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        視頻圖像綜合處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2013-08-29 09:39:06姜樹(shù)明蔡秀霞張?jiān)?/span>萬(wàn)會(huì)松劉向陽(yáng)劉曉輝
        山東科學(xué) 2013年3期
        關(guān)鍵詞:大氣系統(tǒng)

        姜樹(shù)明,蔡秀霞,張?jiān)?,萬(wàn)會(huì)松,劉向陽(yáng),劉曉輝

        (山東省科學(xué)院情報(bào)研究所,山東 濟(jì)南 250014)

        近年來(lái),視頻監(jiān)控系統(tǒng)在公共安全防范和交通監(jiān)控等方面發(fā)揮著更大的作用,各種視頻圖像的采集與記錄也在越來(lái)越多的領(lǐng)域加以應(yīng)用。但是,由于氣候、光線變化以及其它原因,使獲取的視頻圖像無(wú)法清晰地顯示所監(jiān)視的目標(biāo),嚴(yán)重時(shí)甚至看不到任何有用信息。因此,急需設(shè)計(jì)一種能對(duì)模糊圖像進(jìn)行清晰化處理的系統(tǒng),提高視頻監(jiān)控系統(tǒng)的魯棒性。實(shí)時(shí)視頻圖像處理系統(tǒng)要求具有處理大數(shù)據(jù)量的能力,以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性;同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的體積、功耗、穩(wěn)定性等也有較嚴(yán)格的要求。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外視頻數(shù)字圖像處理系統(tǒng)在目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)方面出現(xiàn)了高度并行的視頻圖像處理方法[1-3]。如美國(guó)INMOS 公司1985年首次推出32 位具有獨(dú)特網(wǎng)絡(luò)性能的transputer 芯片,揭開(kāi)了研究高速并行數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的序幕[4]。此后,陸續(xù)出現(xiàn)了更高性能的微處理器,所用的數(shù)字信號(hào)處理器從TMS32010、TMS320C25、TMS320F206、TMS320C80 到目前的TMS320C6000 系列[5],不斷地進(jìn)行升級(jí)換代。為了改善惡劣環(huán)境下視頻監(jiān)控系統(tǒng)所采集圖像的質(zhì)量和清晰度,本文對(duì)具備視頻圖像綜合處理功能的系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行了探討,開(kāi)發(fā)了一種實(shí)用的視頻圖像綜合處理系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)視頻圖像去霧、去噪和清晰化處理,可廣泛應(yīng)用于智能監(jiān)控、交通、治安管理以及公安刑偵等領(lǐng)域。

        1 方案設(shè)計(jì)

        1.1 總體設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)分為硬件處理設(shè)備和軟件處理系統(tǒng)兩部分。對(duì)于實(shí)時(shí)采集的模擬信號(hào)先經(jīng)過(guò)硬件設(shè)備進(jìn)行處理,再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后經(jīng)過(guò)軟件處理數(shù)字信號(hào),最后完成兩部分的系統(tǒng)集成工作。其中,硬件處理設(shè)備的工作包括視頻圖像信息采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、監(jiān)視器顯示以及硬件設(shè)備預(yù)處理,最終完成初步采集信息清晰化預(yù)處理和調(diào)試,并為后續(xù)軟件處理提供較好的初始信號(hào)。軟件系統(tǒng)的研發(fā)工作,主要集中于完成各軟件模塊的研發(fā),以及軟件模塊的集成工作,具體包括去霧處理、模糊車(chē)牌處理、數(shù)字清晰化處理等算法的實(shí)現(xiàn),最終完成硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)的整合和調(diào)試。

        圖1 處理模擬視頻圖像的系統(tǒng)框圖Fig.1 The system block diagram processing an analog video image

        目前市面上流通的監(jiān)控?cái)z像機(jī)既有模擬攝像機(jī)也有數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。由于本系統(tǒng)采用的是數(shù)字視頻圖像處理技術(shù),因此對(duì)于采用模擬攝像機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng),需首先將模擬視頻進(jìn)行數(shù)字化處理[6],即將需要處理的實(shí)時(shí)視頻圖像或已錄回放的視頻圖像,先經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)的硬件設(shè)備后,再送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行軟件處理。這種情況下,系統(tǒng)首先通過(guò)硬件設(shè)備處理將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),即先通過(guò)DSP 軟硬件模塊對(duì)模擬視頻圖像進(jìn)行信號(hào)增強(qiáng)和噪聲過(guò)濾,再通過(guò)專(zhuān)用電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行整流、直流分量平衡等處理;然后進(jìn)入軟件處理模塊,通過(guò)量化和編碼手段完成視頻信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換,經(jīng)去噪、濾波等處理后,提取相應(yīng)的數(shù)字特征,進(jìn)入視頻圖像處理、文字處理、車(chē)牌識(shí)別等功能模塊,達(dá)到對(duì)視頻圖像質(zhì)量進(jìn)行改善和處理的效果,最后將處理好的視頻圖像進(jìn)行展示。處理模擬視頻圖像的邏輯框圖如圖1 所示。

