【《影像去雾技术相关技术基础综述》3100字】

影像去雾技术相关技术基础综述目录TOC\o"1-3"\h\u15874影像去雾技术相关技术基础综述 134641.1影像相关模型 129671.1.1大气光成像模型 2180371.1.2雾天影像退化模型 3179011.2雾天影像的特性分析 524941.1.1雾天影像的对比度衰减特性 5164611.1.2雾天影像模糊特性 5318861.1.3雾天影像的时域特征 6138721.3小结 6无人机影像在人类的日常生活以及工业生产中都有广泛的应用，但是当在雾天条件下，无人机采集到的影像质量不好，清晰度和对比度降低，降低了无人机影像的使用价值，增加了人们对影像有用信息提取以及目标地物识别的难度。因此本章主要是分析与影像相关的模型，然后，对雾天影像的特性从几个方面进行了简单的分析。1.1影像相关模型研究学者经过很长时间的实验与观察得出大气中可以影像光线传播的的主要成分分为以下几类：空气分子、水蒸气分子以及气溶胶等REF_Ref2256\r\h[1]。这些成分除空气分子对影像的影响可以忽略不计以外，其余成分都对在光线传播过程中起到了不能忽视的散射作用，都会降低影像的质量。当在阳光明媚无雾天气的情况下，大气中可以影响光线传播的主要成分是空气分子，因此由于空气分子引起的散射对光线传播的影响几乎可以忽略不计，因此，在无雾天气条件下采集到的影像质量较好。但在有雾的天气情况下，大气中影响光线传播的主要成分是水蒸气分子和气溶胶粒子，这些粒子造成大气光从物体反射成像设备的传播过程中，导致光线在空气中遵循着某个规律传播，由此可见光的散射作用是造成影像退化的主要原因REF_Ref13277\r\h[7]。1.1.1大气光成像模型光线在传播过程中有部分环境光参与成像，物体的反射光的部分的周围环境光共同进入人的眼睛，这就是所看到的物体的亮度。并且当物体与成像设备之间的的距离越来越大时，周围环境光参与成像的就越多，根据辐射程度与观察者之间的几何关系REF_Ref13607\r\h[8]，对大气光成像的过程进行分析，如图1.1所示。图1.1大气光成像模型利用图1.1所示的模型可以分析周围环境光参与成像的过程，假设成像设备形成的立体角为，大气光源与成像设备的距离为dREF_Ref2256\r\h[1]，则横截面积和厚度的乘积表示距离成像设备处的微元(1.1）由成像设备上的周围环境光发生的散射作用得到的亮度微元表示为（1.2）（1.3）其中，β(λ)是大气散射系数；k是比例常数，亮度微元dI(x,λ)的点光源为dV，它经过大气粒子的衰减到达成像处的辐射度可以表示为（1.4）则光源dV的辐射率为（1.5）将式(1.4)，(1.5)化简得到(1.6)将式(1.6)从x=0到x=d上进行积分得到(1.7)上式表示的是从目标对象到成像设备光的总强度，当目标物体在一个无限的距离即地平线的大气光强度时，即(1.8)因此，距离成像设备d处的大气光辐射度表示为(1.9)当物体距离成像装备距离d=0时，通过式(1.9)可得到大气光辐射为0，这符合实际情况。因此，大气光辐射度可表示为(1.10)以上的公式描述的大气光成像模型=，g表示相机参数。1.1.2雾天影像退化模型在影像的获取、传输、处理和保存等过程中，由于方式方法与介质的原因以及保存方式不当，使得影像质量降低，也就是影像退化。影像复原是指基于影像退化的原因，运用某些已有的知识，建立模型，沿着影像退化的过程反向处理影像，得到最大程度保真而又清晰的复原影像。参照McCartney文献REF_Ref14015\r\h[9]的模型可知，衰减的入射光能量和散射的周围环境光入射光都参与了成像。因此，成像设备接收到的总光照能量可以看做是衰减的入射光能量和散射的周围环境光的和，即(1.11)其中，前者是衰减的入射光；后者是散射的周围环境光，它表达的是周围环境光散射到成像设备的光的亮度，由于光照的不确定性，导致影像颜色存在不一样的地方REF_Ref2256\r\h[1]。