歐斌娜，陳志翔，湯英文，田謙益，王風(fēng)麗

（1.閩南師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，福建漳州363000;2.數(shù)據(jù)科學(xué)與智能應(yīng)用省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建漳州363000）

能見(jiàn)度也稱氣象光學(xué)視程[1]，是指對(duì)比感閾為0.05 的視力正常人，能夠從背景上分辨出大小適度的黑色目標(biāo)物的最大水平距離.能見(jiàn)度反映了大氣的透明度，當(dāng)出現(xiàn)暴雨、霧霾、沙塵暴等惡劣天氣時(shí)，大氣透明度下降，能見(jiàn)度大幅降低，其中，霧霾天氣可能會(huì)將能見(jiàn)度降為零.這將對(duì)交通運(yùn)輸、航海、航空以及人類的日常生活等方面產(chǎn)生不利的影響.因此，準(zhǔn)確地測(cè)量出霧天大氣能見(jiàn)度對(duì)環(huán)保、交通管理等具有重要意義.

能見(jiàn)度的測(cè)量目前可以采用目測(cè)法、能見(jiàn)度儀測(cè)量法和基于圖像處理的能見(jiàn)度檢測(cè)法[2].目測(cè)法依靠的是人類的主觀意識(shí)，缺乏科學(xué)性、規(guī)范性和穩(wěn)定性.廣泛使用的儀器測(cè)量法主要有透射式能見(jiàn)度儀、散射式能見(jiàn)度儀、激光雷達(dá)式能見(jiàn)度儀等，但是約50 km間隔就需要安裝一個(gè)測(cè)量?jī)x器，且成本昂貴，難以滿足大范圍覆蓋的需要.基于圖像處理的能見(jiàn)度檢測(cè)法采用現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行圖片的獲取并進(jìn)行能見(jiàn)度的檢測(cè)，是目前研究者的主要研究方向.2013 年，Negru 等[3]提出了基于拐點(diǎn)的算法思想來(lái)檢測(cè)霧的出現(xiàn)和霧的濃度，但該算法運(yùn)算效率低.2014年，Mao等[4]基于大氣散射模型和暗通道與亮通道的數(shù)據(jù)分析理論提出了能見(jiàn)度的評(píng)估指標(biāo)和有霧圖像的分類算法，但不適于單色光源的情況.2015年，宋洪軍等[5]基于暗通道估測(cè)圖像透射率的方法，計(jì)算道路上點(diǎn)到采樣點(diǎn)的距離，計(jì)算出能見(jiàn)度值.2017 年，周凱等[6]改進(jìn)了暗通道先驗(yàn)算法對(duì)透射率進(jìn)行更精細(xì)的估計(jì).綜上所述，基于圖像處理的能見(jiàn)度檢測(cè)算法已經(jīng)取得了一些成果，但還處在理論和實(shí)驗(yàn)的階段，具有較大的發(fā)展空間.

本文提出了一種基于暗通道先驗(yàn)的單幅圖像霧天低能見(jiàn)度檢測(cè)算法，首先在是否霧霾天氣判斷階段，霧濃度的范圍由暗通道先驗(yàn)獲得的大氣透射率決定，在能見(jiàn)度計(jì)算階段，先分別計(jì)算每張圖像3 個(gè)通道的剩余能量比，然后根據(jù)3 通道各個(gè)像素點(diǎn)之間的差異對(duì)能見(jiàn)度進(jìn)行具體測(cè)量.本文算法無(wú)需人工設(shè)定測(cè)量目標(biāo)，測(cè)量成本低廉、應(yīng)用前景廣闊.

1 暗通道先驗(yàn)

暗通道先驗(yàn)理論[7]認(rèn)為在大部分戶外無(wú)霧圖像中存在的非天空部分，總存在某一顏色通道的亮度值很低且接近于0的像素點(diǎn).在霧天等惡劣天氣下，光線在到達(dá)攝像機(jī)之前經(jīng)過(guò)衰減，使得戶外景物圖像降質(zhì).用大氣散射模型[8]來(lái)描述該過(guò)程，

