文/劉顏東

（黑龍江大學(xué) 黑龍江省哈爾濱市 150000）

隨著環(huán)境以及氣候的惡化，霧霾天氣頻發(fā)，它給人類的生活帶來(lái)了很多的影響。霧霾天氣光線弱，圖像接收不清晰。在這種天氣下能獲得的有效信息大量減少，圖像去霧可以降低環(huán)境對(duì)接收?qǐng)D像質(zhì)量的影響，獲得更多有效信息。

在20世紀(jì)50年代，美國(guó)學(xué)者針對(duì)地球資源衛(wèi)星圖像云霧退化問(wèn)題展開(kāi)圖像去霧的研究工作。隨后，霧霾研究也開(kāi)始高速發(fā)展。目前，對(duì)圖像的去霧霾工作主要采用圖像增強(qiáng)和圖像復(fù)原兩類方法。圖像增強(qiáng)的方法利用圖像增強(qiáng)手段，提高圖像視覺(jué)效果，該類算法主要有直方圖均衡化、Retinex算法等方法。圖像復(fù)原的方法是基于大氣散射模型，不斷修改模型，最終得到去霧圖像。

近年來(lái)，一些算法及其改進(jìn)算法也被應(yīng)用到圖像去霧中。結(jié)合暗通道去霧算法，首先求解有霧圖像中每個(gè)像素點(diǎn)RGB分量中的最小值，得到最小值通道圖，并在此基礎(chǔ)上求解折射率，之后估計(jì)大氣光，最后得出去霧圖像。陸?？〉葎t利用均值漂移濾波對(duì)粗透射率分布優(yōu)化，然而，均值漂移濾波需要迭代求解，耗時(shí)亦較長(zhǎng)。陳瑋等人提出了一種基于生成對(duì)抗學(xué)習(xí)思想的卷積神經(jīng)去霧網(wǎng)絡(luò).但是時(shí)間復(fù)雜度較高。

為了使圖像去霧技術(shù)有普適性。本設(shè)計(jì)通過(guò)MATLAB軟件中的圖形用戶界面GUI設(shè)計(jì)出一個(gè)交互界面，即圖像去霧系統(tǒng)。將各種高效有用的去霧算法嵌進(jìn)系統(tǒng)，使系統(tǒng)可以達(dá)到良好的去霧效果的同時(shí)，操作簡(jiǎn)單。依靠這個(gè)系統(tǒng)，就能便捷輕松地處理有霧圖片，獲取更多有用的信息。除此以外，本系統(tǒng)還加入了圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的功能，在圖像去霧的同時(shí)客觀科學(xué)地體現(xiàn)出每種算法圖像去霧的效果。

圖1：圖像去霧系統(tǒng)基本流程圖

1 數(shù)字圖像處理基本原理

1.1 數(shù)字圖像處理基本原理

一副圖像可以定義為一個(gè)二維函數(shù)f（x,y），里面的x和y是空間坐標(biāo)，而f在任意一對(duì)坐標(biāo)（x,y）處的幅度成為這個(gè)點(diǎn)處圖像的灰度或亮度。當(dāng)x,y和f的幅值都是有限的離散值時(shí)，該圖像被稱作數(shù)字圖像。

由坐標(biāo)系統(tǒng)，可以得到數(shù)字圖像的下列表示：

式（1）是定義的一幅數(shù)字圖像。矩陣中的每個(gè)元素對(duì)應(yīng)著圖像中的像素。矩陣中每個(gè)元素被稱為像素。

數(shù)字圖像處理是運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助工具將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為便于分析處理的數(shù)字信號(hào)的過(guò)程，主要包含圖像變換、圖像增強(qiáng)和圖像分割等處理方法和技術(shù)。隨著科技的不斷發(fā)展，數(shù)字圖像處理的目的轉(zhuǎn)變?yōu)閹椭藗兎治龊屠脠D像中的信息。

