探究惡劣霧霾天氣退化圖像的處理與優(yōu)化技術(shù)

王偉

摘 要：近年來，隨著社會工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，自然環(huán)境遭到了極大的破壞，霧霾天氣越來越嚴(yán)重。霧霾天氣導(dǎo)致能見度降低，不僅給人們的日常生產(chǎn)生活和身體健康帶來了極大的影響，還造成系統(tǒng)圖像的退化。因為霧霾天氣中水汽導(dǎo)致太陽光發(fā)生反射，降低了圖像拍攝的清晰度。霧霾天氣圖像清晰技術(shù)在交通及遙感等多方面應(yīng)用廣泛，已經(jīng)是霧霾圖像退化處理領(lǐng)域的重要研究課題。為了在霧霾天氣下還能夠保持圖像的清晰，該文從大氣效應(yīng)對霧霾天氣的影響出發(fā)，對霧霾天氣退化圖像的處理方法和理論進行研究，分析兩點數(shù)字化圖像復(fù)原模式。

關(guān)鍵詞：霧霾退化圖像 圖像處理 復(fù)原

中圖分類號：TP391.41 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0246-01

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和進步，人類在信息技術(shù)方面取得了巨大的進步。近年來，隨著數(shù)字化地球理念的提出和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用，圖像通訊技術(shù)變得越發(fā)重要。然而，在實際的應(yīng)用中，獲取的圖像都有一定的退化，干擾圖像成形的主要原因就是天氣，霧霾天氣的影響最大。當(dāng)前，應(yīng)用于交通系統(tǒng)領(lǐng)域的計算機系統(tǒng)對天氣變化極為敏感，在霧霾天氣的影響下，大氣能見度低，圖像嚴(yán)重退化，降低了圖像的應(yīng)用價值。所以針對在霧霾天氣下圖像退化處理技術(shù)的具體意義。為了減少霧霾天氣對圖像的影響，該文就對這一問題進行分析。

1 大氣效應(yīng)及霧霾天氣

大氣主要是由空氣中的各種分子和氣溶膠顆粒構(gòu)成，分子主要有氧氣、氮氣、水分子、二氧化碳和其他稀有氣體等等。固體或液體的質(zhì)點分子漂浮在空氣當(dāng)中，從而組成了氣溶膠體的分散體系，這些分散出來的粒子都是由氣體和微粒相互凝結(jié)而產(chǎn)生的。大氣當(dāng)中的氣溶膠顆粒主要由三方構(gòu)成：一是自然氣溶膠；二是生物氣溶膠；三是人類活動所產(chǎn)生的氣溶膠。其中，人類氣溶膠主要是由人類進行日常生產(chǎn)生活排放到大氣中的物質(zhì)與有害氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)之后形成的顆粒，這些顆粒的半徑較小，用肉眼無法辨別。

霾的產(chǎn)生主要是由于空氣中懸浮的粒子組成的，如果空氣中濕度較高，這種粒子就會加速變化。霾要比空氣中的分子顆粒大，如果霾的濕度變大就會轉(zhuǎn)變成霧，影響能見度。接近地面的空氣沉降，水滴和冰點變化形成的氣溶膠粒子，從而產(chǎn)生了霧。霧和霾的主要不同在于霾的濕度沒有霧產(chǎn)生的濕度大，而霧產(chǎn)生的濕度多半屬于飽和狀態(tài)。所以，如果空氣濕度沒有達到80%時，大氣渾濁導(dǎo)致的能見度下降是由于霾造成的；相對濕度超過90%時，導(dǎo)致的空氣能見度降低多是由于霧造成的；濕度在80%到90%之間時，導(dǎo)致的空氣能見度下降則是由霧霾混合形成，但主要原因還是霾。從科學(xué)研究角度區(qū)分，將空氣能見度小于1000 m的視為濃霧，能見度距離在1000 m和10000 m之間的視為薄霧。

霧霾天氣對光傳輸有很大的負(fù)面影響，霧霾的氣溶膠顆粒散射大氣中發(fā)出的光線，使系統(tǒng)收集的圖像清晰度受到嚴(yán)重影響。霧霾一般分為幾種程度，輕度的霧霾使圖像的遠景模糊不清晰，但是人類的肉眼還是可以辨別個別建筑的，可以理解為效果不佳。大霧天氣下就會導(dǎo)致圖像信息模糊情況嚴(yán)重，無法識別遠處景物，而且近處圖像也有一定的缺失。濃霧天氣下完全無法識別圖像中的信息，使圖像信息完全缺失。因而在不同霧霾天氣的情況下，需要有效地提煉圖像的基本信息，盡可能地還圖像的真實情況。

上文提到了霧霾天氣對系統(tǒng)獲取圖像的影響主要是散射或放射作用。散射是由于光在傳輸過程中，受到大氣影響而分散到大氣中的微小離子上，這些微小粒子在吸取了電磁波之后，將能量分散到以自身為中心的各個方向。所以，散射、吸收、輻射等就成為了霧霾天氣影響圖像退化的主要原因。

