基于GPU加速器的圖像實(shí)時(shí)去霧系統(tǒng)

高　策，趙新宇，柳玉晗中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春　130022

基于GPU加速器的圖像實(shí)時(shí)去霧系統(tǒng)

高策，趙新宇，柳玉晗
中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130022

隨著成像技術(shù)的飛速發(fā)展，光學(xué)設(shè)備使用了越來越多的先進(jìn)探測(cè)器；對(duì)影像的清晰展示逐漸成為光學(xué)設(shè)備的一項(xiàng)重要功能，在霧霾環(huán)境下，如何將實(shí)時(shí)影像進(jìn)行處理，以更加清晰、更能突出目標(biāo)特點(diǎn)、更具視覺效果的方式呈現(xiàn)在觀測(cè)者面前，已經(jīng)成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)，是光學(xué)設(shè)備相關(guān)從業(yè)人員急需解決的課題；本文通過構(gòu)建實(shí)時(shí)去霧系統(tǒng)的硬件環(huán)境，描述基于GPU加速器的圖像實(shí)時(shí)去霧方法，解決了霧霾環(huán)境下光學(xué)設(shè)備成像不清晰的問題，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)1080p的SDI圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)去霧處理的效果。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出該系統(tǒng)去霧效果明顯，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，具有較好的應(yīng)用前景。

GPU加速器；去霧；光學(xué)設(shè)備，SDI，暗原色先驗(yàn)。

近年來，隨著成像技術(shù)的飛速發(fā)展，光學(xué)設(shè)備使用了越來越多的先進(jìn)探測(cè)器；除了完成傳統(tǒng)測(cè)量以外，對(duì)影像的清晰展示逐漸成為光學(xué)設(shè)備的一項(xiàng)重要功能。但由于霧霾的影響，使對(duì)氣象條件極其依賴的光學(xué)設(shè)備很難獲取清晰的圖像，如何將實(shí)時(shí)影像進(jìn)行處理，去掉霧霾影響，以更加清晰、更能突出目標(biāo)特點(diǎn)、更具視覺效果的方式呈現(xiàn)在觀測(cè)者面前，已經(jīng)成為制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)，是光學(xué)設(shè)備相關(guān)從業(yè)人員急需解決的課題。

只有綜合提高以上技術(shù)的整體水平，并將各技術(shù)有效的結(jié)合在一起，建立整套的圖像優(yōu)化體系，才能從根本上改進(jìn)光學(xué)設(shè)備成像的視覺效果，讓客戶滿意，提高光學(xué)設(shè)備的整體競(jìng)爭力。基于GPU加速器的圖像實(shí)時(shí)去霧系統(tǒng)就是在這種思想指導(dǎo)下建立起來的。

1　去霧系統(tǒng)硬件平臺(tái)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由一臺(tái)圖形工作站、一塊NVIDIA Tesla K20 GPU 加速器、一塊圖像采集卡、多塊SDI圖像輸出卡組成。輸出卡數(shù)量依據(jù)實(shí)際需輸出圖像路數(shù)確定。工作站與各光纖圖像采集卡采用PCI-E總線連接。

圖形工作站平臺(tái)在選用kontron的EATX V2 X9DR3工業(yè)圖形服務(wù)器或同等性能產(chǎn)品作為計(jì)算機(jī)平臺(tái)，CPU配置為Intel Xeon E5-2658，10核心64位2.4GHz處理器，板載3個(gè)PCIE×8及3個(gè)PCIE×16插槽。圖形工作站配備多點(diǎn)觸控顯示器，選用優(yōu)派TD2420 多點(diǎn)觸控顯示器。

圖像輸出卡采用Blackmagic DeckLink Quad（該卡可同時(shí)支持四路SDI輸出，采用PCI-E×4接口。配有4路 SDI輸出接口，可在SD/HD-SDI格式間切換使用。

采用基于NVIDIA Kepler?架構(gòu)的NVIDIA Tesla K20 GPU 加速器。這款加速器針對(duì)并行計(jì)算而設(shè)計(jì)，可提供獨(dú)有的計(jì)算性能。

由以上硬件平臺(tái)可以看出，硬件平臺(tái)具有一定的先進(jìn)性與成熟性，可以保證圖像去霧系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)處理能力。