其中x 表示像素的坐標(biāo)，I(x)表示輸入的有霧圖像，J(x)表示復(fù)原后的無(wú)霧圖像，A 表示大氣光值，t(x)表示景物光線的透射率.基于此模型的去霧就是從觀察到的圖像I(x)恢復(fù)出原來(lái)的無(wú)霧圖像J(x).對(duì)于無(wú)霧圖像J，戶外無(wú)霧圖像的暗原色Jdark表示為

c 表示紅綠藍(lán)三個(gè)通道，Jc(y)表示復(fù)原后的清晰圖像J 的c 通道的圖像，Ω(x)表示以像素點(diǎn)x 為中心的局部區(qū)域.給定大氣光值A(chǔ) 為常數(shù)，在Ω(x)的局部區(qū)域內(nèi)，A 是均勻的并且透射率t(x)是固定不變的.對(duì)(1)式取最小值，該運(yùn)算最小值運(yùn)算是在3個(gè)顏色通道獨(dú)立進(jìn)行，由A 歸一化得

再在3個(gè)顏色通道中分別取最小值運(yùn)算，結(jié)合暗原色先驗(yàn)理論，Jdark(x)= 0，整理得

2 能見(jiàn)度測(cè)量原理

以天空為背景，Koschmieder[9]建立了景物亮度L0與距離d 的關(guān)系，

其中L為接收到的亮度，Lf為天空亮度，μ為消光系數(shù).Duntley[9]提出了對(duì)比度隨距離變化的衰減規(guī)律

其中C 為景物在距離為d 時(shí)的視亮度對(duì)比，C0為景物與背景的亮度對(duì)比. C/C0= ε 為對(duì)比度閾值，對(duì)應(yīng)透射率

在圖像的最大能見(jiàn)度下，透射率接近于0，這個(gè)值被圖像的所有場(chǎng)景共享.

世界氣象組織使用對(duì)比閾值為0.05時(shí)的距離作為氣象視距(Meteorological optical range)[10]

3 本文算法

3.1 霧天天氣判斷

在透射率圖中，原始圖像中霧濃度越大，透射率越小，能見(jiàn)度越低，沒(méi)有霧或者霧濃度較小的區(qū)域，透射率大，能見(jiàn)度較大，一般認(rèn)為能見(jiàn)度大于1 km米時(shí)屬于能見(jiàn)度較好的情況.先使用引導(dǎo)濾波算法[11]求得每個(gè)圖像的透射率圖，以透射率小于0.5為閾值，計(jì)算圖1中各圖像透射率值小于0.5所占的比例[12].

圖1 原始圖像Fig.1 Original imag e

將能見(jiàn)度以1 km為分界線進(jìn)行粗劃分，當(dāng)小于0.5 的比例超過(guò)30%，可認(rèn)為該圖像透射率較小，霧濃度較大，能見(jiàn)度較低，在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)圖像進(jìn)行去霧處理以提高圖像的能見(jiàn)度.當(dāng)小于0.5的比例小于30%，可認(rèn)為該圖像透射率較大，霧濃度較小，能見(jiàn)度較高，可以不用進(jìn)行處理.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

表1 霧天天氣分類Tab.1 Classification of foggy weather

3.2 剩余能量比檢測(cè)能見(jiàn)度

大氣中的懸浮粒子對(duì)不同波長(zhǎng)的光散射程度不同，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射效應(yīng)越不明顯.因此不同波長(zhǎng)光的透射率不同，不能視為同一個(gè)t，以RGB 顏色通道為例，RGB 三通道的透射率應(yīng)不同[13].根據(jù)文獻(xiàn)[13]可得經(jīng)修正后的透射率為

由式(10)可得暗通道算法求得的未修正的能見(jiàn)度V，將V 代入式(12)可得不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的不同透射率，如圖2所示.

圖2 圖像的3通道透射率Fig.2 Three-channel transmittance of the image

圖3為圖2透射率圖對(duì)應(yīng)的直方圖，由圖2和圖3可以看出，原始圖像的透射率和3通道的透射率均存在不同程度的差異.

圖3 透射率對(duì)應(yīng)直方圖Fig.3 Transmittance of corresponds to the histogram

光線的透射率t 也稱光線的剩余能量比[14]，由文獻(xiàn)[13]可知不同波長(zhǎng)的光線的標(biāo)準(zhǔn)剩余能量比Nrer(λ)表示為

不同波長(zhǎng)的光線經(jīng)過(guò)傳播距離d(x)后的標(biāo)準(zhǔn)剩余能量比不同，在不同的能見(jiàn)度下，每經(jīng)過(guò)單位距離衰減后，3個(gè)顏色通道標(biāo)準(zhǔn)剩余能量比是一個(gè)常數(shù)[13].以1 km為例，在能見(jiàn)度0～6 km的范圍內(nèi)三個(gè)通道的剩余能量比如圖4(a)所示.