现在，这个模型经常被用来处理有雾影像以此来得到无雾的高质量影像，尽管不同的研究学者提出了不一样的表达式，但本质上都是一样的。为了便于研究，对上式进行替换，令(1.12)可以得到雾天影像的成像模型(1.13)其中I(x)是影像设备采集到的原始影像也就是有雾影像；A是周围环境光值，一般影像的这个周围环境光往往对应的是天空的亮度；ρ(x)是场景反照率。J(x)=Aρ(x)表示的是相同情况下的无雾影像；是透射率；d表示场景深度。进一步简化为下式：(1.14）（1.14)其中：为传感器接收到的场景信号，即从拍到的影像中获取到的亮度，这是一个已知值；为信号处理后的清晰影像，是我们实验想得到的实验结果;为大气透射率；A(1－t(x))称为环境光照，表示影像接收的大气散射光强，是引起色彩偏移和云雾效果的直接原因。综上所述将拍摄设备采集到的原始影像中的周围环境光的影像去除，然后再将入射光的衰减能量进行补偿，就可以达到影像复原的目的，得到无雾的影像。1.2雾天影像的特性分析在雾天条件下，粒子对影像的散射作用导致无人机采集到的影像有雾具有一些有规律可循的特性，以下是对影像从四个不同的方面分析其特性。1.1.1雾天影像的对比度衰减特性研究者经过长时间的实验，得出雾天天气中的粒子对影像的对比度影响呈现一下的规律：随着目标物体与成像设备的之间的距离是成反比例式变化，即随着距离的增加而减少的规律REF_Ref14586\r\h[10]。翟艺书REF_Ref14867\r\h[11]利用大气散射模型和对比度的公式，推导出目标物体在雾天条件下的对比度与晴天条件下的对比度之间的关系(1.15)其中，为阳光明媚天气条件下影像所包含范围的平均辐射度，为有雾的天气情况下目标物体到成像设备的相同距离物体的平均辐射度，由于与都是已知且固定的数值，所以从上式中可以看出，距离d变大，便以一种线性的规律的衰减。所以，为了能够尽可能好的复原出影像的对比度，就必须要考虑到影像中各目标地物到成像设备的距离，但是，传统的方法往往是没有考虑影像中目标地物到成像设备的距离信息，简单的认为所有目标地物到成像设备的距离都相同，因此他们都是采用同样的距离来对影像进行处理，这样就会出现影像的有些区域因为处理不到位而不够清晰，而另外一些区域却因为过度处理而发生影像扭曲REF_Ref2256\r\h[1]。1.1.2雾天影像模糊特性当在有雾的天气条件下，无人机进行室外作业采集到的影像会存在大量的雾气，这样的影像不仅分辨率会大大降低，还会导致影像模糊不清，从而不利于影像中有价值信息的提取。要想分析雾天天气情况下采集的影像不清楚的原因，主要从两个方面考虑，一是考虑无人机成像设备本身的原因，例如，成像设备质量问题；另一方面是目标地物到成像设备的距离，但是，总而言之，大气中的大直径粒子的散射作用应该才是造成有雾天气情况下模糊不强的主要原因。在有雾的天气情况下，由于空气中存在大量颗粒等可能发生散射作用的气溶胶粒子，而且，散射作用不仅使得入射光能量减少，还导致到达成像设备的光线减少，此外还会使得参与成像的大气光线减少进而使得影像的饱和度降低，导致影像的质量下降，分辨率降低，利用价值也随之降低。1.1.3雾天影像的时域特征分析雾天影像的时域特征，主要使用的是一种在时域上的具有反映频率的统计分析作用的工具：灰度直方图，这个分析工具主要反映了无人机采集的影像中某种灰度出现的频率，具备了很好的特征和统计功能的优点。在有雾的天气条件下采集到的影像的灰度直方图能够很好的提供影像的最基本的统计特征，进而可以更好的为整个影像处理提供整个影像的平均亮暗程度和影像的整体对比度REF_Ref15612\r\h[12]。之前研究者在对于有雾影像的研究中，采集了大量的有雾影像并统计其直方图特征，发现相对于在阳光明媚天气情况下采集到的高质量影像的直方图，在有雾天气情况下采集到的有雾影像的直方图灰度级动态范围相对要小，其高灰度和低灰度也更接近中间，导致其像素灰度分布的范围也小，并且灰度向中间接近的程度