本發(fā)明涉及大氣圖像修復(fù)，具體是一種基于混濁大氣參數(shù)化解析調(diào)制傳遞函數(shù)模型的圖像復(fù)原方法。

背景技術(shù)：

1、混濁大氣中的霧霾等懸浮顆粒會導(dǎo)致光線在傳播過程中發(fā)生多次散射和吸收，使拍攝的圖像模糊不清，顏色失真，因此降低了圖像的成像質(zhì)量，影響圖像的視覺效果和實(shí)際應(yīng)用。圖像的調(diào)質(zhì)傳遞函數(shù)(mtf)是描述成像過程對不同空間頻率信號傳遞特性影響的重要指標(biāo)，它反映了成像過程在不同空間頻率下的分辨能力，對于理解和評估成像過程的性能具有重要意義。在能見度低的霧霾天氣準(zhǔn)確地獲取混濁大氣的mtf對于高質(zhì)量實(shí)時成像和圖像復(fù)原至關(guān)重要。

2、目前，得到混濁大氣mtf的方法主要包括理論分析、數(shù)值模擬、受控室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測量和開放大氣實(shí)際測量。理論分析通過計(jì)算混濁大氣中光散射和吸收的物理過程導(dǎo)致的能量衰減而獲得mtf，包括使用小角散射近似法(small?angleapproximation，saa)和求解輻射傳輸方程計(jì)算mtf。其中最常用的是基于小角散射近似的調(diào)制傳遞函數(shù)模型，該調(diào)制傳遞函數(shù)模型在合適的參數(shù)范圍內(nèi)即光學(xué)厚度較小、前向散射模式強(qiáng)、空間頻率較低時有效；而在其他情況時，模型誤差較大。在實(shí)際大氣環(huán)境中，光學(xué)厚度、前向散射模式、空間頻率這些參數(shù)都是實(shí)時變化的；尤其是在有霧天氣下，上述的調(diào)制傳遞函數(shù)模型去霧效果不佳，導(dǎo)致成像質(zhì)量較差。

3、由此可見，目前亟須一種能夠在有霧的大氣環(huán)境中有效地提高成像質(zhì)量的圖像處理方法，以解決mtf模型去霧效果不佳而導(dǎo)致成像質(zhì)量較差的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了避免和克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于混濁大氣參數(shù)化解析調(diào)制傳遞函數(shù)模型的圖像復(fù)原方法。本發(fā)明能夠有效地提高霧天圖像的清晰度和顏色還原度。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、一種基于混濁大氣參數(shù)化解析調(diào)制傳遞函數(shù)模型的圖像復(fù)原方法，包括以下復(fù)原步驟：

4、s1、使用disort算法計(jì)算出各組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的mtf值，并將計(jì)算得到的mtf值全部存儲在源數(shù)據(jù)庫中；

5、s2、基于源數(shù)據(jù)庫中的mtf值，計(jì)算出各組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的空間頻率臨界值，并根據(jù)空間頻率臨界值將當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的完整空間頻率區(qū)間劃分為多個空間頻率子區(qū)間；

6、s3、根據(jù)源數(shù)據(jù)庫中的mtf值，推導(dǎo)出各組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)在其各個空間頻率子區(qū)間中的混濁大氣參數(shù)化解析調(diào)制傳遞函數(shù)模型；

7、s4、結(jié)合混濁大氣參數(shù)化解析調(diào)制傳遞函數(shù)模型，構(gòu)建天光背景下表征混濁大氣介質(zhì)對圖像空間頻譜影響程度的混濁介質(zhì)表觀調(diào)制傳遞函數(shù)；

8、s5、令混濁介質(zhì)表觀調(diào)制傳遞函數(shù)作為退化函數(shù)，將該退化函數(shù)賦予逆濾波方法，并使用該逆濾波方法對圖像進(jìn)行復(fù)原。

9、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)包括光學(xué)厚度τ、單次散射反照率ω、非對稱因子g。

10、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟s2的具體步驟如下：

11、s21、通過空間頻率臨界值計(jì)算公式計(jì)算出當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的空間頻率臨界值，空間頻率臨界值計(jì)算公式表示如下：

