大气散射模型知识讲解
可见光大气衰减模型
可见光大气衰减模型一、概述可见光大气衰减模型是指用数学公式来描述大气对可见光的衰减程度。
这个模型可以用于计算大气折射、大气散射、大气吸收等现象，从而帮助我们更好地理解和研究地球的大气环境。
二、大气散射1. 瑞利散射瑞利散射是指空气分子对可见光的散射现象。
它是由于空气分子的大小比可见光波长小很多，因此可以看作是一个点源。
根据瑞利散射公式，散射角度越小，散射强度就越强。
2. 米氏散射米氏散射是指空气中的颗粒对可见光的散射现象。
这些颗粒包括水滴、灰尘等微小物质。
根据米氏散射公式，颗粒大小越大，散射角度就越小。
三、大气吸收1. 水汽吸收水汽是一种重要的吸收因素，在太阳辐照下会吸收很多可见光波长范围内的能量。
根据水汽吸收公式，水汽的浓度越高，吸收强度就越大。
2. 氧气吸收氧气也是一种重要的吸收因素，它会吸收可见光波长范围内的一部分能量。
根据氧气吸收公式，氧气浓度越高，吸收强度就越大。
四、大气折射1. 斯涅尔定律斯涅尔定律是指当光线从一个介质进入另一个介质时，它会发生折射现象。
根据斯涅尔定律公式，入射角和折射角之间的关系可以用来计算光线在大气中的路径。
2. 瑞利-索姆菲尔德散射理论瑞利-索姆菲尔德散射理论是一种用于描述大气中光线传播特性的模型。
它考虑了空气分子和颗粒对可见光波长范围内的散射和吸收作用，并且可以用来计算大气折射率。
五、总结可见光大气衰减模型是一个非常复杂而又重要的研究领域。
它涉及到光学、气象、大气物理等多个学科，需要建立起一个完整的数学模型来描述大气对可见光的影响。
通过深入研究和探索，我们可以更好地理解地球的大气环境，为环境保护和气象预报提供有力支持。
大气散射模型在雾天图像增强和海面小目标检测中的应用
大气散射模型在雾天图像增强和海面小目标检测中的应用大气散射模型在雾天图像增强和海面小目标检测中的应用引言：雾天对于图像处理和目标检测带来了许多挑战。
在雾天条件下，图像中的细节被模糊和遮蔽，同时海面上的小目标也因雾气的存在而变得难以识别。
为了克服这些问题，科学家们引入了大气散射模型，该模型可以帮助恢复被雾气所遮挡的图像信息，并提高海面小目标的检测率。
一、大气散射模型的原理大气散射模型是根据大气散射现象建立的数学模型。
在雾天条件下，光线与雾气中的微小颗粒相互作用，导致光线的散射现象。
根据散射模型，我们可以估计雾气对图像亮度和颜色的影响，进而利用这些信息进行图像增强和目标检测。
二、雾天图像增强1. 雾气的影响：在雾天条件下，由于光线的散射现象，图像的亮度和对比度会降低，同时出现色偏现象，使得图像细节难以辨认。
2. 大气散射模型在图像增强中的应用：大气散射模型可以估计图像中雾气的浓度和颜色参数，进而根据这些参数调整图像的亮度和对比度，减轻色偏现象。
通过该模型的应用，雾天图像的细节可以得到恢复，图像的视觉效果将更加清晰和自然。
三、海面小目标检测1. 雾气的影响：在海面上，雾气的存在会导致小目标在图像中的表示模糊，目标的边缘和纹理特征难以捕捉，从而给目标检测带来困难。
2. 大气散射模型在目标检测中的应用：大气散射模型可以帮助恢复由雾气导致的图像模糊，使得海面小目标的边缘和纹理特征得以增强。
在目标检测过程中，我们可以利用散射模型对原始图像进行预处理，将图像中的雾气效应去除后，再进行目标的特征提取和分类，从而提高小目标的检测率。
四、实验和应用科学家们通过实验验证了大气散射模型在雾天图像增强和海面小目标检测中的有效性。
他们使用了不同种类的雾天图像和海面小目标图像，通过调整大气散射模型的参数，成功地恢复了图像的细节并提高了小目标的识别率。
在实际应用中，大气散射模型的应用有着广泛的前景。