        對(duì)于采用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)進(jìn)行拍攝的監(jiān)控系統(tǒng),由于采集的已經(jīng)是數(shù)字視頻,因此無(wú)需進(jìn)行數(shù)字化及編碼處理,其情形相對(duì)簡(jiǎn)單,可直接進(jìn)入軟件處理模塊。軟件處理過(guò)程與模擬視頻圖像的處理方式相同。

        本軟件采用傳統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)生命周期,采用自頂向下、逐步求精的結(jié)構(gòu)化的軟件設(shè)計(jì)方法[7-8]。根據(jù)軟件功能需求,將視頻圖像綜合處理系統(tǒng)細(xì)分為以下3 個(gè)子系統(tǒng):視頻圖像處理子系統(tǒng)、文字處理子系統(tǒng)和車(chē)牌處理與識(shí)別子系統(tǒng)。軟件總體框架如圖2 所示。

        1.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境及工具

        以Windows 為操作平臺(tái),開(kāi)發(fā)工具采用Visual Studio 2005 中文版。選取Visual Studio 2005 作為開(kāi)發(fā)工具的原因:

        (1)語(yǔ)言和IDE:各有特色和創(chuàng)新的4 種語(yǔ)言(Visual Basic,Visual C++,Visual C#和Visual J#)將豐富編程體驗(yàn)。對(duì)IDE 進(jìn)行改進(jìn)并提供個(gè)性化服務(wù)是提高生產(chǎn)力的保證。

        (2).NET Framework 2.0:提供一個(gè)可靠的應(yīng)用平臺(tái),為構(gòu)建安全、高性能、關(guān)鍵業(yè)務(wù)的解決方案提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

        圖2 視頻圖像綜合處理軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 Software architecture of a video image processing system

        1.3 接口設(shè)計(jì)

        (1)用戶接口:本系統(tǒng)采用圖形用戶交互接口,以鼠標(biāo)和鍵盤(pán)為用戶輸入接口,方便用戶對(duì)需要處理的圖片進(jìn)行操作。

        (2)外部接口:打印功能接口,采用系統(tǒng)自帶界面,理論上在所有Windows XP 系統(tǒng)中相同,且通用。

        (2)內(nèi)部接口:對(duì)于圖片基本參數(shù)(對(duì)比度、亮度、色彩飽和度)的調(diào)整,可與去霧處理或清晰化處理的效果疊加,而去霧處理與清晰化處理兩者相對(duì)獨(dú)立。

        1.4 系統(tǒng)特色

        (1)具有視頻圖像的去霧、去噪等模糊視頻圖像清晰化處理的功能,而且能夠通過(guò)對(duì)有用信息進(jìn)行增強(qiáng)和特征提取來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻圖像、文字和車(chē)牌識(shí)別的處理。

        (2)有用視頻圖像信息(指處理前的視頻圖像內(nèi)容中,有需要處理的視頻圖像信息,且其像素?cái)?shù)應(yīng)大于全屏畫(huà)面像素?cái)?shù)的1/20)處理后的識(shí)別率達(dá)到85%以上。

        (3)既能處理實(shí)時(shí)視頻圖像,又能處理單幀靜止視頻圖像或照片;既能處理模擬視頻圖像,又能處理數(shù)字視頻圖像。

        (4)既有標(biāo)準(zhǔn)的模擬輸入/輸出接口,又有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字輸入/輸出接口。

        圖3 視頻圖像處理子系統(tǒng)功能細(xì)分Fig.3 Functionality subdivision of the video image processing sub-system

        2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

        2.1 模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

        視頻圖像綜合處理系統(tǒng)共包含了3 個(gè)子系統(tǒng),各子系統(tǒng)既相互區(qū)別又相互聯(lián)系。3 個(gè)子系統(tǒng)中,圖像處理子系統(tǒng)是各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能的基礎(chǔ)和前提,其它子系統(tǒng)可看作是圖像處理子系統(tǒng)的具體應(yīng)用。因此,圖像處理子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能主要包含視頻圖像基本參數(shù)調(diào)整、視頻圖像去霧處理和視頻圖像清晰化處理,見(jiàn)圖3。

        (1)視頻圖像基本參數(shù)調(diào)整:實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入視頻圖像的一般性處理,如亮度調(diào)整、對(duì)比度調(diào)整、色彩飽和度調(diào)整等,主要為后續(xù)其他視頻圖像處理算法提供預(yù)處理。

