基于Angstrom指數(shù)的可見光及近紅外多波段遙感圖像去霧方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于Angstrom指數(shù)的多波段圖像去霧方法，該方法具體為：輸入多波段圖像，在可見光波段范圍任選3個波段，構(gòu)建輸入圖像獲取大氣天光位置和場景粗透過率；任選兩個波段，結(jié)合粗透過率，利用導(dǎo)向濾波器獲取精細(xì)透過率；利用精細(xì)透過率和相應(yīng)波長，根據(jù)Angstrom指數(shù)關(guān)系，獲取場景Angstrom指數(shù)，計算遙感圖像任意其他波段的場景透過率；利用各波段透過率和大氣天光位置，結(jié)合大氣退化模型，獲取最終的去霧圖像。本方法針對多波段遙感圖像的特點，從圖像上選取少量波段獲取透過率信息，并利用Angstrom指數(shù)關(guān)系推演出其他波段的透過率，從而降低了恢復(fù)算法的工作量，并最終實現(xiàn)多波段圖像的全波段遙感快速去霧恢復(fù)，提高了圖像的對比度和清晰度，增加圖像細(xì)節(jié)。
【專利說明】
基于Angstrom指數(shù)的可見光及近紅外多波段遙感圖像去霧 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本發(fā)明涉及計算機(jī)圖像處理技術(shù)，涉及一種基于Angstrom指數(shù)的可見光及近紅外 多波段遙感圖像快速去霧方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在遙感成像的過程中，光輻射不僅僅依賴于觀測目標(biāo)，同時它還受到大氣中的各 種氣體和氣溶膠粒子的吸收和散射影響。成像過程中不可避免的大氣干擾，通常會導(dǎo)致成 像質(zhì)量的退化，尤其是基于衛(wèi)星、平流層、航空平臺的光學(xué)遙感對地觀測(特別是側(cè)擺、傾斜 拍攝)情況下，成像距離非常遠(yuǎn)從而使得大氣光學(xué)厚度增加，導(dǎo)致捕獲圖像的對比度、色彩 飽和度下降，目標(biāo)細(xì)節(jié)信息丟失，從而大大降低景物的可識別度。因此，為了從圖像中獲得 更多有用的信息，必須進(jìn)行圖像的復(fù)原操作，補償大氣造成的退化影響。
[0003] 而近些年遙感探測從多光譜向著高光譜，甚至于超光譜方向快速發(fā)展。成像光譜 的增多，導(dǎo)致了遙感圖像數(shù)據(jù)量的大大增加，從而使得圖像的大氣補償耗費大量的計算資 源。同時大氣在不同波段變現(xiàn)出來的光學(xué)性質(zhì)差異，也導(dǎo)致了目前主流的圖像去霧算法無 法獲取理想的圖像恢復(fù)效果。因此如何根據(jù)多波段遙感圖像數(shù)據(jù)量大，波段差異等特點，有 效的應(yīng)對光學(xué)遙感對地觀測情況下由于大氣造成的圖像退化問題，是當(dāng)前的重要需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種適用于可見光和近紅外波段范圍的多波段 圖像的去霧方法。從而能夠降低成像圖像各個波段的大氣退化影響，提高各波段的對比度 和清晰度，增加各波段細(xì)節(jié)。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明包括如下步驟：
[0006] (1)輸入一副波段范圍在可見光及近紅外之內(nèi)的多波段有霧遙感圖像In，在其可 見光波段范圍內(nèi)，任選3個不同波段，構(gòu)建一副三通道輸入圖像1 3。利用先驗知識，提取大氣 天光值位置和場景粗透過率；
[0007] (2)從輸入的多波段遙感圖像波段中任選兩個波段，利用步驟(1)中計算出來的場 景粗透過率作為引導(dǎo)圖，輸入到導(dǎo)向濾波器中，最終獲取這兩個波段的場景精細(xì)透過率；
