天津大学 硕士学位论文 基于单幅图像的去雾算法研究 姓名：赵莹 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：张加万;钟志军 20090501
中文摘要
雾天条件下获得的图像受到了严重的退化，具有对比度下降、景物不清晰、 颜色变得暗淡等特点，这大大降低了图像的应用价值。即使在晴朗的天气条件下 拍摄的照片，由于大气的散射作用，照片的清晰度同样受到影响。因为在每一个 实际的场景中，光线在到达相机之前，都会从物体表面反射出来而且散射在空气 中。这是凶为空气中存在的浮质，像灰尘、雾和烟等，这些凶素导致物体表面颜 色变淡和整幅图像的对比度降低。这给工业生产及人们的日常生活带来了很大影 响。因此许多领域都要用到去雾算法，比如军事国防、目标识别、交通导航、遥 感、卫星成像等等。因而有雾图像特征清晰化的研究具有非常重要的意义。 本论文的研究主要利用了计算相机学和图像处理技术来对雾天条件下获得 的图像进行恢复，主要包括以下研究内容： （１）对前人雾天环境下图像的清晰化技术进行了研究，并介绍本文工作的 基础，即数字图像的处理和大气散射物理模型。 （２）在常反照率的情况下推导出有雾图像的恢复算法，并将此算法推广应 用到多反照率的情况。 （３）本文采用ＭＡＴＬＡＢ编程和ＭＡＴＬＡＢ结合Ｃ＋＋编程两种方法实现了有雾图 像的恢复算法，并对结果进行了比较和分析。通过大量实验得出，在相同的处理 结果下，ＭＡＴＬＡＢ结合Ｃ抖比单独使用ＭＡＴＬＡＢ处理速度提高５０倍以上，并且处理 速度不会因原始图像尺寸大小的变化而有很大差异。 本文图像去雾算法的最大特点是只要一幅图像作输入，因此对输入要求不 高。在实现上，由于采用ＭＡＴＬＡＢ结合Ｃ＋＋的方式，既利用了Ｃ＋＋效率高的优势， 又充分发挥ＭＡＴＬＡＢ的数值计算的长处，因此处理过程快速且较准确。本文的研 究使该图像恢复算法的实用价值将得到显著提高，对它的推广应用能够起到促进 作用，并且对相关领域的图像去雾研究有着一定的现实意义。
ｏｎｅ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ
ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｎｅｅｄｓ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂｙ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．１１１ｉｓ ｐａｐｅｒ ｈａｓ
ａ
ｉｍａｇｅ
ｉｎ
ｔｏ ｂｅ
ａｎｄ ｔｈｅ
ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ．
（２）Ｗｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔＯ ｒｅｓｔｏｒｅ ｔｈｅ ｃｌｅａｒｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｇ
ｓｃｅｎｅ
ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｉｔ
ａｓｓｕｍｐｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｌｂｅｄｏ ｉｍａｇｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｍｏｄｉｆｙ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ
ｔＯ
ｍａｋｅ
ｍｕｌｔｉ—ａｌｂｅｄｏ ｉｍａｇｅｓ．
ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂｙ ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ＭＡＴＬＡＢ ｗｉｔｈ Ｃ＋＋
（３）Ｗｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ
ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ
ｇｅｎｅｒａｔｅｄ
ｂｙ ｔｈｅ ｐｕｒｅｌｙ ｍａｔｌａｂ
ｃｏｄｅ．Ｗｅ
ｈａｖｅ
ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈａｔ Ｃ＋＋ｃｏｄｅ ｉｓ ５０ ｔｉｍｅｓ ｆａｓｔｅｒ ｔｈａｎ ｐｕｒｅｌｙ ｍａｔｌａｂ ｃｏｄｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｏｗｎ
ｏｆ ｔｈｅ
ｔｉｍｅ
ｉｔ
ｕｓｅｄ
ｉｓ ｎｏｔ ｎｏｔａｂｌｅ．
Ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｏｎｌｙ
ａｓ
Байду номын сангаас
ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
ｎｅｅｄ
ｍａｒｔｉａｌ
ｄｅｆｅｎｓｅ，ｔａｒｇｅｔ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，ｔｒａｆｆｉｃ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ，ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｉｍａｇｉｎｇ．Ｓｏ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇ
ａ ｈａｚｅ
ｓｃｅｎｅ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．
第一章绪论
１．２课题的研究背景及其意义
