許　杰，楊會成，朱　雷

(安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

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一種改進的Retinex霧天圖像清晰化算法

許杰，楊會成，朱雷

(安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

霧天拍攝時，圖像由于景物受到霧的散射，會因衰減作用而變得模糊不清。為得到相對清晰的圖像，提出一種改進的Retinex霧天圖像清晰化算法，先將圖像進行MSR處理，再進行冪次變換，較大程度地壓縮圖像動態(tài)范圍。針對出現(xiàn)的高光區(qū)域采用非線性變換來抑制，最后進行維納濾波去除噪聲，增強圖像細節(jié)，得到清晰化的圖像。實驗結(jié)果表明：該算法能有效改善霧天拍攝圖像的清晰度，更適宜人的視覺感受。

圖像清晰化；MSR；冪次變換；非線性變換；維納濾波

霧生成在大氣的近地面層，是由浮游在空中的小水滴或冰晶組成的水汽凝結(jié)物，是能造成能見度降低的一種自然現(xiàn)象。景物被淹沒在霧氣中，顯得很不清晰，使人眼分辨力下降，無法準確辨別景物全貌，而此時拍攝的圖像也由于受到霧氣的干擾而變得模糊，圖像的細節(jié)信息無法展現(xiàn)。為得到清晰化的圖像，圖像去霧技術(shù)得到迅速發(fā)展，其實質(zhì)是為獲取清晰的符合人類視覺感官的圖像而采取一定的方法和手段去除霧氣干擾，恢復(fù)有效的圖像細節(jié)信息。

Retinex理論是基于人類視覺的亮度和顏色感知模型建立的色彩理論，其基本內(nèi)容包括：① 物體的顏色由物體對長波(紅)、中波(綠)和短波(藍)光線的反射能力決定，而不是由反射光強度的絕對值決定；② 物體的色彩不受光照非均性的影響，具有一致性。因此要得到物體本來面貌R，只要從拍攝圖像S中去除光照L的影響即可。Retinex算法是一種描述色彩恒常性的模型[1],具有顏色不變性和壓縮動態(tài)范圍的特點，這對處理霧天圖像有積極作用，從而引發(fā)大量工作人員深入研究。Rahman等[2]率先研究使用Retinex算法對霧天圖像進行增強；芮義斌等[3]分析了SSR、MSR等改進的Retinex處理算法去薄霧的效果；許志遠[4]提出基于雙線性插值動態(tài)直方圖均衡化的霧天降質(zhì)圖像增強算法，有效解決霧天圖像直方圖分布不均的問題。實驗結(jié)果表明：多尺度Retinex算法(MSR)[5]可將黑暗區(qū)域中的更多圖像細節(jié)顯示出來，是圖像增強的一種有效算法。本文提出一種改進的Retinex霧天圖像復(fù)原算法，將霧天圖像進行MSR處理后，再采用冪次變換、維納濾波[12]等方法進一步增強霧天圖像的清晰度。

1　多尺度Retinex(MSR)算法

根據(jù)Retinex理論，對于圖像S中的每個點(x,y)有

(1)

其中：S指拍攝的目標圖像；R表示物體的反射性質(zhì)，即物體的本來面貌；L表示照射光。

多尺度 Retinex(MSR)在單尺度Retinex(SSR)算法基礎(chǔ)上進行拓展，增加了環(huán)繞尺度，能實現(xiàn)動態(tài)范圍壓縮和顏色高保真，具有更好的處理效果。

多尺度Retinex的基本形式是：

(2)

(3)

(4)

2　基于MSR的改進去霧算法

多尺度Retinex算法處理圖像的效果主要取決于環(huán)繞函數(shù)的環(huán)繞尺度c。c較小時，圖像細節(jié)突出，能實現(xiàn)較大程度的壓縮動態(tài)范圍；c較大時，圖像整體色彩自然，恢復(fù)性較好，但細節(jié)不突出。為提高處理圖像的視覺效果，選擇3個尺度：小尺度(c<60)、中尺度(60120)。這樣MSR包含了多個尺度的特征，能同時實現(xiàn)色彩恒常性、動態(tài)范圍的壓縮和顏色重現(xiàn)，使圖像的處理效果更符合人類的視覺感受。

