多尺度Retinex算法在霧天圖像增強中的應用

曹子鈺　李洋　江雪

【摘要】霧天環境給戶外監視設備帶來嚴重影響，本文從霧天退化圖像的原因和退化圖像的基本特點為出發點，分析了多尺度Retinex算法在霧天圖像增強中的應用。

【關鍵詞】霧天可視圖像 圖像增強 Retinex

一、引言

近幾年來，霧霾、PM2.5“爆表”成為大家熱議的話題。霧天導致公路、高速、河流、機場等交通要道的監控設備的工作狀態極大的收到影響，其主要原因就是霧霾天氣使監控設備拍攝的圖像品質大幅下降，以至于后續工作不能準確進行，使我們的交通存在一定的安全隱患。因此，提高視頻圖像監控設備在霧天中的性能也成為了重要的研究題目。

二、霧天圖像退化模型

當空氣中所含的水蒸氣的量大于在一定溫度條件下的飽和水蒸氣量時，懸浮在近地面空氣層里的多余的水蒸氣凝結成的小水滴便形成了霧。霧汽顆粒的半徑范圍一般在lum-60um。在霧天環境下，反射光會發生散射現象。散射過程的物理本質是十分復雜的，散射現象與媒質的組成以及入射光的狀態有密切關系。由大氣散射理論可以得知，大氣粒子的散射主要可以分為兩類：一類是指場景中物體表面反射的光能在到達傳感器的過程中受大氣粒子的散射而衰減的過程，另一類是指太陽光能被大氣中的懸浮粒子散射后到達傳感器的過程。這兩種過程可以用如下兩個模型進行描述：即入射光衰減（Attenuation）模型和大氣光（Airlight）成像模型。

射光衰減模型是指，由于大氣微粒的散射作用，從場景中反射出的部分光（入射光）被微粒反射和吸收，使到達觀察者眼睛的入射光衰減。場景點的輻射衰減程度是隨距離觀察者的景物距離的增加呈現指數性質的規律。

環境光模型是指，由于大氣顆粒對周邊環境的入射光也有同樣的反射作用，因此會有一部分光沿著觀察路線射向觀察者。同時，大氣可以看作和光源有相同的作用，故被稱作大氣光。

三、霧天圖像增強算法設計

Retinex理論是由Edwin Land于1964年提出的一個關于人類的眼睛如何調節感知到物體顏色和亮度的視覺系統模型發展而來。圖像可以看成是由入射圖像和反射圖像構成，入射光照射在反射物體上，通過反射物體的反射形成反射光進入人眼，就是人類所看到的圖像。我們用L（x，y）表示入射光圖像，它直接決定了圖像中像素所能達到的動態范圍，R（x，y）表示物體的反射性質圖像，即圖像的內在性質，S（x，y）表示人眼所接收的反射光圖像。對數域中就表示為：

四、結論

通過實驗結果可以看出，原圖中左上角遠景高樓的灰度值較高，而下放近景湖面灰度值較低，其灰度直方圖在橫坐標的兩段集中，經過直方圖均衡化增強后，左上角的高灰度區域改善較小。而多尺度Retinex相比直方圖均衡化有更連續的灰度分布，同時在左上角的高灰度值區域有更好的清晰度。本文中基于多尺度Retinex的霧天增強算法有更好的效果。