一種結合暗通道先驗原理的偏振成像去霧方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學和圖像處理領域，具體來說，涉及一種結合暗通道先驗原理的偏 振成像去霧方法，用于霧霾、煙塵、水汽等環境下視覺設備圖像質量的改善。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著人類社會的發展，環境污染和氣候變化導致的煙、霧、霾等氣候環境 越來越頻繁，給人們的生活造成了諸多不便，例如場景能見度的大大降低增加了觀測困難。 增強煙、霧、霾天氣環境下目標成像對比度、提高能見度的去霧成像技術在軍用和民用領域 都具有非常重要的應用價值。因此，對圖像進行可視性的有效去霧降噪成為一項關鍵技術， 也是光電顯示和圖像處理領域的一個研究熱點。
[0003] 現行的圖像去霧技術主要分為計算機視覺技術和物理模型復原技術兩大類。基于 圖像增強的計算機視覺技術主要針對圖像中不清晰目標的對比度增強，而不考慮霧霾具體 的形成過程。這類方法沒有考慮霧天圖像對比度和景物深度的關系，因此對景物深度變化 比較大的圖像增強效果不理想，會造成圖像中部分信息的丟失。基于物理模型復原的去霧 技術是先對大氣參數和透射率進行估計，然后根據成像模型來恢復原始圖像。此類方法能 夠較好地處理復雜場景中霧霾的影響，但是算法復雜、運算量很大、耗時長，難以滿足實時 去霧處理的要求。
[0004] He 等在 IEEE TRANSACTIONS ON PATTERN ANALYSIS AND MACHINE INTELLIGENCE 上發表的 "Single Image Haze Removal Using Dark Channel Prior" 中提出了一種基于 暗通道先驗原理的去霧方法，該方法用暗像素來直接評估霧中目標信息，能夠得到更為準 確的大氣散射光信息，恢復出的圖像質量較理想，但是需要對整幅圖像進行軟摳圖處理，計 算量非常大。基于線偏振Stokes矢量偏振成像的去霧技術在成本和算法適應性方面均具 有優勢，除能保留圖像原有的細節信息外，還因其處理時間短，適用于實時去霧成像系統。
【發明內容】
[0005] 本發明所要解決的問題是提供一種結合暗通道先驗原理的偏振成像去霧方法，它 通過簡單的算法能夠得到相對更準確的大氣信息估算結果，從而獲得清晰的去霧圖像。
[0006] 本發明采取的技術解決方案是提供一種結合暗通道先驗原理的偏振成像去霧方 法，其特別之處在于，包含以下步驟：
[0007] (1)采用偏振成像的方法對目標場景成像，獲得多幅偏振圖像，通過計算得到成像 場景的線偏振Stokes矢量，相應地得到總光強圖像，其中，總光強包括目標光光強和大氣 散射光光強；
[0008] (2)基于暗通道先驗原理從總光強圖像中選取能夠估算大氣散射光信息的區域， 并在該區域估算得到大氣散射光偏振度、偏振角和無窮遠處大氣散射光光強；
[0009] (3)根據估算的大氣散射光偏振度和偏振角計算整幅圖像各像素點的大氣散射光 光強，結合步驟（2)所估算的無窮遠處大氣散射光光強，依據偏振去霧成像的物理模型，計 算去霧后的目標光光強，得到去霧后的圖像；
[0010] (4)利用灰度熵函數對所得到的去霧后圖像進行像質評價，自動優化無窮遠處大 氣散射光光強偏置系數，獲得效果最好的去霧圖像。
[0011] 上述步驟（1)中獲得的多幅偏振圖像為四幅或三幅，當為四幅時偏振片透光軸方 向分別為0°、45°、90°和135° ;當為三幅時偏振片透光軸方向分別為0°、45°和90°。
[0012] 當偏振圖像為四幅時，上步驟（2)中的估算無窮遠處大氣散射光光強六"的計算步 驟如下：
[0013] Al.通過偏振成像技術對目標場景進行成像，獲得四幅偏振圖像，四幅圖像的光強 分別記為 I (0)、I (45)、I (90)和 I (135);
[0014] A2.基于得到的四個偏振圖像的光強，計算得到線偏振Stokes矢量，
[0015] S0= 1(0)+1(90)
[0016] S1= 1(0)-1(90), (1)
[0017] S2= 1 (45)-1 (135)
[0018] 其中，S。為探測器得到的總光強，S JP S 2為偏振光光強；
[0019] A3.利用暗通道先驗原理從探測器得到的總光強S。的圖像中重構暗通道圖像；對 于任意輸入圖像I，其暗通道可表示為：