[0008] (3)根據(jù)獲取的兩個波段的場景精細(xì)透過率和兩個波段的波長值，結(jié)合不同波段 大氣光學(xué)厚度同光波長的Angstrom指數(shù)關(guān)系，推算出圖像場景各位置區(qū)域的Angstrom指數(shù) 數(shù)值;利用該指數(shù)數(shù)值和上述任一波段場景精細(xì)透過率，來快速獲取多波段遙感圖像的其 他波段的場景精細(xì)透過率；
[0009] (4)利用步驟（1)中獲得天光值位置，獲取各個波段的大氣天光值，結(jié)合各波段的 場景精細(xì)透過率和相應(yīng)的大氣點擴(kuò)散函數(shù)，根據(jù)大氣多次散射圖像退化模型，獲取最終的 多波段遙感圖像去霧結(jié)果。
[0010] 所述步驟1)中的詳細(xì)步驟包括：
[0011] a)對于一副波段范圍在可見光及近紅外之內(nèi)的具有n個波段的有霧遙感圖像In， 在其可見光波段范圍內(nèi)，任選3個不同波段，構(gòu)建一副三通道輸入圖像1 3。依據(jù)暗原色先驗 知識提取三通道圖像的暗通道：
[0012] min^min^/^v))] (11)
[0013] 其中Idark為獲取的圖像暗通道，右表示圖像13的c通道圖像，Q (x)表示以x像素位 置為中心的局部鄰域；
[0014] b)從上述圖像的暗通道中提取最亮點的位置，作為各通道的天光值的取值位置， 將各通道的相應(yīng)位置的值取作為相應(yīng)通道的天光值；
[0015] c)根據(jù)暗通道性質(zhì)，對于無霧區(qū)域其值接近于0,因此圖像的粗透過率計算如下：
(12)
[0017] 其中V為計算得到的場景粗透過率，CO是常數(shù)系數(shù)，f為di道的天光值。
[0018] 所述步驟2)中首先從原始輸入圖像中任選兩個波段1^12。用步驟（1)中獲取的場 景粗透過率作為引導(dǎo)圖，輸入到導(dǎo)向濾波器中，濾波器輸出結(jié)果就是兩個波段相應(yīng)的場景 精細(xì)透過率：
[0019] (13) LUUIVJ t:^GuuieFilter(i\\,) K 1
[0020]其中GuideFilteH.)為導(dǎo)向濾波操作，t#Pt2分別是1波段和2波段的場景精細(xì)透 過率圖。
[0021]所述步驟3)中的詳細(xì)步驟包括：
[0022] a)首先求取場景的Angstrom指數(shù)，根據(jù)不同波段大氣光學(xué)厚度同光波長的 Angstrom指數(shù)關(guān)系：
(14)
[0024] 其中a是Angstrom指數(shù)，vk分別是波長下的氣溶膠光學(xué)厚度，又因為場景 透過率同大氣光學(xué)厚度存在如下關(guān)系：
[0025] x = -l〇g(t) (15)
[0026] 因此利用步驟(2)中獲取的波段1和波段2的場景精細(xì)透過率圖，結(jié)合式（14)和式 (15)，計算出場景圖像各區(qū)域Angstrom指數(shù)：
(16)
[0028] b)利用計算出來的Angstrom指數(shù)以及上述任一波段的精細(xì)透過率，從式（14)和式 (15)中可以推斷出圖像其他任意波段的場景精細(xì)透過率計算公式：
[0029] t = t0{AIA^r (17)
[0030] 其中，t是任意波段的場景精細(xì)透過率，A是相應(yīng)的波長，to是步驟(2)選取的任一 波段的圖像透過率，Ao是相應(yīng)的波長。根據(jù)式（17)，我們就可以計算出輸入圖像任意波段的 場景精細(xì)透過率。
[0031]所述步驟4)中的詳細(xì)步驟包括：
[0032] a)利用廣義的高斯分布計算的大氣點擴(kuò)散函數(shù)和天光點擴(kuò)散函數(shù)，其式如下：
[0034]其中x，y為圖像坐標(biāo)位置，r (?)是伽馬函數(shù)，「(丨，P 和0為大氣參量，分別計算如下：
(19)
