染的日益严重,设法改善自动获取的图像质量其意义不言而喻。
另一方面,随着数码设备的普及,消费类电子产品的市场也催生出许多新的需求,其中人们对所拍照片质量的修正和优化就是一个显而易见的需求。
首先对于有雾气象状况下的大气物理退化模型,如图1-5所示:
图1-5大气物理退化模型
通过估算参数,反演退化过程,获得退化前的场景清晰图像。
场景目标反射光强经过雾区,会受到雾霾颗粒的强散射和吸收作用,到达探测器的光强会受到影响。
1、暗通道概念
在绝大多数非天空的局部区域里,某些像素总会有至少一个颜色
通道具有很低的之。
换言之,该区域光强度的最小值诗格很小的数。
下面给暗通道一个数学定义,对于任意的输入图像J,其暗通道可以用下式表达:
](无)=min
min/(y)l
心{心]」
其中广表示彩色图像的每个通道,°
0)表示以像素工为中心的一个窗
口。
暗通道先验的理论指出
严TO
也就是说以像素点’为中心,分别取三个通道内窗口内的最小值,然
后再取三个通道的最小值作为像素点'
的暗通道的值,如图1-6所示:
图1-6取暗通道值
实际生活中造成暗原色中低通道值的因素有很多。
例如,汽车、建筑物和城市中玻璃窗户的阴影,或者是树叶、树与岩石等自然景观的投影;
色彩鲜艳的物体或表面,在RGB导三个通道中有些通道的值很低(比如绿色的草地、树木等植物,红色或黄色的花朵、果实或者叶子,或者蓝色、绿色的水面);
颜色较暗的物体或者表面,例如灰暗色的树干、石头以及路面。
总之,自然景物中到处都是阴影活着彩色,这些经无图像的暗原色总是表现出较为灰暗的状态。
暗原色先验是对户外无雾图像库的统计得出的规律。
在不包括天
空的绝大部分局部区域,总会存在一些称之为“darkpixels”的像
素,至少有一个颜色通道具备很低的强度值。
在被雾干扰的图像里,这些暗像素的强度值会被大气中的白光成分所充斥而变得较高。
2、暗通道去雾的原理
首先,在计算机视觉和计算机图形中,下述方程所描述的雾图像形成模型被广泛使用:
|f(X)=/Wt(x)+X[l-£
(x)]|
其中,‘7就是现在已经有的待去雾图像,卩:
;
-询是要恢复的无雾
图像,参数•'
是全球大气光成分,,为透射率。
现在的已知条件就是■'
,要求目标值。
根据基本的代数知识可知这是一个有无数解的方程。
只有在一些先验信息基础上才能求出定解。
将上式稍作处理,变形为下式:
首先假设在每一个窗口内透射率,(工)为常数,将其定义为,
并且川直已经给定,然后对上式两边求两次最小值运算,得到下式:
[弘)]-
min—一二t(x)minmin
「Al\[c
根据前述的暗原色先验理论有:
严"
(X)二min
min/(y)
二0
衣{咽力]J
可推导出
min
=0
&
bd
把结论带回原式中,得到:
二1■min
.i(x)
nun
yctl(x'
)
£
Ac
这就是透射率'
的预估值
透射率还可表示为4对二为大气的散射系数,该式表明景物光线是随着景物深度:
按指数衰减的。
在现实生活中,即便是晴天白云,空气中也存在着一些颗粒,因
此,看远处的物体还是能感觉到雾的影响。
此外,无得存在让人感到景深的存在,有必要在去雾的时候保留一定程度的雾。
这可以通过在
上式中引入一个在[0,1]之间的因子来实现,则上式修正为:
t(x)-1-wmin
'
•广⑴]
min——
ytQ(x)
■d
上述推论中都是假设全球大气光卜值是已知的,在实际中,可以借助暗通道图来从有雾图像中获取该值。
