陳志雄

摘 要：基于安防領(lǐng)域中的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在大霧、雨雪陰霾天氣、光線不足的情況下監(jiān)控圖像效果不理想的問題，闡述了通過圖像增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行改善的方法，對(duì)常用的幾種增強(qiáng)算法原理進(jìn)行推導(dǎo)，并對(duì)圖像增強(qiáng)技術(shù)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的前端攝像機(jī)、系統(tǒng)平臺(tái)和后端監(jiān)視器三個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控 圖像增強(qiáng) 直方圖 同態(tài)濾波 小波變換 Retinex

中圖分類號(hào)：TB381 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（c）-0020-02

隨著近幾年安防行業(yè)的快速發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)在交通系統(tǒng)、銀行系統(tǒng)、森林防火、煤礦行業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。在交通系統(tǒng)、森林系統(tǒng)等特殊領(lǐng)域，當(dāng)出現(xiàn)大霧、雨雪陰霾等天氣時(shí)，監(jiān)控圖像的對(duì)比度和顏色明顯變差，給視覺系統(tǒng)帶來很大的干擾，降低了監(jiān)控效率；當(dāng)在光線不足的情況下，監(jiān)控圖像亮度低，細(xì)節(jié)無法分辨，不能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行有效的監(jiān)控。這些特殊的監(jiān)控情況的出現(xiàn)，在實(shí)際使用時(shí)是不可避免的，我們只能通過技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行處理，目前可以通過圖像增強(qiáng)技術(shù)對(duì)監(jiān)控圖像進(jìn)行增強(qiáng)，使圖像的細(xì)節(jié)，對(duì)比度等得到提升，滿足監(jiān)控要求。本文將對(duì)圖像增強(qiáng)技術(shù)的原理和在安防領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 圖像增強(qiáng)技術(shù)的原理

圖像增強(qiáng)技術(shù)是一個(gè)多學(xué)科的研究課題，涉及到高等數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、信號(hào)處理技術(shù)等學(xué)科領(lǐng)域。該技術(shù)主要是通過對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行分析，有目的地強(qiáng)調(diào)圖像的整體或局部特性，抑制不感興趣的特征，使之提高圖像質(zhì)量、提高圖像識(shí)別效果。該技術(shù)最早是應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，對(duì)航拍的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。60年代初期美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科研人員使用計(jì)算機(jī)采用灰度變換、去噪聲、傅里葉變換以及二維線性濾波等方法對(duì)航天探測(cè)器“徘徊者7號(hào)”發(fā)回的幾千張?jiān)虑蛘掌晒Φ倪M(jìn)行了處理。隨后在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域、安防領(lǐng)域等得到廣泛的應(yīng)用。圖像增強(qiáng)技術(shù)在安防領(lǐng)域的應(yīng)用，是在近幾年才發(fā)展起來的，在視頻監(jiān)控中的功能有去霧、夜增強(qiáng)、圖像智能分析、車輛識(shí)別、視頻檢索等。目前行業(yè)內(nèi)有許多增強(qiáng)方法，如直方圖均衡法、同態(tài)濾波、小波變換、Retinex等，現(xiàn)對(duì)這些方法的原理進(jìn)行探討。

1.1 直方圖均衡法

直方圖均衡法的基本做法是先計(jì)算出圖像的灰度直方圖，將直方圖中比較集中的某些灰度區(qū)間拉伸到全部灰度范圍內(nèi)的均勻分布[1]。這樣就提高了像素點(diǎn)灰度值的動(dòng)態(tài)范圍，進(jìn)而增強(qiáng)圖像整體對(duì)比度，實(shí)現(xiàn)了圖像增強(qiáng)的功能。彩色圖像的直方圖均衡法的處理流程如圖1，先將RGB原始圖像進(jìn)行HSV轉(zhuǎn)換，生成HSV圖像，對(duì)亮度信號(hào)V計(jì)算出直方圖數(shù)據(jù)，根據(jù)運(yùn)算公式：