1.2 與MATLAB 相關(guān)的基本設(shè)計(jì)原理

MATLAB是通過(guò)矩陣處理電腦當(dāng)中的數(shù)據(jù)，可視化與的集成數(shù)值環(huán)境，使整個(gè)過(guò)程更加直觀化。圖像處理工具包是由一系列支持圖像處理操作的函數(shù)組成的，主要包括圖像顯示、圖像分析、圖像增強(qiáng)等函數(shù)。從圖像處理原理上進(jìn)行分析，MATLAB就是借助數(shù)組進(jìn)行圖像顏色或者灰度的表示，得以處理數(shù)字圖像。

所謂圖形用戶界面是指由窗口、菜單和對(duì)話框等各種圖形元素組成的界面。在這種用戶界面中，用戶的操作具有生動(dòng)形象、方便靈活的特點(diǎn)，所以圖形用戶界面被廣泛應(yīng)用。

MATLAB為制作用戶提供了一個(gè)名為GUIDE的交互式的設(shè)計(jì)工具。GUIDE能夠簡(jiǎn)便快捷地設(shè)計(jì)出各種符合要求的圖形用戶界面，可以滿足用戶的需求。

GUIDE將用戶保存設(shè)計(jì)好的圖形圖像用戶界面保存在一個(gè)figure資源文件中，figure文件最主要的功能是對(duì)象句柄的保存，所有對(duì)象的屬性都是用戶創(chuàng)建圖形窗口時(shí)保存的屬性。同時(shí)，GUI還會(huì)自動(dòng)生成包含圖形用戶界面初始化和組件界面布局控制代碼的M文件，該M文件主要用來(lái)控制GUI展開(kāi)式的各種特征。

2 圖像去霧算法原理及圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 圖像去霧算法原理

2.1.1 直方圖均衡算法

直方圖均衡化算法的原理就是將一幅圖像轉(zhuǎn)換為另一幅圖像。新圖像在一定灰度范圍內(nèi)的像素?cái)?shù)量大致平和。

灰度直方圖是灰度級(jí)的函數(shù),以灰度級(jí)r為橫坐標(biāo),縱坐標(biāo)是灰度級(jí)出現(xiàn)的頻率Pr(r),整個(gè)坐標(biāo)系將圖像灰度級(jí)的分布情況清晰的描述了出來(lái)。因此我們可以得出兩種情況，若像素集中在低灰度區(qū)域,圖像呈現(xiàn)暗的特性，反之圖像呈現(xiàn)亮的特性。

假設(shè)灰度級(jí)為歸一化至范圍[0,1]內(nèi)的連續(xù)量，令Pr(r)表示某給定圖像中的灰度級(jí)的概率密度函數(shù)（PDF），用不同的下標(biāo)區(qū)分輸入和輸出圖像的PDF。通過(guò)對(duì)輸入灰度級(jí)變換，我們可以得到輸出灰度級(jí)s：

式中ω是積分的啞變量?？梢钥闯鲚敵龌叶燃?jí)的概率密度函數(shù)是均勻的，即

此方法的特性是能增加圖像灰度級(jí)的動(dòng)態(tài)范圍。

2.1.2 Retinex算法

Retinex 區(qū)別于傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)算法的是其在邊緣增強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍壓縮和顏色恒常上達(dá)到平衡。本設(shè)計(jì)使用的是單尺度算法。

一幅給定的圖像S(x,y)是反射圖像R(x,y)和入射圖像L(x,y)的乘積，其原理如下所示：

S(x,y)=R(x,y)L(x,y)

入射圖像和反射圖像構(gòu)成圖像，其中入射光L照射在反射物體R上，再經(jīng)過(guò)反射形成反射光進(jìn)入觀察者的眼中，最后形成的圖像可以用公式表示為：

其中，L(x,y)表示入射光圖像，R(x,y)表示物體的反射性質(zhì)圖像。S(x,y)表示人眼能夠接收的反射光圖像。r(x,y)為輸出圖像，*為卷積符號(hào)，F(xiàn)(x,y)為中心環(huán)繞函數(shù)，可以表示為：

C為高斯環(huán)繞尺度，λ是一個(gè)尺度，它的取值必須滿足以下條件：

由以上可知，單尺度算法中的卷積的物理意義可以表示為去除計(jì)算圖像中像素點(diǎn)與周圍區(qū)域在加權(quán)平均，只保留物體的反射屬性，以達(dá)到增強(qiáng)的結(jié)果。