        (2)視頻圖像去霧處理:對(duì)霧天中拍攝的視頻圖像進(jìn)行處理,整體增強(qiáng)視頻圖像的清晰度,降低大霧對(duì)景物識(shí)別分辨的影響。

        (3)視頻圖像清晰化處理:對(duì)惡劣環(huán)境中拍攝的非清晰視頻圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理,讓原本模糊的視頻圖像變得清晰。

        2.2 視頻圖像基本參數(shù)調(diào)整模塊

        本模塊的功能是調(diào)整視頻圖像的各種基本參數(shù),主要包括對(duì)比度調(diào)整、亮度調(diào)整、色彩飽和度調(diào)整等基本操作。

        (1)亮度/對(duì)比度調(diào)整

        人眼對(duì)視頻圖像敏感的兩個(gè)重要性能參數(shù)是視頻圖像的亮度和對(duì)比度[9]。因此,在對(duì)照片、視頻等進(jìn)行處理時(shí),常常需要進(jìn)行亮度和對(duì)比度的處理。亮度和對(duì)比度也是一種重要的顏色調(diào)整方法。本系統(tǒng)對(duì)視頻圖像的處理基于RGB 顏色模型,因此需要對(duì)RGB 各顏色分量進(jìn)行特定的處理。

        (2)色彩飽和度調(diào)整

        本系統(tǒng)對(duì)于視頻圖像的飽和度的調(diào)整是通過(guò)調(diào)整RGB 分量,主要是G、B 分量的比值來(lái)實(shí)現(xiàn)。

        2.3 視頻圖像去霧處理模塊

        視頻圖像去霧模塊與視頻圖像基本參數(shù)調(diào)整模塊對(duì)視頻圖像所做的處理效果是可以疊加的。其基本原理是把霧天拍攝的照片或視頻,進(jìn)行視頻圖像增強(qiáng)處理,使得霧中朦朧看不清的場(chǎng)景能看清。

        其算法是:利用霧天大氣散射物理模型推導(dǎo)傳遞函數(shù),對(duì)霧天拍攝的視頻圖像進(jìn)行反向處理,得到基本無(wú)霧的視頻圖像。霧天成像的物理模型為:

        式中,I(x)表示觀察到的視頻圖像,J(x)表示假設(shè)沒(méi)有大氣顆粒散射時(shí)候的真實(shí)視頻圖像,t(x)為大氣散射傳遞函數(shù),A 為大氣光。公式(1)中等式右側(cè)第一項(xiàng)J(x)t(x)代表直接衰減項(xiàng),即大氣散射的衰減模型,第二項(xiàng)A(1 -t(x))被稱為散射大氣光,即大氣散射的大氣光模型。

        大氣散射傳遞系數(shù)表示透射率,反映了光線穿透霧的能力,值越大,表示場(chǎng)景點(diǎn)光線穿透霧到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的量越多[10]。大氣散射傳遞函數(shù)t(x)可表示成:

        式中,β 為大氣顆粒散射系數(shù),研究中由于霧在地表附近可以看作均勻的同質(zhì)物質(zhì),因此可以假設(shè)β 是一個(gè)常量。d(x)為場(chǎng)景深度,是物體到成像設(shè)備的距離,物體表面反射的光線在到達(dá)成像設(shè)備時(shí)呈指數(shù)減少。A表示無(wú)窮遠(yuǎn)處的大氣光,在同一天氣條件下可以看作一個(gè)恒定值。

        根據(jù)已知的霧天視頻圖像模型(公式(1)),本研究中認(rèn)為β 是一個(gè)常量,則大氣傳遞系數(shù)t(x)只受視頻圖像深度d(x)的影響。如果在同一霧天條件,且拍攝的視頻圖像深度基本一致的情況下,那么大氣光A 和t(x)就可以看作是不變的常量。因此我們可以利用多幅視頻圖像的多個(gè)約束方程,用解方程組的方法得出未知的參數(shù)。復(fù)原有霧視頻圖像關(guān)鍵是解出方程中的大氣傳遞系數(shù)t(x)和大氣光A,利用最小二乘法解超定方程組求出A 和t 的值。這樣不但充分利用了每個(gè)像素點(diǎn)的值,在很大程度上減小了誤差,而且去除了噪聲。在求解出參數(shù)t(x)和A 之后,有霧視頻圖像I(x)通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)的成像設(shè)備得到,這樣就可得到復(fù)原后的清晰視頻圖像J(x)。把參考場(chǎng)景算出的參數(shù)A 和t(x)代入公式(1)便可得到復(fù)原后的清晰視頻圖像J(x)為:

