圖像清晰化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉晨

(喀什大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆喀什 844000)

關(guān)鍵字 ：C#；C++；圖像清晰化

0 引言

隨著圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)特殊天氣條件下得到的圖像的處理成為計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向.由于霧霾、沙塵等因素的影響，在此天氣條件下得到的圖像會(huì)存在對(duì)比度低、細(xì)節(jié)丟失等情況，這些缺失將會(huì)影響后續(xù)圖像分析識(shí)別工作.因此，需要對(duì)此類圖像進(jìn)行清晰化[1-3]處理，增強(qiáng)圖像的信息.目前圖像清晰化算法主要有Retinex 算法[4]、直方圖均衡化算法[5]、自動(dòng)顏色均衡算法[6]、小波變換算法[7]、圖像復(fù)原算法[8]、快速去霧算法[9]以及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法[10]和深度學(xué)習(xí)算法[11-12]等.

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)五種圖像清晰化算法，分別是RetinexSSR（單尺度Retinex 算法）、HE（直方圖均衡算法）、ACE（自動(dòng)顏色均衡算法）、MEAN（基于均值濾波思想的快速算法）和DCP（基于暗通道先驗(yàn)的算法）.利用C#程序設(shè)計(jì)語言[13-14]和C++程序設(shè)計(jì)語言編程完成系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)和軟件的開發(fā).本文用C#設(shè)計(jì)軟件界面，并用C++程序完成圖像清晰化算法函數(shù)并且生成DLL，在C#中調(diào)用DLL 中的庫函數(shù).

圖1 所示的是系統(tǒng)整體概述，圖2 是系統(tǒng)運(yùn)行初始界面圖，圖3 是具體程序接口調(diào)用過程.FromSSR/FromHE/FromACE/FromMean/FormDCP 是五種清晰化算法界面設(shè)計(jì)模塊，SSRDLL/HEDLL/ACEDLL/MEANDLL/DCPDLL 是實(shí)現(xiàn)具體圖像清晰化算法模塊并且生成動(dòng)態(tài)鏈接庫，SSR/HE/ACE/MEAN/DCP是使用C#程序調(diào)用對(duì)用DLL模塊.

圖1 系統(tǒng)概述

圖2 系統(tǒng)界面

圖3 接口調(diào)用

1 算法概述以及具體實(shí)現(xiàn)

1.1 MEAN 算法

MEAN 算法[9]及其具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)基于單幅圖像的快速算法描述如下：

（1）輸入圖像H(x)；

（2）求取M(x)為

其中，r，g，b分別表示圖像紅綠藍(lán)三個(gè)通道；

（3）對(duì)M(x)進(jìn)行均值濾波得到Mave(x)為

（4）求取M(x)中所有元素的均值mav；

（5）利用Mave(x)求出L(x)為

其中ρ為參數(shù)值；

（6）使用Mave(x)和H(x)求A為

（7）輸出圖像，得到的清晰化圖像F(x)為

具體的公式推導(dǎo)參見文獻(xiàn)[9]，使用C++程序語言和C#調(diào)用生成的DLL 庫的算法實(shí)現(xiàn)過程如圖4所示.

圖4 算法實(shí)現(xiàn)過程

1.2 其余算法

RetinexSSR，HE，ACE，DCP 算法概述如下，具體算法過程參見相應(yīng)文獻(xiàn).

（1）RetinexSSR 算法

在Retinex模型中I(x，y)=R(x，y)*L(x,y),I(x，y)是觀察到的圖像；R(x，y)是反射分量，代表模型本質(zhì)信息；L(x，y) 是入射分量，可以表示為L(x，y)=I(x，y)*G(x，y)，G(x，y)是高斯函數(shù).通常將乘法域轉(zhuǎn)化到對(duì)數(shù)域求解R(x，y).

（2）HE 算法

圖像的灰度直方圖可以寫成

其中，nk為灰度級(jí)為k的像素的個(gè)數(shù)，L是灰度級(jí).在直方圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步定義Pr(k)，其表示歸一化的直方圖為灰度級(jí)出現(xiàn)的相對(duì)頻率，Pr(k)=nk/N，N表示圖像像素總數(shù).