[0020]
(2)
[0021] 其中，Γ表示彩色圖像的每個顏色通道，Ω (X)表示以像素X為中心的一個窗口； 即首先選取各個像素在R、G、B三個顏色通道中的強度最小值，重構一幅灰度圖像，然后對 該灰度圖像進行最小值濾波，最終重構得到暗通道的圖像；從得到的暗通道圖像選出強度 從大到小前0. 1 %的像素，記下其坐標位置，在總光強S。圖像里按坐標找出對應的像素群， 從該像素群中找出大氣散射光光強最大值的像素，求得在該像素周圍一個窗口中所有像素 的強度平均值i，若該窗口中所有像素點大氣散射光光強滿足關系式I Jid-I I < &則認為 無窮遠處大氣散射光光強六"近似等于A的值；若該點不滿足關系式I Juj-Z I <&則取下 一個最大強度進行判斷，直到滿足該關系式的像素點出現；公式中S是強度閾值，A1^是以 大氣散射光光強最大值像素點為中心的窗口內每個像素點強度；
[0022] A4.給無窮遠處大氣散射光光強A"引入一個偏置系數ε，其中ε >1， 用來修正去霧后圖像過亮的問題。
[0023] 當偏振圖像為三幅時，上述步驟（2)中的估算無窮遠處大氣散射光光強Α"的計算 步驟可以如下：
[0024] Al.通過偏振成像技術對目標場景進行成像，獲得三幅偏振圖像，三幅圖像的光強 分別記為 I (〇)、I (45)、I (90);
[0025] A2.基于得到的三個偏振圖像的光強，計算得到線偏振Stokes矢量，
[0026] S0= 1(0)+1(90)
[0027] S1= 1(0)-1(90), (3)
[0028] S2= 21 (45)-S0
[0029] 其中，S。為探測器得到的總光強，S JP S 2為偏振光光強；
[0030] A3.利用暗通道先驗原理從探測器得到的總光強S。的圖像中重構暗通道圖像；對 于任意輸入圖像I，其暗通道可表示為：
[0031]
(2)
[0032] 其中，Γ表示彩色圖像的每個顏色通道，Ω (X)表示以像素X為中心的一個窗口； 即首先選取各個像素在R、G、B三個顏色通道中的強度最小值，重構一幅灰度圖像，然后對 該灰度圖像進行最小值濾波，最終重構得到暗通道的圖像；從得到的暗通道圖像選出強度 從大到小前0. 1 %的像素，記下其坐標位置，在總光強S。圖像里按坐標找出對應的像素群， 從該像素群中找出大氣散射光光強最大值的像素，求得在該像素周圍一個窗口中所有像素 的強度平均值J:，若該窗口中所有像素點大氣散射光光強滿足關系式I I <&則認 為無窮遠處大氣散射光光強a"近似等于；J的值；若該點不滿足關系式I Wu-:? I < &則取 下一個最大強度進行判斷，直到滿足該關系式的像素點出現；公式中S是強度閾值，A1^是 以大氣散射光光強最大值像素點為中心的窗口內每個像素點強度；
[0033] A4.給無窮遠處大氣散射光光強A"引入一個偏置系數ε，其中ε>1，即3二 用來修正去霧后圖像過亮的問題。
[0034] 上述步驟（3)中計算大氣散射光光強的步驟如下：
[0035] BI.根據暗通道先驗原理選取出來的估算Α"的區域，計算大氣散射光的偏振角和 偏振度；由于該區域不含目標光信息，因此計算得到該區域的各像素點偏振度和偏振角即 為大氣散射光的偏振角％和偏振度ρ Α:
[0036] (4)
[0037] (5)：
[0038] ，Sli^P S 2Ω分別代表選出來的估算A "的區域的線偏振Stokes矢量；
[0039] Β2.大氣散射光是部分偏振光，假設目標反射光是非偏振光，則探測器接收到的偏 振光只是來自于大氣散射光；利用線偏振Stokes矢量，可以計算得到圖像各像素點的偏振 度，即
[0040]
(6)
[0041] 定義0°和90°偏振方向分別為X和y方向，有Apx= ApCos2 Θ A，Apy= ApSin2 θ A， 其中ApdP A 別為大氣散射光偏振部分在x和y方向的光強，A p為大氣散射光偏振部 分的光強；非偏振光經過偏振片后強度變為原來的一半，即Sid(I-P)/2 ;因此又有X方向 大氣散射光偏振部分光強Apx= I (O)-S 〇(1-ρ)/2，y方向大氣散射光偏振部分光強Apy = I (90)-S〇(l-p)/2,所以大氣散射光偏振部分光強Ap可以表不為：
[0042]
(7)
[0043] B3.大氣散射光偏振度pA= A P/A，因此可以由以下關