12、

13、式中，ωc1表示當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的劃分低空間頻率子區(qū)間和中空間頻率子區(qū)間的空間頻率臨界值；mtfn表示當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的第n個空間頻率的mtf值；mtfmax表示當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)在零空間頻率時的mtf值；mtflow表示mtfn和mtfmax之間差值的絕對值；ζ1表示當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的劃分低空間頻率子區(qū)間和中空間頻率子區(qū)間的空間頻率閾值；ωc2表示當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的劃分中空間頻率子區(qū)間和高空間頻率子區(qū)間的空間頻率臨界值；mtfmin表示當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)在無窮空間頻率時的mtf值；mtfhigh表示mtfn和mtfmin之間差值的絕對值；ζ2表示當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的劃分中空間頻率子區(qū)間和高空間頻率子區(qū)間的空間頻率閾值；

14、s22、依照對應(yīng)的空間頻率臨界值將當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的完整空間頻率區(qū)間依次劃分為低空間頻率子區(qū)間[0,ωc1)、中空間頻率子區(qū)間[ωc1,ωc2)和高空間頻率子區(qū)間[ωc2,∞)，其中∞表示無窮空間頻率。

15、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：步驟s3的具體步驟表示如下：

16、s31、將各個關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)、各組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的全部mtf值，以及各個關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的空間頻率臨界值ωc1和空間頻率臨界值ωc2均存放在訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中；

17、s32、基于訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，分別通過多元非線性擬合得到各組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)對應(yīng)的空間頻率臨界值ωc1計(jì)算函數(shù)、空間頻率臨界值ωc2計(jì)算函數(shù)、低空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)，以及高空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)；

18、s33、根據(jù)擬合得到的低空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)和高空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)，采用線性插值法得到對應(yīng)的中空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)；且三個mtf值計(jì)算函數(shù)共同構(gòu)成當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)在完整空間頻率區(qū)間內(nèi)的混濁大氣參數(shù)化解析調(diào)制傳遞函數(shù)模型。

19、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：空間頻率臨界值ωc1計(jì)算函數(shù)表示如下：

20、

21、式中，exp表示以自然常數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)；ac1表示空間頻率臨界值ωc1計(jì)算函數(shù)中的常數(shù)項(xiàng)；τi+1表示光學(xué)厚度τ的i+1次方，bc1,i表示空間頻率臨界值ωc1計(jì)算函數(shù)中τi+1的系數(shù)；ωi+1表示單次散射反照率ω的i+1次方，tc1,i表示空間頻率臨界值ωc1計(jì)算函數(shù)中ωi+1的系數(shù)；gi+1表示非對稱因子g的i+1次方，dc1,i表示空間頻率臨界值ωc1計(jì)算函數(shù)中g(shù)i+1的系數(shù)；pc1、fc1、hc1和jc1均表示空間頻率臨界值ωc1計(jì)算函數(shù)中對應(yīng)的單次多項(xiàng)式的系數(shù)；

22、空間頻率臨界值ωc2計(jì)算函數(shù)表示如下：

23、

24、式中，ac2表示空間頻率臨界值ωc2計(jì)算函數(shù)中的常數(shù)項(xiàng)；bc2,i表示空間頻率臨界值ωc2計(jì)算函數(shù)中τi+1的系數(shù)；tc2,i表示空間頻率臨界值ωc2計(jì)算函數(shù)中ωi+1的系數(shù)；dc2,i表示空間頻率臨界值ωc2計(jì)算函數(shù)中g(shù)i+1的系數(shù)；pc2、fc2、hc2和jc2均表示空間頻率臨界值ωc2計(jì)算函數(shù)中對應(yīng)的單次多項(xiàng)式的系數(shù)。

25、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：低空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)表示如下：

26、

27、式中，表示關(guān)于空間頻率ω的低空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)，ω表示空間頻率；ac1表示低空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)中的常數(shù)項(xiàng)；bc1,i表示低空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)中τi+1的系數(shù)；tc1,i表示低空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)中ωi+1的系數(shù)；dc1,i表示低空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)中g(shù)i+1的系數(shù)；pc1、fc1、h21和jc1均表示低空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)中對應(yīng)的單次多項(xiàng)式的系數(shù)；