為圖像中像素的總和；為灰度級(jí)為的像素個(gè)數(shù)；為圖像中可能的灰度級(jí)總數(shù)。進(jìn)行均衡化處理，得到V信號(hào)的處理后數(shù)據(jù)，并與先前分離的HS信號(hào)合成，并轉(zhuǎn)換為RGB信號(hào)，實(shí)現(xiàn)彩色圖像的直方圖均衡化處理。

1.2 同態(tài)濾波

同態(tài)濾波是將圖像信號(hào)的灰度值分為照度和反射率兩部分組成，照度相對(duì)變化小，是圖像的低頻成分，而反射率是高頻成分[2]。分別對(duì)照度進(jìn)行濾波，壓縮亮度范圍；增強(qiáng)放射率，提高對(duì)比度，從而消除圖像亮度不均勻的問題，增強(qiáng)了暗區(qū)的細(xì)節(jié)，同時(shí)不損失亮區(qū)的細(xì)節(jié)。同態(tài)濾波的實(shí)現(xiàn)流程如圖2。原始圖像的灰度函數(shù)表示為：·

由于與是相乘關(guān)系，無法分開處理，需取對(duì)數(shù)運(yùn)算，如下：

對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，得出：

標(biāo)記為：

的頻譜特性集中在低頻段，集中在高頻段。通過選擇適當(dāng)?shù)臑V波函數(shù)，如ButterWorth高通濾波器和指數(shù)高通濾波器，對(duì)進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)壓制低頻而增強(qiáng)高頻，得到預(yù)想的效果。

對(duì)濾波后的函數(shù)進(jìn)行傅里葉反變換，得出：

標(biāo)記為：

進(jìn)行指數(shù)運(yùn)算，得出處理后的數(shù)據(jù)：

·

標(biāo)記為：

經(jīng)過上述的數(shù)字處理，得到了就是同態(tài)濾波后的結(jié)果。

1.3 小波變換

小波變換是一種現(xiàn)代的分析工具，將信號(hào)進(jìn)行空間和頻率的局部變換。小波變換的基本思想用一族函數(shù)去表示或逼近一信號(hào)，這一族函數(shù)稱為小波函數(shù)系。它是通過一小波母函數(shù)的伸縮和平移產(chǎn)生其“子波”來構(gòu)成的，用其變換系數(shù)描述原來的信號(hào)[3]。根據(jù)Mallat的金字塔式分解算法，對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，分解成逼近圖像和細(xì)節(jié)圖像之和，可分為LL，LH，HL和HH四個(gè)子頻帶，如圖3。其中LL為逼近圖像、LH為垂直方向細(xì)節(jié)、HL為水平方向細(xì)節(jié)、HH為對(duì)角方向細(xì)節(jié)。根據(jù)信號(hào)處理的需要，可對(duì)LL進(jìn)行小波分解，得到二層小波分解結(jié)果LL1、LH1、HL1、HH1，可繼續(xù)對(duì)LL進(jìn)行分解，得到多層的分解結(jié)果?？梢圆捎貌煌姆椒ㄔ鰪?qiáng)不同的頻率范圍內(nèi)的細(xì)節(jié)達(dá)到從而達(dá)到增強(qiáng)圖像質(zhì)量，提高圖像的清晰度和層次感的目的。

1.4 Retinex

Retinex是由retina（視網(wǎng)膜）與cortex（大腦皮層）兩個(gè)單詞合成起來的，是由Edwin.Land提出的一種顏色恒常知覺的計(jì)算理論，該理論的基本內(nèi)容是物體的顏色是由物體對(duì)長波、中波和短波光線的反射能力決定的，而不是由反射光強(qiáng)度的絕對(duì)值決定的；物體的色彩不受光照非均性的影響，具有一致性[4]。也就是說同樣的物體在不同的光照下，如日光燈下和陽光下，它的顏色在人類的視覺系統(tǒng)中是一樣的。Retinex的圖像增強(qiáng)原理是將圖像分為反射光分量和入射光分量兩部分組成，通過降低入射光分對(duì)反射光分量的影響，從而實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)的效果。Retinex是建立在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，沒有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，先后出現(xiàn)了多種不同的Retinex算法，比較經(jīng)典的有單尺度Retinex和多尺度Retinex算法。下面對(duì)這兩種算法進(jìn)行分析：