[0036]其中k是參數(shù)常量，q為前向散射因子，T為光學(xué)厚度。
[0037] b)利用如下大氣退化模型：
[0038] 4 = ? APSFo + //v.(l ~ty )?APSFa (20)
[0039] 其中Ix為多波段輸入圖像的x波段，tx是相應(yīng)的場景精細(xì)透過率，Ax是利用步驟(1) 中標(biāo)記的天光位置獲取的相應(yīng)天光值，APSF。和APSF a*別是用廣義的高斯分布計算的大氣 點擴(kuò)散函數(shù)和天光點擴(kuò)散函數(shù)，其中的光學(xué)厚度分別是-l〇g(t x)和-log(l-tx)。
[0040] c)利用計算出來的各參數(shù)，計算退化模型中的天光部分：
[0041 ] G = F>t 0 APSFa = / -，M \-t)? APSFa (21)
[0042] 利用維納濾波結(jié)合獲取的大氣點擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行最終的去霧
[0043] 本發(fā)明的有益效果是:本方法針對多波段遙感圖像的特點，從圖像上選取少量波 段獲取透過率信息，并利用Angstrom指數(shù)關(guān)系推演出其他波段的透過率，從而降低了恢復(fù) 算法的工作量，并最終實現(xiàn)多波段圖像的全波段遙感快速去霧恢復(fù)，提高了圖像的對比度 和清晰度，增加圖像細(xì)節(jié)。
【附圖說明】
[0044] 圖1為本發(fā)明實施例的流程示意圖；
[0045] 圖2為本發(fā)明實施例的原始圖像；
[0046] 圖3為本發(fā)明實施例提取到的暗通道；
[0047] 圖4為本發(fā)明實施例提取到的粗圖像透過率；
[0048] 圖5為本發(fā)明實施例提取到的波段1場景精細(xì)透過率；
[0049] 圖6為本發(fā)明實施例提取到的波段2場景精細(xì)透過率；
[0050] 圖7為本發(fā)明實施例計算出的波段3場景精細(xì)透過率；
[0051] 圖8為本發(fā)明實施例最終去霧圖像。
【具體實施方式】
[0052]如圖1所示，本實施例基于Angstrom指數(shù)的多波段圖像快速去霧算法的實施步驟 如下：
[0053] (1)輸入一幅有霧多波段遙感圖像(見圖2,本例中采用3通道圖像），選取其中三個 通道構(gòu)建輸入圖像，依據(jù)暗原色先驗知識提取三通道圖像的暗通道：
[0054] Idark = min fmm (/； (v))l (22)
[0055] 其中Idark為獲取的圖像暗通道，g表示圖像I3的c通道圖像，Q (x)表示以x像素位 置為中心的局部鄰域。
[0056] 從上述圖像的暗通道(見圖3)中提取最亮點的位置，本實施例中其位置為(315，1) 像素，作為各通道的天光值的取值位置，將各通道的相應(yīng)位置的值作為相應(yīng)通道的天光值， 本實施例中其值分別為
[0057]根據(jù)暗通道性質(zhì)，對于無霧區(qū)域其值接近于0，因此圖像的粗透過率計算如下：
(23)
[0059]其中V為計算得到的場景粗透過率(見圖4)，co是常數(shù)系數(shù)，f為dl道的天光值； [0060] (2)從原始輸入圖像中任選兩個波段iKhzeSSnm)，l2(>2 = 532nm)。利用步驟（1) 獲取的場景粗透過率，作為引導(dǎo)圖，輸入到導(dǎo)向濾波器中，濾波器輸出結(jié)果就是兩個波段相 應(yīng)的場景精細(xì)透過率： 「 ^GuideFi.her{\\\,) ,,
[0061] t^GuuieFil^A,) _
[0062]其中GuideFilteH.)為導(dǎo)向濾波操作，t#Pt2分別是1波段和2波段的場景精細(xì)透 過率(見圖5和圖6)。
[0063] (3)利用步驟(2)獲取的t#Pt2,根據(jù)不同波段大氣光學(xué)厚度同光波長的Angstrom 指數(shù)關(guān)系：