2.2 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

圖像質(zhì)量評(píng)估方法可以分為兩種主要類型，其一為主觀評(píng)價(jià)，另一種則是客觀評(píng)價(jià)。圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)方法是根據(jù)人眼的觀察結(jié)果建立所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)搜尋所需要的相對(duì)應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算來(lái)獲取圖像的質(zhì)量結(jié)果，最終達(dá)到評(píng)價(jià)圖像的目的。本設(shè)計(jì)就是采用了客觀評(píng)價(jià)方法來(lái)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2.1 直方圖對(duì)比

直方圖的意義是將數(shù)字圖像每一灰度出現(xiàn)頻率的統(tǒng)計(jì)關(guān)系表現(xiàn)出來(lái)。由灰度直方圖可以較為容易的理解出圖像的灰度對(duì)比度的增強(qiáng)等非常明顯，處理后圖片更清晰，更易辨別。

2.2.2 均方差MSE

均方差法首先計(jì)算原始圖像和失真圖像象素差值的均方值，然后通過(guò)均方值的大小來(lái)確定失真圖像的失真程度。

圖2：三種算法直方圖對(duì)比

圖3：三種算法質(zhì)量評(píng)價(jià)

其中，MSE表示當(dāng)前圖像I和參考圖像K的均方誤差，m、n分別為圖像的高度和寬度，MSE的值越小，說(shuō)明圖像越精準(zhǔn)。

2.2.3 峰值信噪比PSNR

峰值信噪比是最普遍，最廣泛使用的一種圖像客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，它是基于對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)間的誤差的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)。MAX通常是圖像的灰度級(jí)，一般為255。PSNR越高，圖像和原圖越接近。在本設(shè)計(jì)中，PSNR越低，說(shuō)明去霧效果越好。

3 圖像去霧系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 圖像去霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程

系統(tǒng)的運(yùn)行基本流程如圖1。

首先建立系統(tǒng)初始界面。利用GUIDE布局編輯器左側(cè)組件面板分別建立標(biāo)題、圖像顯示窗口。

然后，建立菜單，文件，打開(kāi)與退出，用于打開(kāi)圖片與退出系統(tǒng)。圖像去霧，用于選擇不同算法對(duì)圖像進(jìn)行處理。直方圖對(duì)比，選擇不同的算法觀察圖片處理前后直方圖的變化情況。圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)，直觀顯示三種算法的優(yōu)劣。幫助，用于系統(tǒng)功能解釋。

3.2 圖像去霧系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

為測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文選用了隨機(jī)在網(wǎng)絡(luò)上搜索的圖片。

對(duì)去霧后的圖片進(jìn)行三種算法直方圖對(duì)比，如圖2。

計(jì)算各圖片的均方差(MSE)和峰值信噪比(PSNR)，如圖3。

從圖2中可看出，對(duì)隨意選取的圖片三種算法均可實(shí)現(xiàn)去霧效果，但效果各有不同。局部直方圖算法的圖像和原圖像之間的差別略小。由圖2和3可知，各算法均可直觀顯示算法對(duì)比與質(zhì)量評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)采用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了圖像去霧，圖像對(duì)比等功能。采用了全局直方圖均衡算法、局部直方圖均衡算法和retinex算法對(duì)圖像進(jìn)行去霧，根據(jù)不同的算法公式得到不同的處理后圖片，同時(shí)處理前后圖片同時(shí)顯示在界面上由使用者主觀評(píng)價(jià)，然后采用直方圖、均方差和峰值信噪比進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，以圖片或數(shù)值的形式展示給使用者,達(dá)到更為明顯的比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,去霧系統(tǒng)穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，圖像信息恢復(fù)良好，不同方法比較明顯。

但是，由于目前算法的局限性,并不能做到百分之百的去霧處理。通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)操作和對(duì)所取得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治鎏幚砜梢缘玫剑合到y(tǒng)足以應(yīng)對(duì)大多數(shù)的圖片處理，在一定程度上已取得成功。