（3）ACE 算法

首先獲得中間圖像，對(duì)圖像進(jìn)行色彩進(jìn)行調(diào)整，從而完成圖像色差矯正，得到空域重構(gòu)中間圖像：

其中Ic(p) -Ic(j)表示像素點(diǎn)p和j亮度差，d(p，j)表示度量函數(shù).最后將其映射到[0,255]空間中從而得到：

（4）DCP 算法

DCP算法中模型可以表示為

其中I為有霧霾的圖像，J表示理想圖像，t是透射率，A表示全局大氣光照，通常選擇暗通道中最亮的0.1%的像素來計(jì)算獲得.

定義暗通道為

其中，c是圖像中各個(gè)顏色通道.根據(jù)暗通道原理Jdark(x)是趨于0 的.推導(dǎo)公式可以得到透射率，通常在透射率中加入一個(gè)系數(shù)得到

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 展示的是系統(tǒng)初始界面，其對(duì)應(yīng)是Ret?inexSSR，HE，ACE，MEAN，DCP 五種具體清晰化算法菜單選項(xiàng).圖5 到圖9 中使用的圖片是網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)算法使用的經(jīng)典圖片，圖10 中使用圖片是在沙塵天氣下使用手機(jī)拍攝的喀什大學(xué)新泉校區(qū)照片.

圖5 RetinexSSR算法

在RetinexSSR 算法界面中有打開圖像和保存圖像.系統(tǒng)打開時(shí)候，中間左右兩邊顯示的都是原始待處理圖片.算法完成后，系統(tǒng)界面左邊顯示的原始待處理圖片，系統(tǒng)界面右邊顯示的是算法完成后圖片（后續(xù)各個(gè)算法一樣進(jìn)行設(shè)置）.SSR 操作就是對(duì)圖片進(jìn)行RetinexSSR 算法處理.Radius 是算法中窗口半徑值，SigmaS 和a 值[0,1]是算法中使用的參數(shù)值，可以進(jìn)行設(shè)置.運(yùn)行結(jié)果如圖5 所示.

在HE 界面中有打開圖像和保存圖像.直方圖增強(qiáng)操作就是對(duì)圖片進(jìn)行HE 清晰化算法處理.運(yùn)行結(jié)果如圖6 所示.

圖6 HE算法

在ACE 系統(tǒng)界面中有打開圖像和保存圖像.ACE 操作就是對(duì)圖片進(jìn)行ACE 算法處理.radius 是算法中窗口半徑值，ratio 是算法中使用的參數(shù)值，可以進(jìn)行設(shè)置.運(yùn)行結(jié)果如圖7所示.

圖7 ACE算法

在DCP 去霧界面中有打開圖像和保存圖像.DCP 處理操作就是對(duì)圖片進(jìn)行DCP 清晰化算法處理.RadiusDark，aipha，RadiusGuider，epsilon 是算法中使用的參數(shù)值，可以進(jìn)行設(shè)置.運(yùn)行結(jié)果如圖8所示.

圖8 DCP算法

在MEAN去霧界面中有打開圖像和保存圖像.MEAN 處理操作就是對(duì)圖片進(jìn)行MEAN 算法處理.radius 是算法中窗口半徑值，rho 是算法中使用的參數(shù)值，可以進(jìn)行設(shè)置.運(yùn)行結(jié)果如圖9所示.

圖9 MEAN算法

從圖5—9 所示運(yùn)行結(jié)果中可以看出，在五種清晰化算法RetinexSSR，HE，ACE，MEAN，DCP 中MEAN 算法效果最好.本文使用MEAN 算法對(duì)喀什地區(qū)沙塵圖片進(jìn)行處理，選取的圖片是在喀什沙塵天氣下使用手機(jī)拍攝的喀什大學(xué)新泉校區(qū)圖片.具體處理效果如圖10所示.

圖10 MEAN算法處理喀什大學(xué)新泉校區(qū)沙塵圖片

3 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了RetinexSSR，HE，ACE，MEAN，DCP 五種圖像清晰化算法.利用C#程序設(shè)計(jì)語言編程完成系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)，并用C++程序設(shè)計(jì)語言實(shí)現(xiàn)五種不同圖像清晰化算法并且生成動(dòng)態(tài)鏈接庫DLL，在C#界面程序里調(diào)用DLL庫函數(shù).在后續(xù)研究中將實(shí)現(xiàn)更多的圖像清晰化算法.