圖像增強(qiáng)技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

覃運(yùn)初，羅富貴

（河池學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，廣西 宜州 546300）

0 引言

在監(jiān)控系統(tǒng)中，圖像以及視頻在形成和傳輸、變換的過(guò)程中，通常會(huì)受到各種因素的影響，例如系統(tǒng)噪聲、曝光不足以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)等影響，導(dǎo)致獲取的視頻和圖像質(zhì)量會(huì)大打折扣，使得圖像經(jīng)常模糊不清、有效信息量少，無(wú)法達(dá)到監(jiān)控目的.在這種情況下，圖像增強(qiáng)技術(shù)逐漸發(fā)展起來(lái)，在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用也在不斷的擴(kuò)大.

1 監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀

監(jiān)控系統(tǒng)是一種防范效果較強(qiáng)的系統(tǒng)，也是安全防范系統(tǒng)中的一部分.在目前信息化時(shí)代的發(fā)展過(guò)程中，監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足信息技術(shù)以及通信技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)法滿(mǎn)足各個(gè)環(huán)境的監(jiān)控需求.因此，人們逐漸研發(fā)出適應(yīng)于各種領(lǐng)域的監(jiān)控系統(tǒng)，并取得了良好的效果.監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻和圖像是對(duì)客觀事物的直接體現(xiàn)，直觀具體的傳遞了實(shí)際信息，是人類(lèi)重要的信息載體.通過(guò)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在監(jiān)控系統(tǒng)中，不斷引進(jìn)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，逐漸發(fā)展成為數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，能夠充分應(yīng)用計(jì)算機(jī)處理能力對(duì)視頻和圖像進(jìn)行數(shù)字化處理.監(jiān)控系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域中得到了較廣泛的應(yīng)用，例如，生活小區(qū)的安全監(jiān)控、銀行系統(tǒng)監(jiān)控、林業(yè)部門(mén)安全防火監(jiān)控、交通監(jiān)控等.但是在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，還存在一定的問(wèn)題，目前監(jiān)控系統(tǒng)中圖像失真、邊緣模糊、噪聲大以及對(duì)比度較差等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因此，需要采取相關(guān)措施提高圖像清晰度[1].

2 圖像增強(qiáng)技術(shù)處理的現(xiàn)狀

圖像信息是人們獲得各種信息的重要渠道，有85%的信息是通過(guò)人眼獲得的，人眼獲得的信息大多數(shù)是圖像信息.在當(dāng)今各個(gè)領(lǐng)域中，包括農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究、軍事、工業(yè)、醫(yī)學(xué)研究以及氣象和天文等方面，人們認(rèn)識(shí)、判斷事物以及解決實(shí)際中出現(xiàn)的問(wèn)題均需要利用圖像信息來(lái)完成.在人們生活和工作中，圖像信息是非常重要的.隨之圖像信息增強(qiáng)處理技術(shù)得到較好的發(fā)展，其中圖像增強(qiáng)處理方法一般分為空域法和變換域法.空域法指的是將圖像看成是平面中各種像素組成的集合，并對(duì)二維函數(shù)進(jìn)行處理.變換域法指的是對(duì)圖像進(jìn)行正交變換，例如傅立葉變換，得出變換矩陣之后，對(duì)變換后的圖像進(jìn)行再處理，之后將其變換到空間域，得到處理后的圖像.圖像增強(qiáng)技術(shù)主要是通過(guò)各種方法和手段來(lái)提高圖像的清晰度，并從中獲取有價(jià)值的圖像信息.圖像增強(qiáng)技術(shù)種類(lèi)較多，但是大多數(shù)圖像增強(qiáng)技術(shù)具有針對(duì)性，其應(yīng)用范圍比較窄，沒(méi)有統(tǒng)一的、完善的管理和算法.同時(shí)，針對(duì)不同的圖像，其使用的算法實(shí)效性較差.本研究主要是針對(duì)圖像對(duì)比度差以及噪聲大等問(wèn)題采取圖像增強(qiáng)技術(shù)來(lái)解決[2].