(25)
[0065] 其中a是Angstrom指數(shù)，巧，&分別是波長下的氣溶膠光學(xué)厚度，又因為場景 透過率同大氣光學(xué)厚度的如下關(guān)系：
[0066] x = -log(t) (26)
[0067 ] 計算出場景圖像各區(qū)域Angs trom指數(shù)：
(27)
[0069]利用計算出來的Angstrom指數(shù)以及上述任一波段的精細(xì)透過率，從式（14)和式 (15)中可以推斷出圖像其他任意波段的場景精細(xì)透過率：
[0070] / 二/,廠/:'.r (28)
[0071] 其中，t是任意波段的場景精細(xì)透過率，A是相應(yīng)的波長，to是步驟(2)選取的任一 波段的圖像透過率，Ao是相應(yīng)的波長。根據(jù)式（17)，我們就可以計算出輸入圖像任意波段的 場景精細(xì)透過率。在本實施例中我們選取波段1的透過率圖像作為to, 即AQ = 685nm，來求取 波段3(A = 485nm)的圖像透過率(見圖7)〇
[0072] (4)根據(jù)步驟(3)中獲取的各通道透過率，利用用廣義的高斯分布來計算的大氣點 擴(kuò)散函數(shù)和天光點擴(kuò)散函數(shù)，其式如下：
(29)
[0074]其中義巧為圖像坐標(biāo)位置^^是伽馬函數(shù)^^外^^^以丨/^/下^/^::屮 和0為和大氣參量，分別計算如下：
(30)
[0076] 其中k是參數(shù)常量，q為前向散射因子，T為光學(xué)厚度。然后利用如下大氣退化模型：
[0077] APSFo +.4-0 - ^：3 ? (31)
[0078] 其中Ix為多波段輸入圖像的x波段，tx是相應(yīng)的圖像透過率，Ax是利用步驟(1)中標(biāo) 記的天光位置獲取的相應(yīng)天光值，APSF。和APSFj別是用廣義的高斯分布計算的大氣點擴(kuò) 散函數(shù)和天光點擴(kuò)散函數(shù)，其中的光學(xué)厚度分別是-l〇g(t x)和-l〇g(l_tx)。
[0079] c)利用計算出來的各參數(shù)，計算退化模型中的天光部分：
[0080] (7 = F>t ? APSF, = I-a4\-() ? APSF, (32)
[0081 ]利用維納濾波結(jié)合獲取的大氣點擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行最終的去霧 最終的輸出去霧結(jié)果見圖8。
【主權(quán)項】
1. 一種基于Angs化om指數(shù)的可見光及近紅外多波段遙感圖像去霧方法，其特征在于， 該方法包括W下步驟： (1) 輸入一副波段范圍在可見光及近紅外之內(nèi)的多波段有霧遙感圖像In,在其可見光波 段范圍內(nèi)，任選3個不同波段，構(gòu)建一副=通道輸入圖像13。利用先驗知識，提取大氣天光值 位置和場景粗透過率； (2) 從輸入的多波段遙感圖像中任選兩個波段，利用步驟（1)中計算出來的場景粗透過 率作為引導(dǎo)圖，輸入到導(dǎo)向濾波器中，最終獲取運兩個波段的場景精細(xì)透過率； (3) 根據(jù)獲取的兩個波段的場景精細(xì)透過率和兩個波段的波長值，結(jié)合不同波段大氣 光學(xué)厚度同光波長的Angs化om指數(shù)關(guān)系，推算出圖像場景各位置區(qū)域的Angs化om指數(shù)數(shù) 值;利用該指數(shù)數(shù)值和上述任一波段場景精細(xì)透過率，來快速獲取多波段遙感圖像的其他 波段的場景精細(xì)透過率； (4) 利用步驟（1)中獲得的天光值位置，獲取各個波段的大氣天光值，結(jié)合各波段的場 景精細(xì)透過率和相應(yīng)的大氣點擴(kuò)散函數(shù)，根據(jù)大氣多次散射圖像退化模型，獲取最終的多 波段遙感圖像去霧結(jié)果。