（1）單尺度Retinex算法。

假設(shè)待增強(qiáng)的原圖像為，反射光分量為，入射光分量為，根據(jù)Retinex理論，有；兩邊各取對(duì)數(shù)；單尺度Retinex可表示為 ·，是用于從原圖像估算出入射光分量的函數(shù)。根據(jù)光學(xué)和視覺原理的推導(dǎo)，高斯卷積函數(shù)可以對(duì)原圖像進(jìn)行更換的處理，實(shí)現(xiàn)更好的圖像增強(qiáng)效果。函數(shù)表示為：

為規(guī)一化因子使得：

其中c為高斯函數(shù)的尺度常數(shù)，由該函數(shù)的形式可以看出c的大小決定卷積核的作用范圍，c越小，動(dòng)態(tài)壓縮范圍越大，圖像細(xì)節(jié)越突出；c越大，圖像整體效果越好，但細(xì)節(jié)不突出。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，c的取值在80～100之間，圖像的各方面表現(xiàn)可以達(dá)到較好的平衡。

（2）多尺度Retinex算法。

多尺度Retinex算法是對(duì)多個(gè)單尺度Retinex算法進(jìn)行加權(quán)平均的算法。假設(shè)用表示多尺度Retinex的最終反射光分量，則有如下公式：

·

其中為尺度系數(shù)，通常該值取3，為加權(quán)系數(shù)，當(dāng)時(shí)，，高斯函數(shù)的c尺度常數(shù)通常取?。╟<20）、中（c=20～200）、大（c>200）這三種尺度。這樣多尺度Retinex算法涵蓋了多種單尺度的特征，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍的壓縮、顏色恒常性和顏色的重現(xiàn)，使圖像增強(qiáng)效果更理想。

2 圖像增強(qiáng)技術(shù)在安防領(lǐng)域的應(yīng)用

安防領(lǐng)域包括視頻監(jiān)控、防盜報(bào)警、門禁等多個(gè)系統(tǒng)。視頻監(jiān)系統(tǒng)是安防系統(tǒng)最重要的組成部分，可以讓人們?cè)诒O(jiān)控室里直接的看到被監(jiān)控對(duì)象，給人一種直接的視覺和聽覺的體驗(yàn)，并可以對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。視頻監(jiān)系統(tǒng)包括了前端的攝像機(jī)，傳輸設(shè)備，后端的矩陣、錄像系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)普遍應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如平安城市、道路監(jiān)控、高速路監(jiān)控、森林系統(tǒng)、工礦企業(yè)等等。在特定的環(huán)境下，像道路監(jiān)控遇到大霧、雨天、沙塵天氣、陰霾天氣；像黃昏時(shí)候，燈光照明又不足的監(jiān)控地方、陰暗角落等，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控圖像往往效果很差，不容易分辨出細(xì)節(jié)，無法進(jìn)行有效的監(jiān)控。為了解決這樣的問題，行業(yè)內(nèi)提出了利用圖像增強(qiáng)技術(shù)來處理這些效果差的視頻信號(hào)，但是從圖像增強(qiáng)技術(shù)的算法原理中可以知道，要完成一幅圖像的處理需要經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，這勢(shì)必需要有很強(qiáng)的數(shù)字處理能力的處理器的支持。隨著半導(dǎo)體技術(shù)按照摩爾定律的快速發(fā)展，CPU、DSP等的速度都以指數(shù)式的提高，發(fā)展到現(xiàn)在只需要一個(gè)普通的DSP就可以完成對(duì)高清信號(hào)的實(shí)時(shí)視頻圖像增強(qiáng)處理，使該技術(shù)得到實(shí)質(zhì)性的應(yīng)用。

圖像增強(qiáng)技術(shù)可以應(yīng)用在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的前端攝像機(jī)、系統(tǒng)平臺(tái)和后端監(jiān)視器。在不同的應(yīng)用環(huán)節(jié)中，有不同的特點(diǎn)，下面對(duì)其進(jìn)行分析。