在军事上，利用该模型可以提高侦查和目标锁定的准确性；在海洋研究中，能够更好地识别和跟踪海洋中的小目标；在自动驾驶领域，可以增强汽车视觉系统在雾天条件下的图像处理能力。
大气散射模型原理
大气散射模型原理
大气散射模型是用来描述自然景物表面反射光线在大气中逐渐衰减的数学模型。
其原理可以简述为：当光线通过大气时，会被大气中的分子和颗粒物所散射。
这些散射事件会使得光线逐渐衰减、扩散和变色，最终到达人眼的光线成为不同颜色、亮度和方向的杂散光，使得物体在视觉上看起来更加模糊和暗淡。
在大气散射模型中，一般将大气分为多个不同的层，每一层具有不同的光学参数，如散射系数、吸收系数、逐渐变化的折射率等。
这些参数决定了光线在大气中的传播和衰减方式，从而影响景物的视觉品质。
通过对这些参数的建模和计算，可以得到不同大气条件下光线传播的特性，以及不同特定条件下景物的表面颜色、亮度和对比度等视觉特征，为计算机图形学和计算机视觉领域提供了重要的理论基础。
转载大气粒子的光散射
转载大气粒子的光散射地球大气中含有多种多样的粒子，从气溶胶、水滴、冰晶到雨滴、雪花和刨冰，这里我们重点介绍气溶胶粒子和云粒子的光散射。
大气中气溶胶粒子的源多种多样，自然源气溶胶主要包括干旱半干旱地区的灰尘、海洋上海浪沫产生的粒子、火山尘、林火的烟尘、地球外或者行星际的宇宙尘，以及自然界中的气体发生化学反应而生成的细小颗粒。
人造气溶胶源于燃烧过程直接排放的粒子以及排放的气体所形成的粒子。
气溶胶通常按照其地点和类型可分为大陆性、海洋性和极地型气溶胶。
大陆性气溶胶又可以细分为清洁型的（农村、森林）、一般的、沙漠（有风条件下）型以及城市或者工业型几种情况。
这种类型的气溶胶其成分包括水溶性粒子、尘状粒子、烟尘粒子以及矿物粒子等。
海洋性气溶胶又可以分为清洁型、矿物型、污染型几种情况，包括海盐粒子、矿物粒子、硫酸盐离子和烟尘粒子。
极地型气溶胶可以细分为污染型、北极清洁型以及南极清洁型几种情况，包括烟尘粒子、矿物粒子、海盐粒子以及硫酸盐粒子。
在不同的地区，气溶胶类型多种多样，这说明在某种程度上，它们受到大气环流输送的控制。
尘状物质是在非沙漠地区形成的矿物尘，代表土壤条件。
水溶性气溶胶可以在水中溶解，它是由硫酸盐、硝酸盐、以及有机化合物以及组成，气混合比随着源的变化而不同。
烟尘是指所有含碳的物质，不是燃烧过程中直接向大气中排放的粒子的产物就是与燃烧的有关气体转化而成的粒子。
硫酸盐粒子是含硫气体氧化的产物，既有自然过程生成的，还有人类活动产生的。
自然界的硫酸盐主要是由生物沉积生成，人类活动产生的硫酸盐只要是由于煤以及石油的燃烧、熔炼以及运输的过程中产生。
对流层中的气溶胶通常分为五个基本大类：尘土气溶胶，烟尘气溶胶、硫酸盐、海盐和有机气溶胶。
大气中气溶胶的尺度分布非常复杂，根据尺度大小通常分成两类，并且分别代表两种不同的主要生产机制。
直径大于1um的粒子是大块物质经过风化而形成的（例如海盐粒子以及土壤尘埃粒子）。
小于1um的细小微粒通常是大气中气体粒子通过燃烧或者化学反应形成的固体或者液体生成物。
大气散射模型
基于大气散射模型的实时视频去雾方法研究摘要：近年来，我国空气质量大幅下降，导致雾霾天气日渐频繁。
在雾霾天气情况下，大气中存在着很多混浊介质（如，颗粒、水滴等），户外场景的视频图像出现了退化和降质，表现为清晰度和对比度低、色彩失真、细节特征模糊不清等特点。
视频图像的降质退化使得户外视觉系统不能正常发挥效用，降低了工作效率及其可靠性。
例如，在雾霾天气情况下，能见度降低，航拍视频中目标不可见，且色彩及对比度等特征严重衰减，无法满足航拍工作系统的灾害监测预警等后续要求。
因而，在计算机视觉这一领域内，有雾视频的清晰化是一个重要的问题。