2 數(shù)字化圖像的處理方法和理論

2.1 數(shù)字化圖像的基本理論

數(shù)字化圖像處理主要是用數(shù)字的形式對圖像進行存儲處理，再使用計算機對圖像進行后期加工處理。在X、Y的空間坐標(biāo)上將幅度值F作為圖像的強度或者灰度。將數(shù)字化圖像進行劃之后分成的每一小塊稱之為像素，像素的屬性有位置和灰度，所有像素的范圍都處于0～255。數(shù)字化圖像的應(yīng)用一是為了使人們更加方便地對圖像進行分析，二是為了使用計算機操作圖像的存儲和傳輸來大大提高工作效率。

2.2 數(shù)字化圖像的處理方法

2.2.1 直方圖線性化處理

直方圖線性處理方法是圖像處理方法中比較常見且簡單實用的處理方式。一般在處理灰度圖像的像素亮度時，會用到直方圖線性處理方法。這種處理方法使用數(shù)學(xué)計算把原有的灰度圖像進行處理，將灰度進行重新分布。使用算數(shù)的方法將原有圖像的灰度級別展開，使原圖像更加的層次分明，清晰可見。這種處理方法簡單來說也就是增加了圖像的對比度?？傊?，通過直方圖線性處理過后的圖像會更加的清晰。

2.2.2 彩圖處理

上面所說的方法都是對原有圖像的灰度進行處理，最后的成像還是灰色圖像，圖像的屬性從根本上來講是沒有改變的。因而不適用于彩圖的處理。彩圖的處理可分為兩種：一種是全彩圖處理；另一種是色彩圖處理。第一種全彩圖處理可以使用全彩色的儀器進行處理，最常見的就是掃描儀等。全彩圖處理可以對圖像的每一部分進行分別處理，然后進行合成，最終構(gòu)成全彩色圖像；還可以對圖像的像素直接處理，達到處理效果。第二種是在一定范圍內(nèi)有顏色，可以通過改變灰度值、人工加彩等方式進行處理。

2.2.3 同態(tài)濾波處理

這種方法就是將灰度的數(shù)值看做光照度和反射率，通過對照度和反射率的分析，得出其對灰度值的影響。在霧霾中，霧霾流動性低，相對來說分布情況就比較穩(wěn)定。所以，在霧霾天氣退化圖像的處理過程中，得到圖像的灰度會很暗，且圖像清晰度低，而同態(tài)濾波處理方法則能夠有效地改善圖像上照明分布不均勻的情況。

2.2.4 Retinex圖像處理方法

上述的幾種處理方式都是比較通用的方法，對圖像的處理都是基于圖像像素的處理，沒有從人類的視覺角度出發(fā)。然而，Retinex圖像處理方法就很好地體現(xiàn)了這一點，通過算法和理論提高了圖像清晰度。這種方法的根本理念就是基于人類視覺對色彩的感知，利用人類的視覺感知能力對霧霾情況下的圖像進行增強處理。

3 分析數(shù)字化圖像復(fù)原模式

根據(jù)上文提到的退化圖像的處理方法，圖像增強是對退化圖像優(yōu)化和改善的主要措施，通過對圖像灰度的調(diào)整，像素、對比度的調(diào)整以及色彩變換等方式進行退化圖像的基本處理。而對圖像最根本的處理方式還是需要對圖像進行復(fù)原，圖像的復(fù)原方法一般可以分為數(shù)學(xué)模型和物理模型兩種。數(shù)學(xué)模型是根據(jù)算法進行一步步的理論推算，從而對圖像進行復(fù)原。物理模型則是根據(jù)建立的空間模型得到霧霾天氣圖像退化的大致模型，再通過對物理模型進行改進達到圖像復(fù)原的目的。

4 結(jié)語

現(xiàn)階段，霧霾天氣頻發(fā)，霧霾天氣影響下圖像的清晰處理則成為數(shù)字化圖像處理領(lǐng)域的關(guān)注熱點。該文主要對霧霾天氣的基本原理和霧霾天氣如何對數(shù)字化圖像產(chǎn)生影響這兩大問題進行了分析，闡述了數(shù)字化圖像的處理和優(yōu)化方法。相信隨著數(shù)字化圖像處理技術(shù)的不斷完善，數(shù)字化圖像將在更多的領(lǐng)域發(fā)揮作用，促進我國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展。

參考文獻

[1] 李鑫.惡劣霧霾天氣退化圖像的處理與優(yōu)化研究[D].昆明理工大學(xué)，2011.

[2] 李艷霞.霧霾條件下降質(zhì)圖像清晰化算法研究[D].西安工業(yè)大學(xué)，2014.

[3] 朱瑜輝.基于大氣散射模型的霧霾天道路圖像清晰化[D].北京工業(yè)大學(xué)，2010.

[4]來彥棟.單幅圖像霧霾去除算法研究[D].電子科技大學(xué)，2010.