2　軟件環(huán)境與去霧算法

應(yīng)用軟件采用C++語言結(jié)合DirectX Compute及TBB進(jìn)行多核心多線程軟件開發(fā)，采用OpenCV及自研圖像處理算法完成對(duì)圖像的各類處理。

操作系統(tǒng)：采用Windows7-64bit專業(yè)版操作系統(tǒng)。開發(fā)環(huán)境：Visual Studio 2010+OpenCV2.4.10+TBB+Di rectX11。

軟件運(yùn)用GPU （圖形處理器）搭配CPU來加速圖像處理，程序的串行部分在CPU上運(yùn)行，并行部分在GPU上運(yùn)行完成，組成協(xié)同處理環(huán)境，大幅提高計(jì)算性能，能夠?qū)崿F(xiàn)多路數(shù)字圖像的實(shí)時(shí)增強(qiáng)處理。

大氣能見度較差的情況，會(huì)給成像系統(tǒng)帶來相當(dāng)大的干擾。它不僅會(huì)降低圖像的對(duì)比度，使圖像出現(xiàn)顏色失真，而且會(huì)使圖像模糊不清。這是由于氣溶膠的存在，如灰塵、霧沫、煙霧使光偏移了原來的傳播路徑。氣溶膠粒子在成像的過程中，其散射后的成像又會(huì)發(fā)生多次散射，這樣多種散射光疊加在一起成像時(shí)，圖像就產(chǎn)生了一定程度的模糊，這種模糊圖像不僅帶來了很差的視覺效果，同時(shí)也給圖像的分析工作帶來了諸多不便。

根據(jù)大氣散射模型可以建立霧天降質(zhì)圖像的數(shù)學(xué)模型，通常用如下等式來表示霧天圖像的形成機(jī)制。

式（1）中，I為成像設(shè)備觀測(cè)到的含霧圖像強(qiáng)度，x為像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，J為無霧條件下場(chǎng)景光強(qiáng)度，t為場(chǎng)景光的透射率，即場(chǎng)景反射光在經(jīng)過介質(zhì)散射后到達(dá)成像設(shè)備的比率，A為空中大氣光強(qiáng)度。圖像去霧的目的就是通過已得的I求出J。

景物距離的增加會(huì)導(dǎo)致霧氣影響增大，即透射率t是一個(gè)變化的參數(shù)，暗原色先驗(yàn)規(guī)律的發(fā)現(xiàn)為動(dòng)態(tài)估算t提供了良好的參考。暗原色先驗(yàn)可描述為：在無霧圖像的非天空局部區(qū)域里，總存在一些像素點(diǎn)在至少一個(gè)顏色通道的值很低，即所謂的暗原色，這些暗原色通常來源于圖片中的陰影、顏色鮮艷或亮度較低的區(qū)域，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式（2）中，Jc為圖像J的某個(gè)顏色通道值，?（x）是以x為中心的一個(gè)局部區(qū)域，原文中被取為15× 15的方形區(qū)域，Jdark為所得的暗原色，其值通常會(huì)很低并趨于0，這個(gè)規(guī)律就叫做暗原色先驗(yàn)。基于GPU加速的圖像去霧系統(tǒng)采用暗原色先驗(yàn)去霧算法進(jìn)行去霧處理，能夠提高圖像的視覺效果，不考慮圖像退化的原因，選擇性突出有意義的信息，抑制無效信息，以此改善圖像的視覺效果。

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用上述平臺(tái)與方法分別在城市霧霾環(huán)境，海邊水霧環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，采用日立DK-H100相機(jī)作為圖像采集設(shè)備，這是一款3CCD高清廣播級(jí)SDI相機(jī)。圖1為在城市環(huán)境下去霧效果演示。

圖2、圖3為海邊環(huán)境下去霧前后效果比對(duì)。

試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)圖像的去霧處理效果明顯，使圖像的細(xì)節(jié)更加清晰，更能突出所要觀察目標(biāo)的特點(diǎn)。

4　結(jié)論

本系統(tǒng)采用了GPU加速器，建立起GPU-CPU協(xié)同處理環(huán)境，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力，通過對(duì)系統(tǒng)去霧能力的驗(yàn)證，可以看出該系統(tǒng)去霧效果明顯，實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，可以廣泛用于各類監(jiān)控光學(xué)設(shè)備的去霧與實(shí)時(shí)增強(qiáng)處理，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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1674-6708（2015）152-0152-02