具体步骤大致为:
1)首先从暗通道图中按照亮度的大小提取最亮的前0.1%像素;
2)在原始有雾图像'
中寻找对应位置上的具有最高亮度的点的值,并
以此作为4的值。
当考虑投射图上值很小时,会导致/的值偏大,
从而使图像整体向白场过渡,因此一般可以设置一个阈值4,当值
小于山时,令'
5。
因此,最终的图像恢复公式如下:
1(^-A
J(X)—rY+A
当透射率图过于粗糙时,对应暗通道图中颜色较深的部分边缘明显不协调,为了获得更为精细的透射率图,何凯明提出了“soft
matting”方法,能得到非常细腻的结果,但是该算法的一个致命弱点就是速度慢,所以何在利用导向滤波的方式来获得较好的透射率图过程中使用简单的盒子滤波相应的快速算法。
五、设计步骤
(一)基于直方图均衡化的图像去雾算法1、转换为灰度图像后对图像进行直方图均衡
由于直方图均衡仅限于灰度图像,所以我们将输入的RGB图像先
转变为灰度图像,再进行图像增强。
简要过程如图2-1所示。
图2-1RGB转灰度图像进行直方图均衡化过程
(1)读入图像,将彩色图像进行降维转换成灰度图像;
(2)对灰度图像的直方图进行均衡化处理;
(3)输出均衡化后的灰色图像。
接下来我们考虑想要得到彩色图像,于是从不同空间对图像进行
均衡化处理。
2、在RGB空间对图像进行直方图均衡(流程如图2-2)
(1)读入图像,将图像存储于RGB空间;
(2)分别对RGB空间的R、GB三个分量的灰度直方图进行均衡化
处理;
(3)输出图像
图2-2在RGB空间对图像进行直方图均衡
3、在HSV空间对图像进行直方图均衡(流程如图2-3)
(1)读入图像,将图像由RGB空间转换到HSV空间;
(2)对HSV空间饱和度和亮度分量(S、V分量)的灰度直方图进行
均衡化处理;
(3)将图像由HSV空间转换到RGB空间并输出。
输入彩色團像
图2-3在HSI空间对图像进行直方图均衡
4、在YCrCb空间对图像进行直方图均衡(流程如图2-4)
(1)读入图像,将图像由RGB空间转换到YCrCb空间;
(2)对YCrCb空间亮度分量(Y分量)的灰度直方图进行均衡化处
理;
(3)将图像由YCrCb空间转换到RGB空间并输出图像。
(二)基于暗通道先验的图像去雾算法
根据何凯明的暗通道先验算法原理,大致的流程如图2-6所示
图2-6暗通道先验过程图
(1)根据原始有雾图像求暗通道
用for循环求出每个像素RG盼量中的最小值,存入一副和原始图像大小相同的灰度图中,然后再对这副灰度图使用ordfilt2进行最小值滤波,滤波的半径由窗口大小决定。
(2)求解全局大气光照
根据原理应该选择暗通道丿”"
内图像总像素点个数千分之一个最亮的像素点,并记录这些像素点坐标,再根据这些点的坐标分别在原图像I的三个通道内找到这些像素点并加和。
考虑到这个思路在MATLAB^现中在寻找这些像素点时,会找到不止1000点,因为在图像中有很多值相等的像素点;
为了方便计算,在求】时取最亮值的点集中的某一个点。
首先设定原始程序中去雾系数仁=,根据公式先对透射率有一个预估;
接下来利用导向滤波(GuidedFilter)来对透射率图。
以原始图像的其中一个通道为引导图,使得透射率图的细节更加准确。
而为了提高计算速度,在导向滤波中使用盒子滤波器(Boxfilter),其本质是通过下采样减少像素点,计算后再进行上采样恢复到原有的尺寸大小。
(4)求解无雾图像
根据公式
max[t(xXt0]