3 圖像增強(qiáng)技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)圖像對(duì)比度增強(qiáng)處理技術(shù)的應(yīng)用

其一，直方圖修正法.直方圖修正法主要包括直方圖均衡化與直方圖規(guī)定化兩個(gè)方面，其中均衡化主要指的是將原圖的直方圖采取變換函數(shù)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆虻闹狈綀D，并根據(jù)均衡的直方圖來(lái)對(duì)原圖進(jìn)行處理.換句話(huà)而言，就是對(duì)圖像中的灰度進(jìn)行處理，以便擴(kuò)大對(duì)比度.另外，規(guī)定化指的是將增強(qiáng)后的圖像根據(jù)一定的要求轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)定的直方圖，通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)的作用，確保圖像均勻概率密度分布.圖1中的(a-f)是分別通過(guò)均衡化和規(guī)定化兩種方式進(jìn)行處理后的結(jié)果.其中原圖的灰度主要集中在100-150范圍內(nèi)，其圖像的對(duì)比度較低，通過(guò)處理之后，對(duì)比度得到明顯的提高.并且規(guī)定化的處理與均衡化相比，前者圖像亮度更高，因此，直方圖修正法比單純的均衡化處理效果好.在監(jiān)控系統(tǒng)中，采用直方圖修正法來(lái)增強(qiáng)圖像的清晰度效果較好[3].

其二，加權(quán)平均法的應(yīng)用.該方法主要是結(jié)合直方圖的均衡化和增強(qiáng)通濾波來(lái)處理的，在監(jiān)控視頻播放的階段比較適用.由于均衡化處理圖像存在一定的斑點(diǎn)，需要通過(guò)加權(quán)平均法對(duì)其進(jìn)行銳化處理，確保原圖的目標(biāo)特征.通過(guò)兩種方法的結(jié)合，可以有效的增強(qiáng)圖像清晰度.加權(quán)平均法處理圖像的算法如圖2所示.

圖1 直方圖修正法的應(yīng)用

圖2 圖像增強(qiáng)算法示意圖

其三，小波變換反銳化掩模法的應(yīng)用.小波變換方法具有分辨率高、時(shí)頻局部化等特點(diǎn)，在圖像增強(qiáng)處理中，其應(yīng)用效果較好.反銳化掩模法是邊緣模糊增強(qiáng)的主要手段和方式.通過(guò)將上述兩種方法有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，可以制定出小波變換反銳化掩模法.其圖像處理流程主要是將原圖進(jìn)行小波分解之后，使用增強(qiáng)函數(shù)將小波系數(shù)帶入公式中進(jìn)行處理，之后對(duì)得出的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，得出增強(qiáng)效果后的圖像.通過(guò)對(duì)上述三種方法處理效果進(jìn)行比較分析，其中處理后的圖像參數(shù)越大，其圖像的灰度分布越均勻，表明對(duì)比度越好.三種方法處理后的圖像參數(shù)如表1所示.從表1中可以看出，雖然直方圖修正法處理后的圖像參數(shù)最高，但是其圖像會(huì)出現(xiàn)斑點(diǎn).加權(quán)平均法圖像參數(shù)相對(duì)較小，但是沒(méi)有出現(xiàn)斑點(diǎn)情況.小波變換反銳化掩模法處理后的圖像，不僅細(xì)節(jié)對(duì)比度較好，而且沒(méi)有出現(xiàn)斑點(diǎn)情況.就通常而言，小波變換對(duì)比度增強(qiáng)效果最好.但是在監(jiān)控系統(tǒng)中，由于圖像具有不同的特征，在實(shí)際情況下，還需要針對(duì)監(jiān)控圖像的實(shí)際情況采取不同的圖像增強(qiáng)技術(shù)來(lái)處理[4].