（1）應(yīng)用在前端攝像機(jī)，由于信號(hào)是先經(jīng)過增強(qiáng)，再傳輸?shù)胶蠖诉M(jìn)行存儲(chǔ)和顯示，故存儲(chǔ)的圖像是經(jīng)過處理的，當(dāng)需要回放時(shí)，可以看到清晰的圖像，但是前端的攝像機(jī)一般的數(shù)量是比較大的，例如一個(gè)城市的平安城市監(jiān)控系統(tǒng)，小則有上千個(gè)攝像機(jī)，大則有上萬個(gè)攝像機(jī)，即使只選其中重要的攝像機(jī)去增加圖像增強(qiáng)模塊，也是一個(gè)不小的數(shù)目，會(huì)大大的提高系統(tǒng)成本。另外如果系統(tǒng)初期設(shè)計(jì)沒有考慮圖像增強(qiáng)模塊的擴(kuò)充，需要對(duì)原有的設(shè)備進(jìn)行改造，這樣會(huì)耗費(fèi)更多的時(shí)間，帶來更大的成本問題。

（2）應(yīng)用在系統(tǒng)平臺(tái)，圖像增強(qiáng)算法集成到系統(tǒng)平臺(tái)，可以通過系統(tǒng)平臺(tái)的控制，靈活的指定那些攝像機(jī)需要做增強(qiáng)處理，能與系統(tǒng)融為一體，操作方便。對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)的開發(fā)要求比較高，而且需要有足夠的硬件設(shè)備進(jìn)行支撐。對(duì)于舊系統(tǒng)平臺(tái)的改造，存在難度大的問題，只能是使用在比較大型的監(jiān)控系統(tǒng)中。

（3）應(yīng)用在后端監(jiān)視器，視頻監(jiān)控系統(tǒng)中圖像最終都是通過后端的監(jiān)視器顯示出來，通過使用具備圖像增強(qiáng)功能的監(jiān)視器或增加圖像增強(qiáng)模塊對(duì)舊系統(tǒng)進(jìn)行改造，可以輕易的將系統(tǒng)升級(jí)為具備圖像增強(qiáng)功能的系統(tǒng)，提高整體的效果。在后端使用增強(qiáng)技術(shù)有著顯著的優(yōu)點(diǎn)：前端攝像機(jī)無需改造就可以在后端進(jìn)行圖像增強(qiáng)，相當(dāng)于所有的攝像機(jī)都有圖像增強(qiáng)功能；適用于所有的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，由于后端顯示設(shè)備的個(gè)數(shù)相對(duì)于前端數(shù)目少得多，系統(tǒng)相應(yīng)增加的成本少；另外可以對(duì)原先儲(chǔ)存的視頻在回放時(shí)進(jìn)行增強(qiáng)，對(duì)刑偵破案有不少的幫助，例如關(guān)鍵的案發(fā)視頻剛剛比較暗，無法分辨嫌疑人員的特征時(shí)，可以通過視頻增強(qiáng)監(jiān)視器進(jìn)行處理，使之容易分辨。但是也存在著缺點(diǎn)：無法保存增強(qiáng)后的圖像數(shù)據(jù)，這樣如果錄像數(shù)據(jù)拷貝到別的無視頻增強(qiáng)功能的系統(tǒng)中回放，就無法看到清晰的畫面。

3 結(jié)語

本文對(duì)傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在特殊環(huán)境下，監(jiān)控能力不足的問題和解決辦法進(jìn)行分析，并對(duì)常用的幾種圖像增強(qiáng)算法進(jìn)行闡述。分析了圖像增強(qiáng)技術(shù)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的前端攝像機(jī)、系統(tǒng)平臺(tái)和后端監(jiān)視器不同環(huán)節(jié)的應(yīng)用特點(diǎn)。相信隨著電子技術(shù)的發(fā)展，圖像增強(qiáng)技術(shù)會(huì)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到普及，將成為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。這將進(jìn)一步提升安防監(jiān)控系統(tǒng)的性能，為和諧社會(huì)提供更好的支持。

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