基于暗通道先驗(yàn)條件圖像去霧算法

香港大學(xué)何凱明博士于2009發(fā)表了一篇論文《Single Image Haze Removal Using Dark Channel Prior 》。在文章中，何凱明博士提出了一種簡(jiǎn)單而有效的圖像先驗(yàn)暗通道消除單輸入圖像霧的算法。暗通道先驗(yàn)是一種無(wú)霧室外圖像的統(tǒng)計(jì)。這是基于一個(gè)關(guān)鍵的觀察——大多數(shù)無(wú)霧室外圖像的局部區(qū)域包含一些像素，這些像素在至少一個(gè)顏色通道（R,G,B）中的強(qiáng)度非常低。利用這一先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以直接估?jì)圖像中薄霧的厚度，并恢復(fù)高質(zhì)量的無(wú)薄霧圖像。各種室外霧霾圖像的結(jié)果表明了該方法的有效性。此外，作為除霧的副產(chǎn)物，還可以獲得高質(zhì)量的深度圖。

圖1 使用單個(gè)圖像去除薄霧。

如圖1所示，（a）為輸入霧度圖像，（b）為除霧后的圖像，（c）深度圖。

暗通道先驗(yàn)圖像去霧計(jì)算流程：

圖2 暗通道先驗(yàn)圖像去霧計(jì)算過(guò)程

1 暗通道圖像

暗通道先驗(yàn)是基于以下對(duì)無(wú)霧室外圖像的觀察：在大多數(shù)非天空斑塊中，至少有一個(gè)顏色通道在某些像素處的強(qiáng)度非常低。換句話說(shuō)，這樣一個(gè)窗口的最小強(qiáng)度值應(yīng)該很低。形式上，對(duì)于圖像j，定義：

其中jc是j的顏色通道，Ω（x）是以x為中心的一個(gè)局部窗口。觀察表明，除了天空區(qū)域，jdark的強(qiáng)度較低，如果j是無(wú)霧室外圖像，則趨向于零（jdark__>0）。稱(chēng)jdark為j的暗通道，上面的統(tǒng)計(jì)觀測(cè)或知識(shí)為暗通道先驗(yàn)。

2 透射率圖像

透射率公式推導(dǎo)過(guò)程在此不再贅述，請(qǐng)參看《Single Image Haze Removal Using Dark Channel Prior》。

實(shí)際上，即使在晴朗的日子里，大氣也不是絕對(duì)沒(méi)有任何粒子的。所以，當(dāng)我們看遠(yuǎn)處的物體時(shí)，霧仍然存在。此外，霧的存在是一個(gè)基本線索或人類(lèi)感知深度。這種現(xiàn)象叫做空中透視。如果我們徹底消除圖像中的霧，圖像可能會(huì)顯得不自然，深度感也可能會(huì)消失。所以可以選擇通過(guò)在方程中引入一個(gè)常數(shù)參數(shù)ω(0<ω≤1)，為遙遠(yuǎn)的物體保留一小部分霧：

其中t(x)為透射率，ω(0<ω≤1)為常數(shù)參數(shù)，Ω（x）是以x為中心的一個(gè)局部窗口，A^c全球大氣光強(qiáng)度，I^c觀察到的強(qiáng)度。

3 帶霧圖像去霧

圖3 去霧效果

如圖3所示，(a)為輸入霧化圖像，(b)為透射率圖，(c)為Soft Matting后的精細(xì)透射圖（d）為最終無(wú)霧圖像。

典型的t0值為0.1，由于場(chǎng)景的亮度通常不如大氣光的亮度，所以去霧后的圖像看起來(lái)很暗淡。因此，增加了J(X)的曝光以達(dá)到最佳效果。如圖3（d）是最后恢復(fù)的無(wú)霧圖像。

圖4 除霧效果

如圖4所示，頂部：輸入模糊圖像。中間：恢復(fù)無(wú)霧圖像。底部：深度圖。頂部行圖像中的紅色矩形指示的地方為自動(dòng)獲取大氣光強(qiáng)的位置。

4 matlab基于暗通道先驗(yàn)實(shí)現(xiàn)圖像去霧

圖5 實(shí)驗(yàn)圖1

圖6 實(shí)驗(yàn)圖2

圖7 實(shí)驗(yàn)圖3

Matlab 源碼：

clear all

close all

clc

w0=0.85; %0.65 乘積因子用來(lái)保留一些霧，1時(shí)完全去霧

t0=0.1;

I=imread('test1.jpg')；

Ir = I(:,:,1);

[h,w,s]=size(I);

min_I=zeros(h,w);

dark_I = zeros(h,w);

%下面取得暗影通道圖像

for i=1:h

for j=1:w

dark_I(i,j)=min(I(i,j,:));

end

end

dark_I = uint8(dark_I);

img_dark = ordfilt2(dark_I,1,ones(5,5));

Max_dark_channel=double(max(max(img_dark))) %天空亮度

dark_channel=double(img_dark);

t1=1-w0*(dark_channel/Max_dark_channel); %取得透謝分布率圖

t2=max(t1,t0);

T=uint8(t1*255);

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

I1=double(I);

J(:,:,1) = uint8((I1(:,:,1) - (1-t2)*Max_dark_channel)./t2);

J(:,:,2) = uint8((I1(:,:,2) - (1-t2)*Max_dark_channel)./t2);

J(:,:,3) =uint8((I1(:,:,3) - (1-t2)*Max_dark_channel)./t2);

figure,

set(gcf,'outerposition',get(0,'screensize'));

subplot(221),imshow(I),title('原始圖像');

subplot(222),imshow(J),title('去霧后的圖像');

subplot(223),imshow(img_dark),title('dark channnel的圖形');

subplot(224),imshow(T),title('透射率t的圖形');

imwrite(J,'wu1.jpg');

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果1

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果2

圖10 實(shí)驗(yàn)結(jié)果3