本文对雾天视频图像的退化和降质进行了详细的分析，阐述了雾天视频图像降质的原因，研究了国内外研究人员在视频图像去雾方面的成果，分析了各研究人员去雾方法的理论基础和核心技术，在此基础上，详细研究了基于大气散射模型的暗通道先验去雾方法，并且进行改进和完善，作出创新。
本文建立基于大气散射原理的视频图像去雾模型，以暗通道先验去雾方法为基础，用导向滤波进行改进，采用VS2013和Opencv编写去雾算法程序，实现单幅图像去雾，然后进行CUDA加速，使对常用的1920×1080大小的视频图像进行去雾处理的运算速率达到每秒15帧以上，实现实时视频去雾。
最后，将本文的去雾算法与其他算法进行比较，对比不同去雾方法得到的恢复图的效果，以及不同方法的利弊，完善细节，将该算法应用于实际待去雾的视频中。
关键词：图像降质；图像去雾；暗通道先验；大气散射模型第1章绪论1.1 课题研究背景和意义一般情况下，获得清晰的视频图像是户外视觉系统正常工作和发挥效用的前提，因此，它对于天气情况非常敏感。
然而，近年来，我国空气质量大幅下降，多地频繁出现雾霾天气。
雾天条件下，户外场景的视频图像受到严重影响，这是由于大气中存在着许多混浊介质，包括颗粒、水滴等，这些介质会吸收和散射部分可见光，使成像设备接收到的光的强度产生衰减，这导致获取的视频图像产生退化和降质。
大气散射模型
入射光衰减模型：描述了光从场景点到观测点之间的削弱衰减过程。
大气散射模型大气光成像模型：描述了周围环境中的各种光由于大气粒子的散射作用,对观测点所接收到的光强的影响。
表现：室外视觉系统所捕获的场景图像其对比度、颜色和分辨率等特征衰减明显。
原因：光线在从场景点到接收点的传播过程中,遇到悬浮于大气中粒径较大的气溶胶粒子,与之发生,从而使光能的亮度、颜色等特性发生改变。
其中散射是可见光波段导致雾天图像降质的主要因素,而吸收和福射作用所造成的影响则相对较小。
瑞利散射(Rayleigh)（分子散射）：粒子尺度远小于入射波长的散射现象。
散射米氏(Mie)散射：粒子尺度与波长可比拟。
瑞利散射：使天空呈现蓝色,纯净的水面由于反射天空的光线,也呈现蓝色。
散射体中往往包含很多散射粒子,因此每个粒子的散射光都可能会被其他粒子再散射。
根据入射光在传播过程中被大气粒子散射后是否再次发生散射,可以将散射分为单散射现象和多散射现象。
雾天散射：一方面部分物体表面的反射光因散射而损失,使得到达观测点的光强降低,并随着传播距离的增大而呈指数衰减;另一方面,大气粒子的散射作用还来自附加在目标图像上的大气光,以使大气表现出光源的特性,且环境光的强度随着传播距离的增大而逐渐增加。
以上两方面的作用导致雾天捕获图像的对比度、颜色等特征衰减明显。
入射光衰减模型：大气散射引起观测点接收到的场景点福射光强随景深的增而呈指数衰减。
大气光成像模型：由于光路上粒径较大的大气微粒对周围环境中的入射光具有反射作用,因此会有部分光沿着观测路线射向观测点,这部分光照可以看作是由大气产生的光源,称为大气光。
大气光的主要来源为直射的阳光、散射的天空光以及由地面反射的光等。
大气对光吸收、散射
其中，
A
(
,
Z) 为待求波长的散射系数，λ为1.06um波长，Z高度处散射系
数，
( (0, Z )) 0.104 ln( (0, Z)) 0.62
美国标准大气下气溶胶与分子的散 射系数
25
Background Aerosol
Enhance Aerosol
20
Molecular
Altitude(km )
中心波长：λ(nm)
半 宽 度：ΔO
吸收峰变宽原因：
（1）自然宽度
照射光具有一定的宽度。 （2）温度变宽（多普勒变宽） ΔVo
多普勒效应：一个运动着的原子发出的光，如果运动方 向离开观察者（接受器），则在观察者看来，其频率较静止 原子所发的频率低，反之，高。
VD 7.162107 V0
