王倩倩 楊順云 張靜 羅懷芍 張志誠(chéng)

摘 要：建筑物、樹(shù)木和山脈等遮擋光線(xiàn)，可能使航拍影像中出現(xiàn)陰影。而陰影區(qū)域的存在可能影響圖像后續(xù)處理，導(dǎo)致重要信息丟失。本系統(tǒng)旨在設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)航拍影像中陰影區(qū)域并將其去除的系統(tǒng)，選擇并搭建基于水平集航拍影像陰影檢測(cè)算法的進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要功能包括：圖像讀入、圖像去霧、陰影檢測(cè)、陰影去除。

關(guān)鍵詞：航拍影像 圖像去霧 陰影檢測(cè) 陰影去除 水平集

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（a）-0042-02

1 系統(tǒng)研究意義

建筑物、樹(shù)木和山脈等遮擋太陽(yáng)光線(xiàn)，使遙感航拍影像中存在陰影區(qū)域。陰影區(qū)域的存在可能導(dǎo)致重要信息的丟失，進(jìn)而影響影像的后續(xù)處理，如圖像配準(zhǔn)、圖像內(nèi)容理解、分割、特征提取、目標(biāo)變化檢測(cè)和定位等。陰影檢測(cè)是遙感航拍影像中地物跟蹤、分類(lèi)和識(shí)別等處理的重要步驟之一，目前陰影檢測(cè)技術(shù)可分基于模型與基于陰影屬性?xún)纱箢?lèi)，基于模型的方法需有關(guān)影像中地物幾何形狀或DSM數(shù)據(jù)、太陽(yáng)高度角、傳感器參數(shù)等知識(shí)，計(jì)算復(fù)雜，且適用于特定場(chǎng)景?；陉幱皩傩缘姆椒ㄍㄟ^(guò)分析陰影區(qū)域在亮度、幾何結(jié)構(gòu)和顏色等方面的共性及其與非陰影區(qū)域的差異來(lái)檢測(cè)陰影區(qū)域，應(yīng)用比較復(fù)雜[1]。

本系統(tǒng)旨在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測(cè)航拍影像陰影區(qū)域并將其去除的系統(tǒng)。選擇并搭建基于非勻質(zhì)區(qū)域水平集航拍影像陰影檢測(cè)算法的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)陰影區(qū)域并將其去除。系統(tǒng)主要功能包括：圖像讀入、圖像去霧、陰影檢測(cè)、陰影去除。

圖像陰影區(qū)域極可能含重要信息，準(zhǔn)確檢測(cè)陰影區(qū)直接關(guān)系到影像后續(xù)處理及獲取與識(shí)別陰影區(qū)中重要信息的成效。本系統(tǒng)所用的算法不僅可解決傳統(tǒng)陰影檢測(cè)方法中對(duì)非勻質(zhì)同塊陰影區(qū)檢測(cè)不全面的問(wèn)題，也可檢測(cè)到傳統(tǒng)方法中漏檢的亮陰影區(qū)。檢測(cè)到的陰影區(qū)連續(xù)、邊緣清晰整齊，并能有效排除綠色植被干擾，檢測(cè)正確率高，漏檢率低，檢測(cè)全面，陰影區(qū)提取方便。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

G.D.Finlayson等最早提出利用彩色不變量來(lái)進(jìn)行陰影檢測(cè)、陰影消除[2]，但是這些彩色不變量要在圖像滿(mǎn)足中性界面反射模型的條件下才成立[3]，而且很多的航空影像都難以滿(mǎn)足此條件。Akira Suzuki等人[4]提出了一種基于顏色和空間概率信息的動(dòng)態(tài)陰影補(bǔ)償?shù)姆椒?，此方法能較有效地對(duì)陰影區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償，提高了陰影區(qū)域內(nèi)的對(duì)比度，但是陰影依然存在，而且此方法在計(jì)算過(guò)程中對(duì)于空間概率的獲取需要事先利用大量樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到，故此不能實(shí)現(xiàn)單張圖片的實(shí)時(shí)處理[5]。

而陰影處理類(lèi)軟件有杭州華三通信技術(shù)有限公司的運(yùn)動(dòng)陰影檢測(cè)方法和裝置、中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)的面向智能視頻監(jiān)控的實(shí)時(shí)部分遮擋車(chē)輛分割及陰影消除方法、上海大學(xué)的高分辨率遙感影像中的陰影檢測(cè)方法。這類(lèi)軟件相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品，或功能無(wú)我系統(tǒng)深入，或應(yīng)用無(wú)我系統(tǒng)全面，又或者專(zhuān)業(yè)技術(shù)要求太高，一般使用者難以上手。

如今市面已出現(xiàn)很多圖像處理類(lèi)軟件，國(guó)內(nèi)相關(guān)軟件有美圖秀秀、可牛影像、光影魔術(shù)手、isee等；國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品有 Adobe Photoshop、Adobe Illustrator CS、Corel Painter等。這些軟件各具特色，但專(zhuān)業(yè)用于航空、遙感圖像處理的軟件，目前的市面上還沒(méi)有出現(xiàn)。