雾天时，弥漫在空中的雾气模糊了人们的视线，使得景物的能见度大幅降低， 给人们的生产生活带来严重的影响。雾天获得的图像受到严重退化，不仅模糊不 清，对比度降低，而且彩色图像还会出现严重的颜色偏移与失真，比如沙尘暴天 气获得的图像往往出现严重的泛红现象。这大大降低了图像的应用价值，将给户 外图像采集与处理系统带来很大的困难，甚至无法正常工作，对生产与生活等各 方面造成了极大的影响，例如高速公路图像监视系统，在恶劣天气条件下得到的 退化图像会对判断车辆信息和监控交通情况造成极大的困难：在军事侦察或监视 中，退化图像对信息的识别与处理会造成偏差，而这种偏差的后果是非常严重的； 遥感探测中退化图像同样会对后续的信息处理产生很大的干扰。因此，对这种自 然现象引起的图像质量下降开展图像信号处理研究，具有普遍的实际意义。 另一方面，由于计算机技术的迅猛发展，计算机的运行速度越来越快，图像 处理系统的价格日益下降。随着计算机视觉与图像处理技术的发展，户外视觉系 统的研究与应用正在飞速增长，从而使图像处理得以广泛应用于众多的科学和工 程领域。其中户外监视系统、地形分类系统、自动导航系统以及军用探测系统等 视觉系统的应用越来越受到人们的关注，它们将改变人们的生产手段和生活方 式。这些户外视觉系统需要以户外景物图像为输入，通过计算机视觉、图像处理 等处理技术准确检测输入图像的特征。为了保证视觉系统的全天候正常工作，就 必须使系统能够适用于各类天气状况，这样才能提高系统的可信赖性。而雾天天 气条件是各种天气条件中对视觉影响最严重的一种，雾天户外景物图像的对比度 和颜色都会被改变或退化，图像中蕴含的许多特征都被覆盖或模糊，导致这些视 觉系统无法正常工作。 因此，研究如何对尘雾等恶劣天气条件下获得的退化图像进行有效地处理， 对大气退化图像的复原和景物细节信息的增强有着非常重要的现实意义。本论文 展开了雾天天气下的景物清晰化技术的讨论。雾天下图像的清晰化技术有可能对 其他恶劣天气条件下图像的清晰化技术也起到促进作用。从而促使全天候视觉系 统排除天气状况的干扰和影响。此方面技术的研究有着很大应用前景。图像处理 科学与技术逐步向其他学科领域渗透并为其他学科所利用是必然的。
ｉｎｐｕｔ．Ｗｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ
ｔｈｅ
ＭＡＴＬＡＢ ｗｉｔｈ Ｃ＋＋ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ
ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ｇｒｅａｔ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ
ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ
ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ
ａｎｄ ａｌｓｏ
ｂｅ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ
恤ｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｆｉｅｌｄ．
或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证
书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：走蒸
签字日期：
必。尹年多月吵日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解丞盗盘茎
有关保留、使用学位论文的规定。
特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检
ａ
ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ．Ｉｎ ａｌｍｏｓｔ ｅｖｅｒｙ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｓｃｅｎａｒｉｏ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｆｒｏｍ
ｓｕｒｆａｃｅ ｉｓ ｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｂｅｆｏｒｅ ｉｔ ｒｅａｃｈｅｓ ｔｈｅ ｃａｍｅｒａ．Ｔｈｉｓ ｉｓ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌｓ ｓｕｃｈ ｂｅｃｏｍｅ ｆａｉｎｔ
关键词：图像去雾计算机图像图形学图像恢复ＭＡＴＬＡＢ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｕｎｄｅｒ ｆｏｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｓ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ｄｅｇｒａｄｅｄ．Ｉｔ ｓｕｆｆｅｒｓ ｆｒｏｍ ｐｏｏｒ
ｃｏｎｔｒａｓｔ．１０ｗ ｖｉｓｉｂｉｌｉｔｙ
ａｎｄ ｆａ血ｃｏｌｏｒｓ．Ｔｈｉｓ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｖａｌｕｅ ｏｆ
ａｓ
ｄｕｓｔ，ｍｉｓｔ，ａｎｄ ｆｕｍｅｓ ｗｈｉｃｈ ｗｉｌｌ
ｃａｕｓｅ
ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｌｏｒｓ
ａｎｄ ｃｏｎｔｒａｓｔｓ ｂｅｃｏｍｅ ｒｅｄｕｃｅｄ．Ｉｔ ｍａｋｅｓ ａｎｄ ｄａｉｌｙ ｌｉｆｅ．Ｍａｎｙ
ｆｉｅｌｄｓ
ｍａｎｙ ｔｒｏｕｂｌｅｓ ｔｏ Ｐｅｏｐｌｅ’Ｓ ｄｅｆｏｇ ａｌｇｏｒｉｔｈ，ｓｕｃｈ
ｍａｉｎ
ｃｏｎｔｅｎｔｓ
ｉｎｃｌｕｄｅ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ： ｔｈｅ
（１）Ｗｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｓｃｒｉｂｅ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ
ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｓｔｏｒｅ ｔｈｅ ｃｌｅａｒｎｅｓｓ ｏｆｔｈｅ ｆｏｇ
ｓｃｅｎｅ
ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
ａｌｅ
Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｓｔｏｒｅ．ｔｈｅ ｃｌｅａｒｎｅｓｓ ｏｆ ｉｍａｇｅｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｔａｋｅｎ ｉｎ
ｆｏｇ
ｓｃｅｎｅｓ
ａｕｔｍａｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ
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学位论文作者签名：爽莹
签字日期：Ⅲ罗年乡月弘日