表1 各種對(duì)比度增強(qiáng)后的圖像參數(shù)比較

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)圖像噪聲大處理技術(shù)的應(yīng)用

其一，幀內(nèi)濾波法的應(yīng)用.該方法主要是針對(duì)單幀視頻圖像的濾波進(jìn)行處理，根據(jù)其不同的作用，可以分為空域?yàn)V波法、小波域?yàn)V波法以及頻域?yàn)V波法等.其中空域?yàn)V波法是在圖像空間中，通過(guò)借助模板采取領(lǐng)域操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通常分為線(xiàn)性及非線(xiàn)性?xún)煞N情況.線(xiàn)性濾波器通常是采取傅立葉變換方式來(lái)操作的.而非線(xiàn)性濾波器通常是直接對(duì)領(lǐng)域進(jìn)行操作完成.在空域?yàn)V波法中主要構(gòu)成要素包括高斯濾波器、維納濾波器以及鄰域平均法.其中領(lǐng)域平均法主要作用是消除圖像中的噪聲，是平滑處理中最簡(jiǎn)單、最基本的空域方式，其屬于線(xiàn)性濾波方法中的一種.在監(jiān)控系統(tǒng)中，圖像通常會(huì)受到各種噪聲的干擾，例如信道傳輸誤差導(dǎo)致的噪聲干擾、電傳感器的噪聲干擾等，通常導(dǎo)致圖像中存在一些如雪花一樣的像素點(diǎn)，針對(duì)這種情況可以采取領(lǐng)域平均法處理.在圖像處理的時(shí)候，還需要借助高斯濾波器與維納濾波器來(lái)處理.另外，頻域?yàn)V波法主要是將圖像通過(guò)頻域變換，并對(duì)圖像的變換值采取相應(yīng)的運(yùn)算處理，之后進(jìn)行逆變換將其轉(zhuǎn)變到空間域，從而達(dá)到降噪效果.其頻域?yàn)V波法的處理流程如圖3所示.在圖像處理的過(guò)程中，通常會(huì)使用到理想低通濾波器、指數(shù)低通濾波器、地形低通濾波器等.

圖3 頻域?yàn)V波法圖像增強(qiáng)流程圖

其二，幀間濾波法的應(yīng)用.與幀內(nèi)濾波法相比，幀間濾波法綜合考慮到了圖像幀與幀之間的聯(lián)系，在圖像增強(qiáng)效果處理的時(shí)候，其效果更好.在該方法中通常需要使用自適應(yīng)遞歸濾波器和時(shí)域平均濾波器.時(shí)域平均濾波器主要是將相鄰的幾幀圖像對(duì)應(yīng)的像素平均處理.由于該種處理器需要對(duì)多幀進(jìn)行處理，其幀數(shù)越多，內(nèi)存數(shù)量就會(huì)越多，通常會(huì)出現(xiàn)圖像延誤的現(xiàn)象，其噪聲消除效果較低，通常情況下，不會(huì)直接使用時(shí)域平均濾波器進(jìn)行除噪處理.在處理圖像的時(shí)候，需要找出相鄰兩幀之間物體運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，以便重建丟失的視頻幀，從而更好的處理圖像噪聲.自適應(yīng)遞歸濾波器通過(guò)使用運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方式檢測(cè)出兩幀之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并對(duì)其像素進(jìn)行不同程度的加權(quán)平均處理，可以達(dá)到降噪的效果.另外，該濾波器只需要通過(guò)一幀的延時(shí)時(shí)間，在硬件方面需要兩幀的存儲(chǔ)，不僅可以節(jié)省成本，還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)處理.

4 總結(jié)

隨著監(jiān)控系統(tǒng)在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，圖像增強(qiáng)技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用.由于監(jiān)控系統(tǒng)中圖像和視頻具有不同的特點(diǎn)，在使用圖像增強(qiáng)技術(shù)的時(shí)候，需要根據(jù)圖像的特點(diǎn)和性質(zhì)采取不同的處理技術(shù)，以便有效的提高圖像的清晰度，提高圖像信息的價(jià)值.

〔1〕張海燕.視頻圖像增強(qiáng)技術(shù)及應(yīng)用淺析[J].中國(guó)公共安全，2013，12(8)：278.

〔2〕陳志雄.圖像增強(qiáng)技術(shù)原理及在安防領(lǐng)域的應(yīng)用[J].科技資訊，2013，32(9)：336.

〔3〕魏連云.圖像增強(qiáng)技術(shù)在煤礦巖層監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].科技資訊，2009，22(5)：264.

〔4〕于天河.紅外監(jiān)控系統(tǒng)中圖像增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，24(3)：154.