T M
（3）压力变宽（劳伦兹变宽，赫鲁兹马克变宽）ΔVL
• 理想无阻尼的振子，当达到谐振时，其尼，使振幅限于一定的范围，并稍微 使谐振频率加宽。
偶极距及次波
• 当有外来电磁波时，电子受力为：
• 由于阻尼足够小，忽略之，则有：
分子偶极矩的几何图形
二阶一元微分方程
• 其稳态解为：
• 振动的负电荷与相对静止的正电荷构成一 个平行于入射波电场矢量的偶极距P，P的 大小为：
大气气溶胶散射的光谱宽度是由于气溶胶粒子的布朗运动造成的多普勒展宽由于气溶胶粒子质量较大气溶胶粒子的速度偏差一般在1ms量级因此由热运动造成的频谱增宽也很小其光谱可以近似用激光光谱表示激光发射光谱一般为高斯分布则气溶胶的后向散射光也近似为高斯分布线宽等于激光线宽
大气与光的相互作用
卜令兵
主要内容
• 大气辐射吸收 • 散射
大气散射模型
大气散射模型
大气散射模型是指用于描述光线在大气中传播时受到散射以及
吸收等影响的数学模型。
在遥感、计算机图形学、摄影等领域，大
气散射模型被广泛应用。
大气散射模型分为分子散射模型和颗粒散射模型两种，分子散
射模型适用于低海拔地区，而颗粒散射模型适用于高海拔地区和有
大气污染的城市等恶劣环境。
常见的大气散射模型有以下几种：
1. Rayleigh散射模型：用于描述高层大气中气体分子的散射
作用，特别适用于可见光和近红外光区域的散射模型。
2. Mie散射模型：用于描述大气中颗粒的散射作用，包括云、烟、雾、雨等。
Mie散射模型适用于波长较长的光线，如红外光。
3. Henyey-Greenstein散射模型：用于描述大气中散射物的非
均匀性。
因为大气中的散射物往往不是完全随机分布的，这个模型
能更好地描述大气中光线的传播情况和反射率。
大气散射模型可用于对空气质量、天空颜色、摄影曝光、遥感
图像处理等问题进行有效的建模和仿真。
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大气散射模型
入射光衰减模型：描述了光从场景点到
观测点之间的削弱衰减过程。
大气散射模型
大气光成像模型：描述了周围环境中的
各种光由于大气粒子的散射作用,对观
测点所接收到的光强的影响。
表现：室外视觉系统所捕获的场景图像其对比度、颜色和分辨率等特征衰减明显。
原因：光线在从场景点到接收点的传播过程中,遇到悬浮于
大气中粒径较大的气溶胶粒子,与之发生,从而使光能的亮
度、颜色等特性发生改变。
其中散射是可见光波段导致雾天图像降质的主要因素,
而吸收和福射作用所造成的影响则相对较小。
瑞利散射(Rayleigh)（分子散射）：粒子尺度远小于入射
波长的散射现象。
散射
米氏(Mie)散射：粒子尺度与波长可比拟。
瑞利散射：使天空呈现蓝色,纯净的水面由于反射天空的光线,也呈现
蓝色。
散射体中往往包含很多散射粒子,因此每个粒子的散射光都可能会被其他粒子再散射。
根据入射光在传播过程中被大气粒子散射后是否再次发生散射,可以将散射分为单散射现象和多散射现象。
雾天散射：一方面部分物体表面的反射光因散射而损失,使得到达观测点的光强降低,并随着传播距离的增大而呈指数衰减;
另一方面,大气粒子的散射作用还来自附加在目标图像上的大气光,以使大气表现出光源的特性,且环境光的强度随着传播距离的增大而逐渐增加。
以上两方面的作用导致雾天捕获图像的对比度、颜色等特征衰减明显。
入射光衰减模型：大气散射引起观测点接收到的场景点福射光强随景深的增而呈指数衰减。
大气光成像模型：由于光路上粒径较大的大气微粒对周围环境中的入射光具有反射作用,因此会有部分光沿着观测路线射向观测点,这部分光照可以看作是由大气产生的光源,称为大气光。
大气光的主要来源为直射的阳光、散射的天空光以及由地面反射的光等。