28、高空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)表示如下：

29、

30、式中，表示關(guān)于空間頻率ω的高空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)；ac2表示高空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)中的常數(shù)項(xiàng)；bc2,i表示高空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)中τi+1的系數(shù)；tc2,i表示高空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)中ωi+1的系數(shù)；dc2,i表示高空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)中g(shù)i+1的系數(shù)；pc2、fc2、hc2和jc2均表示高空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)中對應(yīng)的單次多項(xiàng)式的系數(shù)；

31、中空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)表示如下：

32、

33、式中，表示關(guān)于空間頻率ω的中空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)；ωc1-c2表示當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)中中空間頻率子區(qū)間內(nèi)的任意空間頻率；

34、

35、式中，mtf(ω)表示當(dāng)前組關(guān)鍵大氣光學(xué)參數(shù)在完整空間頻率區(qū)間內(nèi)關(guān)于空間頻率ω的混濁大氣參數(shù)化解析調(diào)制傳遞函數(shù)模型。

36、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：混濁介質(zhì)表觀調(diào)制傳遞函數(shù)表示如下：

37、

38、式中，mtf'(ω,λ)表示關(guān)于空間頻率ω和環(huán)境光波長λ的混濁介質(zhì)表觀調(diào)制傳遞函數(shù)；mtf(ω,λ)表示關(guān)于空間頻率ω和環(huán)境光波長λ的混濁大氣參數(shù)化解析調(diào)制傳遞函數(shù)模型；ip(λ)表示環(huán)境光經(jīng)過大氣中混濁介質(zhì)散射后的背景光強(qiáng)度；fo(ω),λ)表示目標(biāo)像元亮度ip(λ)的傅里葉變換；δ(ω)表示關(guān)于空間頻率ω的dirac函數(shù)。

39、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：mtf(ω,λ)表示如下：

40、

41、

42、

43、式中，τ(λ)表示關(guān)于環(huán)境光波長λ的光學(xué)厚度計(jì)算公式，即當(dāng)前的光學(xué)厚度τ通過環(huán)境光波長λ計(jì)算而得；表示關(guān)于空間頻率ω和環(huán)境光波長λ的低空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)；表示關(guān)于空間頻率ω和環(huán)境光波長λ的高空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)；

44、表示關(guān)于空間頻率ω和環(huán)境光波長λ的中空間頻率子區(qū)間內(nèi)的mtf值計(jì)算函數(shù)；

45、

46、式中，l表示環(huán)境光的傳輸距離；v表示環(huán)境能見度；q表示環(huán)境光傳輸距離系數(shù)。

47、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：背景光強(qiáng)度計(jì)算公式表示如下：

48、

49、式中，k(ω,λ)表示關(guān)于空間頻率ω和環(huán)境光波長λ的參量計(jì)算函數(shù)。

50、作為本發(fā)明再進(jìn)一步的方案：在步驟s5中使用逆濾波方法對圖像進(jìn)行復(fù)原后，接著使用gamma函數(shù)對圖像處理，得到清晰度高的復(fù)原圖像。

51、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

52、1、本發(fā)明通過構(gòu)建的混濁大氣參數(shù)化解析mtf模型及其在圖像復(fù)原中的應(yīng)用，顯著地提升了霧天圖像的清晰度和顏色還原度，解決了傳統(tǒng)方法中圖像去霧效果不佳的問題。

53、2、本發(fā)明在圖像復(fù)原過程中，綜合考慮了大氣衰減、多次散射及環(huán)境光背景的影響，完整描述了在復(fù)雜大氣環(huán)境下圖像傳輸時的變化情況，確保復(fù)原后的圖像在對比度和色彩還原度上達(dá)到最佳效果。

54、3、通過逆濾波方法結(jié)合gamma校正技術(shù)，本發(fā)明能夠處理不同能見度條件下導(dǎo)致的圖像模糊問題，復(fù)原后的圖像顏色自然、對比度高，適用于多種應(yīng)用場景。

55、4、本發(fā)明混濁大氣參數(shù)化解析mtf模型的平均相對誤差不超過8％，均方根誤差小于0.05，能夠精確計(jì)算混濁大氣條件下的mtf，并應(yīng)用于圖像復(fù)原，確保復(fù)原后的圖像在細(xì)節(jié)和整體質(zhì)量上均有顯著提升。