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基于暗原色先验的单一图像去雾方法

何恺明，孙剑，汤晓鸥
香港中文大学微软亚洲研究院
摘要：在这篇论文当中，我们提出了一种简单但是有效的图像先验规律——暗原色先验（darkchannel
prior）来为单一输入图像去雾。暗原色先验来自对户外无雾图像数据库的统计规律，它基于经观察得到
的这么一个关键事实——绝大多数的户外无雾图像的每个局部区域都存在某些至少一个颜色通道的强度
值很低的像素。利用这个先验建立的去雾模型，我们可直接估算雾的浓度并且复原得到高质量的去除雾
干扰的图像。对户外各种不同的带雾图像的处理结果表明了darkchannelprior的巨大作用。同时，作
为去雾过程中的副产品，我们还可获得该图像高质量的深度图。

1、引言
户外景物的图像通常会因为大气中的混浊的媒介（比如分子，水滴等）而降质，雾、霭、蒸气都因
大气吸收或散射造成此类现象。照相机接收到景物反射过来的光线经过了衰减。此外，得到的光线还混
合有大气光(经大气分子反射的周围环境的光线)。降质的图像的对比度和颜色的保真度有所下降，如图1
所示。由于大气散射的程度和景点到照相机的距离有关，图像降质是随着空间变化的。
在消费／计算摄影业和计算机视觉领域，图像去雾有着广泛的需求。首先，去雾能显著地提高景象
的清晰度并且改正因空气而带来的色移。一般的，去除雾干扰的图片看起来要更加舒服。其次，大多数
的计算机视觉算法，从低级别的图像分析，到高级别的目标识别，一般会假定输入图像即景物的原始光
线会聚所成。视觉算法（例如特征检测、滤波、光度分析等）的实现会不可避免地因为偏光、低对比度
图像而不理想。再次，去雾可产生图像的深度信息，有助于视觉算法和高级的图像编辑。通常意义下不
好的雾也能派上用场，作为深度的线索能加深人们对景像的理解。
然而，去雾是一项有挑战性的课题，因为大气中雾所依赖的深度信息是未知的。而在只有一幅图像
可分析的情况下，解决这一问题又受到了制约。因此，很多使用多张图像或其他更多辅助信息的去雾方
法被提出。在[14,15]中用多幅图像从不同程度的偏振光的角度来去除雾的干扰。在[8,10,12]里通
过从同一景象在不同天气情况下的照片获得更多的对比度的信息来去雾。[5,11]中基于深度的方法则需
要来自对应图片或者已知的3D模型的大致深度信息。
最近，基于单一图像的去雾取得了很大的进展。这些方法的成功往往得益于一个强有力的先验或假
设。TaN[16]观察到无雾图像比有雾图像具有更高的对比度，他通过扩大复原图像的局部对比度来达到去
雾的效果。这样得到的结果在视觉上是很吸引人的，但实际上在光学原理上达到去雾。Fattal[2]通过假
定透射率和表面投影在局部是不相关的，估算景物的反射率，来推断景物光在空气中传播时的透射率。
Fattal的的做法比较准确，并且能产生很好的去雾结果。然而他的方法在雾浓度较大的时候便显得无能
为力，尤其是当他的假想一旦失效的时候。
在这篇文章，我们提出一种新的先验规律——暗原色先验，来用于单一图像去雾。暗原色先验是对
户外无雾图像库的统计得出的规律。我们发现，在不包括天空的绝大部分局部区域，总会存在一些我们
称之为“darkpixels”的像素，至少有一个颜色通道具备很低的强度值。在被雾干扰的图像里，这些暗
像素的强度值会被大气中的白光成分所充斥而变得较高。
因此，这些暗像素能够直接用来评估雾光的透射信息。结合一个已有的雾成像模型和插值法抠图修复，
我们可以得到高质量的去雾图像和很好的深度图。
我们实现的去雾不仅在物理上有效，而且能够处理包括在雾浓度很大情况下的远距离物体。我们没
有依靠输入图像透射率或表面投影的显著变化，结果基本没有人工的痕迹或者晕影。
和任何其他利用先验规律实现的算法一样，我们的实现也有其限制因素。当取景对象在较大范围内
和天空接近并且没有阴影覆盖的时候，暗原色的猜想将不成立。尽管我们的去雾处理对大多数户外带雾
图像都有较好成果，在一些极限情况下还是会失效。我们相信，从不同的角度来发展这一先验，并且将
其组合能使得这一工作更加完善。

2、背景
在计算机视觉和计算机图形中，下述方程所描述的雾图形成模型被广泛使用[16,2,8,9]:
I（x）=J(x)t(x)+A(1−t(x))(1)
I是指观测到的图像的强度，J是景物光线的强度，A是全球大气光成分，t用来描述光线通过媒介透射到
照相机过程中没有被散射的部分，去雾的目标就是从I中复原J,A,t。
方程右边的第一项J(x)t(x)叫做直接衰减项［16］，第二项A(1−t(x))则是大气光成分。直接
衰减项描述的是景物光线在透射媒介中经衰减后的部分，而大气光则是由前方散射引起的，会导致景物
颜色的偏移。因为大气层可看成各向同性的，透射率t可表示为：……（2）
贝塔大