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Angstrom指數(shù)的可見光及近紅外多波段遙感圖像去 霧方法，其特征在于，所述步驟1)中的詳細(xì)步驟包括： a) 對于一副波段范圍在可見光及近紅外之內(nèi)的具有n個波段的有霧遙感圖像In,在其可 見光波段范圍內(nèi)，任選3個不同波段，構(gòu)建一副=通道輸入圖像13。依據(jù)暗原色先驗知識提 取3通道圖像的暗通道：(1) 其中Idark為獲取的圖像暗通道，寫表示圖像13的C通道圖像，Q (X)表示W(wǎng)x像素位置為 中屯、的局部鄰域； b) 從上述圖像的暗通道中提取最亮點的位置，作為各通道的天光值的取值位置，將各 通道的相應(yīng)位置的值取作為相應(yīng)通道的天光值；C)根據(jù)暗通帯化席-對平乎愛R協(xié)且估巧;廳于0，因此圖像的粗透過率計算如下： 巧 其中t'為id弁1守判日'、"劉方、他平，W疋巾數(shù)系數(shù)，A。為C通道的天光值。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Angstrom指數(shù)的可見光及近紅外多波段遙感圖像去 霧方法，其特征在于，所述步驟(2)中從In中任選兩個波段Ii和12,用步驟（1)中獲取的場景 粗透過率作為引導(dǎo)圖，輸入到導(dǎo)向濾波器中，濾波器輸出結(jié)果就是兩個波段相應(yīng)的場景精 細(xì)透過率：閩 其中GuideFilteH.)為導(dǎo)向濾波操作，ti和t2分別是1波段和2波段的場景精細(xì)透過率。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Angstrom指數(shù)的可見光及近紅外多波段遙感圖像去 霧方法，其特征在于，所述步驟3)中利用不同波段大氣光學(xué)厚度同光波長的Angs化om指數(shù) (4) 關(guān)系： 其中a是Angstrom指數(shù)，Vfj:分別是波長Al,下的氣溶膠光學(xué)厚度，又因為場景透過率 同大氣光學(xué)厚度存在如下關(guān)系： T = -l〇g(t) (5) 因此利用步驟(2)中獲取的波段1和波段2的場景精細(xì)透過率，結(jié)合式(4)和式(5)，計算 出場景圖像各區(qū)域Angstrom指敬：㈱ 基于該指數(shù)W及上述任一波段的場景精細(xì)透過率，從式(4)和式(5)中可W計算出圖像 其他任意波段的場景精細(xì)透過率：(7) 其中，t是任意波段的場景精細(xì)透過率，A是相應(yīng)的波長，to是步驟(2)選取的任一波段的 場景精細(xì)透過率，Ao是相應(yīng)的波長。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Angstrom指數(shù)的可見光及近紅外多波段遙感圖像去 霧方法，其特巧#^.目斤;未娶由未Il田々n下十與M化瑪型； (8) 其中Ix為多波段輸入圖像的X波段，tx是相應(yīng)的場景精細(xì)透過率，Ax是利用步驟（1)中標(biāo) 記的天光位置獲取的相應(yīng)天光值，APSFd和APSFa分別是用廣義的高斯分布計算的大氣點擴(kuò) 散函數(shù)和天光點擴(kuò)散函數(shù)，其式如下：喲 其中X，y為圖像坐標(biāo)位置，r (.)是伽馬函數(shù)，，p和曰為 大氣參量，分別計算如下：(101 其中k是參數(shù)常量，q為前向散射因子。 最終利用維納濾波曲卷積的方法獲取各通道的去霧結(jié)果。
【文檔編號】G06T5/00GK105913387SQ201610205707
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月1日
【發(fā)明人】林光, 馮華君, 徐之海, 李奇, 陳躍庭
【申請人】浙江大學(xué)