求解出去雾的图像即可。
在初始程序中采用501
六、设计结果与分析
为标准计算。
(一)基于直方图均衡化的图像去雾算法
直方图均衡化是图像增强中的一种常用方法,该算法以概率论为基础,基于空间不变思想,运用灰度运算来实现直方图的变换,从而达到增强图像的目的,更适合于景物深度变化很小的图像。
分为全局直方图均衡化算法和局部直方图均衡化算法(在本次实验中局部均衡方法去雾效果比较差,所以不对该方法进行赘述)。
全局直方图均衡化算法实现简单,对单景深图像的复原效果较
好,但对于场景深度多变的图像的复原效果好,但是对于场景深度多变的额图像,这种方法就很难反映图像中局部景物深度的变化。
采用局部增强方法可以使图像的每一个区域的对比度都能得到很大的改善,但是同时这种方法也将灰度变化缓慢的区域,如天空等也进行了误增强,从而导致景物影像因许多噪声的干扰而表现得不自然。
原始有雾图像如图3-1所示
(a)有雾图像1
(b)有雾图像2
图3-1有雾图像
对全局均衡结果图的效果进行分析(程序zft.m):
对有雾图像RGBS道进行均衡化处理后融合的图像效果最好,
晰度较高,且颜色较符合地物颜色,但天空处有较多的块状噪声,且树叶产生了较大的畸变,结果如图3-1。
图3-2对RGB®
道进行均衡化结果及其直方图前后对比
将只对HSI空间的亮度分量[I通道]和对HSI空间的亮度、饱和度分量[I、S通道]进行均衡化,通道进行的均衡化处理的图像颜色
对比度明显发生的变化,第二种颜色过于鲜艳而发生畸变,第一种较
RGB匀衡方式的颜色对比度较差,且树叶处畸变较差结果如图3-3
图3-3对HSI通道进行均衡化处理结果
3600
:
ECD
25CD
2DO0
1500
WQ
d
G
0010.2曲2C-40.5060.TOS0®
图3-4对HSI通道进行均衡化前后结果对比及其直方图
对丫CrCb空间的亮度分量[Y通道]进行均衡处理,所得图像在天空处处理的较差,有大片空白,但是对于树叶的处理较其他几种方式
都好,结果如图3-5。
*CbCr
图3-6对YCrCb通道进行均衡化结果前后对比及其直方图
当考虑将RGB图像转变为灰度图像在进行直方图均衡化的结果
如图3-7所示,
图3-8对灰度进行均衡化结果前后对比及其直方图
如果忽略灰度图直方图均衡化的视觉效果问题,在去雾效果方面
灰度变换的结果还是比较好的
接着再使用有雾图像2的直方图均衡化,结果如图3-9所示,
¥
CbCf
由于有雾图像2在前景处没有雾的影响,在整体图像增强后虽然也起到了一定去雾的目的,但是图像效果不太好。
总的来说,直方图均衡化的方法对灰度变化不大的树叶和天空处理效果较差,但是对于建筑物等灰度变化较大的区域效果还是不错的。
直方图均衡化通过使用累积函数对灰度值进行“调整”以实现对比度的增强。
具体说来,即把原图像对应的灰度直方图从比较集中的灰度区间通过一定的转换变成在全部灰度范围内的均匀分布。
就是对图像进行非线性拉伸,重新分配图像像素值,使一定灰度范围内的像素数量大致相同。
通过使用累积函数对灰度值进行“调整”以实现对比度的增强,一定程度上使暗的地方更暗、亮的地方更亮,从而在视觉上达到去雾的效果。
但是上面的去雾效果仅仅局限于灰度图片,而不能直接对彩色图像进行处理。
经过上述直方图处理后,达到均衡化图像的目的,但是图像会在原图基础上失真,即整幅图像的颜色发生改变,有时会严重
偏离去雾的初衷。
1、实验过程结果图
形成暗髡:
取百閣嗦,隸溝育口!
?
