大氣中粒子的散射作用是產生霧霾的主要原因。無論是用人的肉眼觀察，還是從拍攝獲取的圖像中觀察，霧天的景象總是存在對比度和視野降低的問題。1925年，Keim & Nemnich[1]等人提出霧天圖像能見度較低是大氣中的懸浮粒子對光的吸收和散射造成的。1976年，John Wiley & Sons[2]等人提出粒子的散射作用造成目標和相機之間光在傳輸過程的衰減，並且增加了一層大氣散射光（Airlight）。1999年，針對霧天能見度低的問題，Srinivasa G. Narasimhan[3]等人通過建立數學模型，解釋了霧天圖像的成像過程以及霧天圖像包括的各個要素。該模型認為在強散射介質下，引起探測系統成像結果降質的主要原因有兩種：一是目標反射光受大氣中懸浮粒子的吸收和散射作用，造成目標反射光能量的衰減，這導致探測系統的成像結果亮度降低，對比度下降；二是太陽光等環境光受大氣中散射介質的散射作用形成背景光，通常這部分背景光強度大於目標光，因而造成探測系統的成像結果模糊不清。
下圖介紹了霧天的成像模型：
圖中顯示探測系統成像時接收到的光源主要來自兩個部分，一是目標反射光經粒子衰減到達探測系統的光，而是來自於光源（本例為光照）經粒子散射形成的大氣光。通過此物理模型建立得到霧天成像的數學模型為：
式中，
為探測系統所獲得的霧天圖像，
表示需要恢復出的無霧圖像；參數
表示圖像中的像素點的位置，
表示光的波長；
表示無窮遠處的大氣光值；
表示傳輸函數，其物理意義為經過粒子衰減能夠達到探測系統的那部分光的比例。大多數團隊和學者在通過探測系統獲得含霧圖像並對其進行去霧圖像處理時均以上述大氣散射模型作為霧天成像的理論模型。其主要思路是根據各種先驗知識或者圖像處理手段，從含霧圖像中估計傳輸函數
或大氣光
，將求解得到的參量代入到大氣散射模型中，即可恢復出目標圖像
。
Nayar和Narasimhan[3]認為在強散射介質下，引起探測系統成像質量下降的原因主要包括以下兩種：目標反射光在傳輸的過程中受到介質中懸浮粒子的吸收和散射作用，導致能量衰減，通常會降低圖像亮度，造成圖像對比度下降；太陽光、天空光等環境光受到介質中粒子的散射作用而形成雜散光，通常會使圖像模糊，造成圖像色彩不自然。以渾濁大氣環境下目標成像為例，成像系統獲得的圖像主要由兩部分構成，一是由大氣散射和吸收作用導致衰減的目標反射光，二是由於大氣散射形成的大氣光。
反射光在傳播的過程中，隨着傳輸距離的增加光強逐漸衰減，1975年McCarney給出了衰減模型，如上圖所示，考慮到平行光數經過大氣介質，假設光束具有單位橫截面積，從x位置，每傳輸一段距離
強度變化量可以表示為：
表示衰減后的光強，
是散射系數，用於描述介質對不同波長光的散射能力，若輸入光為平行光，且未衰減光束光強為
時，通過對上述微分方程從
到
進行積分，即可得到平行光束在
處衰減后的光強：
若輸入光為點光源，則其衰減后的光強表達式需要對上式進行修改。設未衰減光束的光強為
，則同樣對微分方程從到進行積分，即可得到點光源在處衰減后的光強：
探測器接受到的大氣光成分主要包括太陽直射光、大氣漫反射光和地面反射光，如上圖所示，體積微元
內的介質被看做成一個光源，其強度為
，
為光源常數。根據上述提及的點光源的損耗公式，到達探測器后的光強為
，在
，
區間進行積分可以得到總的大氣光強值
，由於光源來自於無窮遠出的天空，所以
表示無窮遠處的大氣光強值，令
，則大氣光強值表示為：
成像系統獲得的總光強為：
為了方便計算，令大氣透射率為
，目標反射光為
，目標衰減反射光為
，大氣光為
，所以最終的大氣散射模型的數學表達式為：
[1] H. Koschmieder, Theorie der horizontalen Sichtweite: Kontrast und Sichtweite. Keim & Nemnich, 1925.
[2] E. J. McCartney, “Optics of the atmosphere: scattering by molecules and particles,” New York, John Wiley and Sons, Inc., 1976. 421 p., vol. 1,1976.
[3] S. K. Nayar and S. G. Narasimhan, “Vision in bad weather,” in IEEE Int’l Conf. Computer Vision, 1999.