經(jīng)MSR處理后，圖像可能存在顏色失真，故要進行顏色校正，對圖像進行冪次變換，其表達式為：

(5)

經(jīng)過冪次變換的圖像可能出現(xiàn)高光區(qū)域，為抑制這種現(xiàn)象，須進行非線性變換，即

(6)

(7)

(8)

對圖像進行壓縮后，圖像會變得模糊，主要原因是濾波不足，此時采用維納濾波消除圖像模糊，增強圖像細節(jié)信息。

3　仿真結(jié)果

基于Matlab 軟件平臺處理網(wǎng)上下載的霧天圖像。使用本文算法處理該霧天圖像，同時與直方圖均衡化、同態(tài)濾波、SSR和MSR算法的處理結(jié)果相比較(見圖1～6)。

圖1　原始圖像

圖2　直方圖均衡

圖3　同態(tài)濾波

圖4　SSR

圖5　MSR

圖6　本文算法

由圖1可知：原始圖像因受霧氣影響，景物比較模糊。由圖2可知：經(jīng)直方圖均衡化處理圖像后，景物細節(jié)突出，但是存在一定失真。由圖3可知：圖像通過同態(tài)濾波處理后，圖像偏暗，對比度較好。由圖4可知：經(jīng)過單尺度Retinex(SSR)處理后，圖像色彩不流暢，偏色腳嚴重；采用MSR算法處理后，圖像清晰度提升，但存在高亮區(qū)域，如圖5所示。由圖6可知：經(jīng)過本文算法處理后景物比較自然清晰，對比度相對原始圖像有明顯提高。

考慮到圖像的對比度(contrast)反映圖像的黑白反差，熵(Entropy)體現(xiàn)了圖像信息量，故采用二者對圖像進行定量分析,如表1所示。

表1　幾種算法處理圖像后的對比度和熵

4　結(jié)束語

本文在MSR算法基礎(chǔ)上提出了一種改進的Retinex霧天圖像復(fù)原算法。這種算法對多尺度Retinex(MSR)算法處理結(jié)果進行了改進，其圖像清晰化效果得到明顯提升，而在圖像的對比度和信息熵方面也有一定增強，更有利于人類的視覺感知。

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(責任編輯楊黎麗)

Improved Image Restoration Algorithm of Retinex Foggy Weather

XU Jie, YANG Hui-cheng, ZHU Lei

(College of Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu 241000, China)

When shooting in fog, the scenery is blurred by the fog. In order to get a relatively clear image, an improved Retinex image restoration algorithm was proposed. First, the image was processed by MSR, and then a power transformation was processed, which had a greater degree of compression of image dynamic range. We suppressed high light area appeared through nonlinear transformation and finally we used Wiener filter to remove noise and enhance image detail, and goet clear images. Experiments show that this algorithm can effectively improve the contrast and resolution of fog image.

image restoration; MSR; power transformation; nonlinear transformation; Wiener filter

2016-04-19

安徽省教育廳自然科學(xué)基金重大項目(KY2014ZD004)

許杰(1989—)，男，碩士研究生，主要從事圖像處理與模式識別研究，E-mail：379385562@qq.com； 楊會成(1970—)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事圖像處理與模式識別研究。

format：XU Jie, YANG Hui-cheng, ZHU Lei.Improved Image Restoration Algorithm of Retinex Foggy Weather[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(10):118-121.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.10.018

TP391.41

A

1674-8425(2016)10-0118-04

引用格式：許杰，楊會成，朱雷.一種改進的Retinex霧天圖像清晰化算法[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(10):118-121.