由圖4(a)可以看出，在相同能見(jiàn)度下，光線經(jīng)過(guò)相同距離的衰減后，3 通道剩余能量比存在差異，R 通道剩余最多，G通道少于R通道，B通道最少，隨著傳播距離的增加，每個(gè)通道的剩余能量比越來(lái)越少，3通道之間的差異也越來(lái)越大.因此分別計(jì)算在相同能見(jiàn)度下，以1 km 為單位距離時(shí)3 個(gè)通道剩余能量比之間的差異，計(jì)算結(jié)果如圖5(b)所示.可以看出R 通道與B 通道之間差異最大，G 通道與B 通道之間差異最小.以1 km為分界線，每條線上的每個(gè)差值都有相對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度.由于藍(lán)色通道衰減最快，為了避免較大誤差，選擇(R-G)/G的值，結(jié)合3.1節(jié)霧天天氣判斷可計(jì)算出圖像修正后的能見(jiàn)度.

圖4 3個(gè)通道的剩余能量比Fig.4 Residual energy ratio of the three channels

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 能見(jiàn)度檢測(cè)結(jié)果

圖5選取了一些不同霧濃度的圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，圖像(a)～(d)的γ 值小于30%，圖像(e)～(h)的γ 值大于30%，判斷圖像(a)～(d)的能見(jiàn)度應(yīng)大于1 km，圖像(e)～(h)的能見(jiàn)度應(yīng)小于1 km，然后計(jì)算剩余像素點(diǎn)(R-G)/G 的加權(quán)平均值，找出該值在圖6 上對(duì)應(yīng)的能見(jiàn)度值V.該實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合人眼主觀判斷.

圖5 能見(jiàn)度計(jì)算圖像Fig. 5 Visibility calculation image

表2 能見(jiàn)度計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of visibility

4.2 利用能見(jiàn)度評(píng)價(jià)不同算法的去霧效果

本文算法能計(jì)算出不同算法處理過(guò)的圖像的能見(jiàn)度，因此也能用來(lái)評(píng)價(jià)不同去霧算法的有效性.將原圖與暗原色算法、引導(dǎo)濾波算法、DEFADE算法[15]、MENG算法[16]復(fù)原后的圖像使用本文算法進(jìn)行能見(jiàn)度估測(cè)，對(duì)比結(jié)果如圖6所示.圖6(a)列是有霧圖像，(b)列是暗原色先驗(yàn)算法的結(jié)果，(c)列是引導(dǎo)濾波算法的結(jié)果，(d)列是DEFADE算法的結(jié)果，(e)列是MENG算法的結(jié)果.

圖6 不同算法去霧圖Fig.6 Demystification diagram of different algorithms

本文算法計(jì)算結(jié)果數(shù)值越小能見(jiàn)度越低，從表3的各項(xiàng)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)可以看出，去霧后的圖像與去霧后的圖像能見(jiàn)度有明顯的改善，圖6 的有霧圖像濃度均小于1 km，不同算法去霧后的圖像能見(jiàn)度檢測(cè)值均大于1 km.僅從去霧效果來(lái)看，暗原色算法比引導(dǎo)濾波算法更好，但去霧結(jié)果存在塊效應(yīng).DEFADE 算法表現(xiàn)出更好的視覺(jué)效果，對(duì)于圖1 和圖2 比其他算法去霧更徹底，但對(duì)于圖3 這樣存在大范圍白色區(qū)域的圖像來(lái)說(shuō)效果欠佳.MENG 算法去霧效果良好，采用人機(jī)交互手動(dòng)選取大氣光，在天空區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的halo效應(yīng).因此可將本文算法計(jì)算出的能見(jiàn)度作為評(píng)價(jià)去霧算法有效性的評(píng)價(jià)指標(biāo).

5 結(jié)論

本文的能見(jiàn)度檢測(cè)方法以測(cè)量透射率為基礎(chǔ)，與透射式能見(jiàn)度儀原理相同.基于暗通道先驗(yàn)和光波能量衰減的不同，得到霧霾天氣狀況的初步預(yù)測(cè)以及最終可以測(cè)量出能見(jiàn)度距離.本文算法成本較低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示測(cè)量結(jié)果可信.