y
图4-1有雾图像1的暗通道图像
睛通适」滤淤半径9勺
图4-2有雾图像2的暗通道图像
通过两幅图的暗通道图像尤其是有雾图像2中可以看出在近距离的树叶处非常的暗,通过该暗通道图像去估算大气光照和透射率,建立模型就可以很好地在去雾的同时尽可能保留无雾区域的特征细节。
求解有图像1和2的大气光照数A:
翕令行自口®
肩口®
图4-3图像1的透射率图
透射率囹‘滤谨半轻9勺
图4-4图像2的透射率图
通过两幅图像透射率图可以看出利用导向滤波函数求得的透射
率图像较为精细,也符合大气物理退化模型中的情况
图4-5图像1的去雾图像
有雾图像1的去雾结果相较于使用直方图均衡化中效果最好的对于RGB通道进行直方图均衡化处理结果来说,去雾的程度更大,颜色更加真实,特征细节处的保持的也较好。
去雾后的图像会比原始的暗,因此在处理完后最好进行一定的曝光增强,但由于视觉上的效果还不错,我们选择不进行其他操作以免影响去雾效果的观察。
图4-6图像2的去雾图像
图4-6更加能够突出暗通道先验算法去雾的优点,对于无雾区域的处理将区别于有雾区域,可以减小本身不需要去雾图像区域的改变。
2、影响暗通道先验算法去雾效果的参数研究
0.95
计算的标准参数值如下表所示:
1去雾系数3
2滤波窗口大小(形成暗通道的滤波半径)r9
3透射率窗口大小(导向半径)R
4透射率下限值5
5eps
(1)去雾系数3
t(x)=1-min
[.%)]
ydl(x)
b
粗透射率为
•越大,去雾程度越大,图像对比度显得越暗;
反之'
越小,去
雾越不彻底,图像越泛白。
一般取we(090.98)。
图4-7图像1的去雾前图像
去零后|=知,*0=0.96,谑泼窗匚I舸
图4-8图像1的参数(r=80,w0=0.95,滤波窗口9*9)去雾后图像
去垂后r=aa.74)=0.85L遥遽高口9包
图4-9图像1的参数(r=80,w0=0.85,滤波窗口9*9)去雾后图像
去丢腔r=30.x^o.a,IS迪窗口卿
图4-10图像1的参数(r=80,w0=0.80,滤波窗口9*9)去雾后图像
去雾前
去雾后r=30,0=0.35滤遊窗口9予
去奚后f80.v4J=0.E5.滤液窗口9呼
去靈后r=90.w0=0.75滤泯窗口亦
图4-11图像1、2去雾前后对比图像
(2)滤波窗口大小x
x越小,选取的细节越多,暗通道构建越细致,使得最终去雾效果越明显;
但也由于其包含暗通道的概率越大,暗通道也就越黑,所得去雾图像越暗;
x越大,选取的细节少,暗通道构建越粗糙,导致最终图像越泛白,即去雾的效果越不明显。
图4-12图像1改变滤波窗口去雾前后对比图像
图4-14图像2改变滤波窗口去雾前后对比图像
(3)透射率窗口大小(导向半径)R
当R比较小的时候,在透射率图中基本看不到什么细节信息,因此恢复处的图像边缘处不明显,呈现明显的有雾边界,有点类似于软
抠图不精确的后果。
如下图所示:
6口卑郢部■S6OM'
D2J导■莖辛
生的口凰寢鄂-'
銷匚二酗m■莹辛
图4-16图像1(导向半径r=80)去雾图
云霉后7.皿旳站"
痣邀窗」g^
图4-17图像(导向半径r=8)去雾图
去露E1=15,皿=0晒滤浪琶口
图4-18图像2(导向半径r=16)去雾图
直養后1=心.,3的谑说啬口旷9
图4-19图像2(导向半径r=40)去雾图
去31厉r-eo.祕MJ.95.淀逋啬口弓勺
图4-20图像2(导向半径r=16)去雾图
由图分析,建议这个R的取值不小于进行最小值滤波的半径的4倍,如此次实验所取的为最小滤波窗口9*9(即滤波半径为4),R即取大于16的值会使得去雾时边缘能够过渡得好些,提升最终去雾效果。
3、该算法的不足
对于提供的两幅有雾图像进行去雾完成后,当改用其他图像验证算法时发现了该算法存在的问题。
对于大面积天空的有雾图像或者大面积雪景的有雾图像,去雾效果很差,出现的颜色偏移过多:
图4-21雪景图像去雾
对于有大面积天空区域的有雾图像,在天空中的部分,去雾效果几乎没有,雾的现象仍然很严重。
在非天空区域,建筑物部分,仍可以完成去雾的。
但是经过暗通道去雾后,出现颜色偏移,雪变成了紫色的。
这是由于当取景对象在较大范围内和天空接近并且没有阴影覆盖的时候,暗原色的猜想不成立。
(三)对比两种去雾算法
直方图均衡化
暗通道先验
优点
对去雾图像没有要求
不仅在物理上有效,而且能够处理包括在雾浓度很大情况下的远距离物体;
可以减小无雾区域的变样
缺点
去雾后的图像或为灰色图像或产生颜色失真,去
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