本系統(tǒng)是一項(xiàng)自動(dòng)檢測(cè)航拍影像中陰影區(qū)域并將其去除的軟件，同時(shí)基于軍事和城市規(guī)劃與管理的實(shí)際需求，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如國(guó)家地理信息測(cè)繪、軍事力量估計(jì)、商業(yè)糾紛司法取證、煤礦石油的資源勘探等。關(guān)于航空、遙感圖像陰影的檢測(cè)與去除的研究現(xiàn)在還處于初級(jí)階段，所以說(shuō)本系統(tǒng)是非常迎合市場(chǎng)需求和科學(xué)前沿的產(chǎn)品，具有強(qiáng)大的生命力。

3 算法介紹

借鑒西南交通大學(xué)信號(hào)與信息處理實(shí)驗(yàn)室提供的遙感影像陰影處理算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。針對(duì)圖像去霧，利用基于黑色通道先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)圖像邊緣和非邊緣分別采用不同的模板處理得到透射圖，并通過(guò)分割天空區(qū)域，或者霧最濃區(qū)域求得準(zhǔn)確的大氣光值[6]。利用該方法可以恢復(fù)出和原方法基本一致甚至更準(zhǔn)確的結(jié)果，并且可以大大減少消耗，克服了對(duì)淺色區(qū)域恢復(fù)失真的問(wèn)題，使去霧后的場(chǎng)景更為自然，提升計(jì)算速度。針對(duì)陰影檢測(cè)，采用了基于非勻質(zhì)區(qū)域水平集檢測(cè)陰影算法[7]，既可解決傳統(tǒng)陰影檢測(cè)方法中對(duì)非勻質(zhì)同塊陰影區(qū)檢測(cè)不全面、區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)空洞的問(wèn)題，也可檢測(cè)到傳統(tǒng)陰影檢測(cè)方法中漏檢的亮陰影區(qū)。針對(duì)陰影去除，采用色彩空間變換，使用基于區(qū)域補(bǔ)償?shù)倪b感圖像陰影去除方法，利用其最小外接矩形的統(tǒng)計(jì)特征對(duì)陰影區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償，以恢復(fù)被陰影覆蓋區(qū)域的原貌[8]。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該軟件系統(tǒng)使用了Inter公司建立的基于（開(kāi)源）發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)OPENCV。它由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類(lèi)構(gòu)成，同時(shí)提供了Python、Ruby、MATLAB等語(yǔ)言的接口，可以實(shí)現(xiàn)圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法。而本系統(tǒng)正是巧妙地利用了其輕量級(jí)、高效性以及良好的可移植性等諸多優(yōu)點(diǎn)，將其與微軟基礎(chǔ)類(lèi)庫(kù)MFC集成于在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域享譽(yù)盛名Visual Studio軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)下的，實(shí)現(xiàn)了操作簡(jiǎn)單，用戶(hù)友好的可視化軟件編程。

其核心功能的部分包括三大模塊：圖像去霧、陰影檢測(cè)、陰影去除，同時(shí)對(duì)圖像的一些基本圖形變換提供支持。雖然本系統(tǒng)無(wú)需處理復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯，也沒(méi)有龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)中相應(yīng)的少量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供技術(shù)支持。但我們并非旨在設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)型的系統(tǒng)，而是重在對(duì)圖像處理的相應(yīng)算法進(jìn)行深入研究與實(shí)現(xiàn)，從而為現(xiàn)實(shí)世界中的圖像識(shí)別需求提供便利。本系統(tǒng)中的三大模塊分別由黑色通道先驗(yàn)、水平集演化以及色彩空間變換作為核心實(shí)現(xiàn)算法，并做出了自身相應(yīng)的創(chuàng)新與改進(jìn)，以更好的實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的需求同時(shí)為其增添相應(yīng)特色。

本系統(tǒng)所增設(shè)的幾大特色功能使其相較于國(guó)內(nèi)已有的少量相似性產(chǎn)品更顯優(yōu)質(zhì)與突出。比如對(duì)于超大型航拍圖像的處理，我們采用了分塊讀入再處理最后合并的方法，提高了處理效率，減小了計(jì)算機(jī)的內(nèi)存負(fù)擔(dān)；又比如對(duì)于綠地干擾較嚴(yán)重的區(qū)域，本系統(tǒng)可以人性化地支持用戶(hù)手動(dòng)選擇是否進(jìn)行去綠處理，從而決定是否通過(guò)HSV變換將綠色植被區(qū)從圖像中突顯出來(lái)。這樣既提升了系統(tǒng)的交互性，又使系統(tǒng)的處理結(jié)果更加準(zhǔn)確。

其中，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的界面如圖1所示。

4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.2.1 圖像去霧前后圖片展示

4.2.2 圖像陰影檢測(cè)原圖與檢測(cè)結(jié)果圖展示

好，被建筑物和綠色植被遮擋的陰影部分都被檢測(cè)出來(lái)。

4.2.3 圖像陰影去除前后圖片展示

5 結(jié)論

本系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)航拍影像中陰影區(qū)域并將其去除的功能，搭建的基于非勻質(zhì)區(qū)域水平集航拍影像陰影檢測(cè)算法的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，較好的支持系統(tǒng)的運(yùn)作。系統(tǒng)各部分功能，大圖讀入、圖像去霧、陰影檢測(cè)、陰影去除等都得到較好地實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)可以有效處理大部分航拍圖像，以及一般用戶(hù)的圖像，但陰影邊界處的修復(fù)效果可能有待提高，另外系統(tǒng)對(duì)個(gè)別圖像處理效果有待加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

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