        根據(jù)視頻監(jiān)控圖像場(chǎng)景固定的特點(diǎn),可以選擇可靠的參考物體,方便獲得與霧天相對(duì)應(yīng)的清晰視頻圖像。本文的算法可以應(yīng)用于大量視頻監(jiān)控場(chǎng)景視頻圖像的預(yù)處理中,如視頻監(jiān)控、車(chē)牌識(shí)別和人臉識(shí)別等領(lǐng)域。該算法的實(shí)現(xiàn)流程如圖4 所示。

        圖4 去霧算法流程圖Fig.4 Flowchart of the defogging algorithm

        2.4 視頻圖像清晰化處理模塊

        視頻圖像清晰化與視頻圖像基本參數(shù)調(diào)整兩個(gè)模塊對(duì)視頻圖像所做的處理效果是可以疊加的,與視頻圖像去霧模塊無(wú)關(guān)聯(lián)。

        圖5 視頻圖像清晰化處理流程Fig.5 Flowchart of a video image clarity processing system

        視頻圖像清晰化處理的意義是指在視頻圖像采集/復(fù)制/傳遞過(guò)程中,由于環(huán)境、設(shè)備等多種原因,會(huì)導(dǎo)致視頻圖像的清晰度下降,為了保證視頻圖像的清晰顯現(xiàn),有必要對(duì)其清晰度進(jìn)行增強(qiáng)。視頻圖像清晰度(Sharpness)的概念是指視頻圖像細(xì)節(jié)邊界變化的敏銳程度,也稱為“銳度”,清晰化處理也被稱為“銳化”。清晰度與分辨率的關(guān)系為視頻圖像的分辨率越高,通常會(huì)采集到更豐富的細(xì)節(jié),使視頻圖像顯得更細(xì)膩。因此,在分辨率高的情況下,往往視頻圖像清晰度也較高。所以對(duì)于需要處理的圖片,分辨率越高,清晰化處理的效果也越好。

        本系統(tǒng)采用視頻圖像清晰度增強(qiáng)處理技術(shù)——虛光蒙版(UnsharpMask,USM)。其算法過(guò)程是:

        (1)對(duì)每個(gè)像素(當(dāng)前像素),求其同一幀內(nèi)周?chē)鄠€(gè)鄰近像素灰度值的平均值;

        (2)用當(dāng)前像素的灰度值減去同一幀內(nèi)空間上鄰近像素平均值,得到USM 值;

        (3)取一部分或全部USM 值與當(dāng)前像素的灰度值疊加。

        處理后,視頻圖像細(xì)節(jié)邊緣的灰度反差加大,且會(huì)出現(xiàn)一定寬度的亮暗輪廓(“邊飾”)。取鄰近像素范圍寬,則“邊飾”也較寬。

        視頻圖像清晰化算法流程見(jiàn)圖5。

        3 系統(tǒng)功能演示

        運(yùn)行本系統(tǒng)后的界面如圖6 所示。操作順序如下:

        (1)工具欄中,不同方向的笑臉的圖標(biāo),代表將圖進(jìn)行翻轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)的方式;

        (2)進(jìn)行圖像基本參數(shù)調(diào)整時(shí),設(shè)置參數(shù)大小的區(qū)域;

        (3)選擇圖像處理方式,以及設(shè)置參數(shù)的區(qū)域;

        (4)狀態(tài)欄的左邊會(huì)顯示當(dāng)前正在進(jìn)行的操作,在沒(méi)有任何操作的時(shí)候,會(huì)隨機(jī)顯示使用技巧提示,右邊則顯示圖片的分辨率和縮放比例。

        圖7、圖8 為圖像處理前后對(duì)比圖。

        圖6 系統(tǒng)操作界面Fig.6 Operation interface of the system

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文設(shè)計(jì)了具有模糊圖像的實(shí)時(shí)去霧、去噪、清晰化等功能的視頻圖像綜合處理系統(tǒng),系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了軟硬件結(jié)合的架構(gòu),具有標(biāo)準(zhǔn)的輸入輸出接口。目前該系統(tǒng)已經(jīng)能夠較好地對(duì)整幅視頻圖像進(jìn)行全局處理,但是隨著實(shí)際應(yīng)用需求的增加,對(duì)某些局部特定目標(biāo),比如車(chē)牌、人物等等,需要更細(xì)致的分析和處理?;诖?,在以后系統(tǒng)的升級(jí)過(guò)程中,我們將考慮增加系統(tǒng)局部特征處理的功能,使該系統(tǒng)具備更高的智能性以更好地應(yīng)用于安防監(jiān)控系統(tǒng)中。

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