一種視頻增強的新方法

一、概述

　　在艦、船、飛機等上，觀(guān)瞄系統對感知其周?chē)膽B(tài)勢有著(zhù)非常重要的作用，觀(guān)瞄系統一般由CCD攝像機和紅外成像系統組成。霧、水氣、雨雪等惡劣海洋氣象環(huán)境會(huì )嚴重影響CCD和紅外成像系統的圖像質(zhì)量，主要表現在圖像對比度下降，遠處目標模糊不清，難以分辨。從而影響對周?chē)鷳B(tài)勢的感知能力。

　　通過(guò)圖像處理算法，來(lái)提升圖像的對比度，也就是視頻增透技術(shù)，在國外尤其是美國的觀(guān)瞄系統已經(jīng)廣泛采用，圖像處理前后的對比效果如下：

　　從這個(gè)對比的效果圖片中，我們很明顯感受到，通過(guò)對視頻的增透處理，使圖像的對比度得到了很大的提升，原先模糊不清的船只，變得更加清晰可見(jiàn)，從而提高了觀(guān)瞄系統的觀(guān)察距離，提高了系統對周?chē)鷳B(tài)勢的感知能力。因此，視頻增透技術(shù)在艦船飛機等觀(guān)瞄系統上具有很好的應用前景。而這種視頻增透技術(shù)應用，由于算法和硬件實(shí)現技術(shù)的限制，在我國剛剛起步，商業(yè)化的成熟產(chǎn)品更是很少見(jiàn)到。

　　海洋的環(huán)境極為惡劣，霧、雨、水氣等天氣是常見(jiàn)的，而觀(guān)瞄系統需要有能力對遠距離的、微小的、高速移動(dòng)的目標進(jìn)行及時(shí)的觀(guān)察。如果不能及時(shí)發(fā)現目標，就可能使己方處于被動(dòng)狀態(tài)。因此裝備這種視頻增透設備，對提升觀(guān)瞄系統的觀(guān)察能力是非常必要的。

二、增透技術(shù)簡(jiǎn)介

　　視頻增透技術(shù)，一般指將因霧和水氣灰塵等導致朦朧不清的圖像變得清晰，強調圖像當中某些感興趣的特征，抑制不感興趣的特征，使得圖像的質(zhì)量改善，信息量更加豐富。增強后的圖像為圖像的下一步應用提供良好的條件。一般來(lái)說(shuō)增透技術(shù)有兩種：空域的和頻域的方法。但這些方法的對不同圖像的適應性還存在一些缺陷。在上個(gè)世紀70年代，美國物理學(xué)家Land等提出了Retinex圖像增強方法，它是基于人類(lèi)視覺(jué)感知的圖像處理模型。它能壓縮圖像動(dòng)態(tài)范圍，顯示圖像中被湮沒(méi)的細節。但算法復雜，工程實(shí)現難度大，尤其是對實(shí)時(shí)視頻的實(shí)時(shí)增強，因為計算量大，導致很難實(shí)際應用。隨著(zhù)硬件性能的提高，我們終于能把這個(gè)具有普遍適應性的圖像增強算法變成實(shí)際的工程化產(chǎn)品。這是業(yè)內首次實(shí)現的Retinex算法的硬件產(chǎn)品。

　　下面我們以實(shí)際增強前后的圖片來(lái)演示Retinex算法的效果和該算法對不同場(chǎng)景的普遍適應性。

圖1 霧天天氣增強對比1

圖2 霧天天氣增強對比2

圖3水下

圖4 水下

圖5 沙塵天氣

圖6 霾天氣

圖7 昏暗天氣

　　從這些對比圖片，我們可以明顯看到增強后的圖像更加清晰，原先很難看到的細節變得很清楚，而且該算法對不同的氣象環(huán)境具有非常好的普適性。

　　Retinex算法是基于人類(lèi)視覺(jué)系統感知和調節物體顏色和亮度的模型，這個(gè)模型解釋了一般顏色理論無(wú)法解釋的人眼對顏色的波長(cháng)與亮度不是特別對應的現象。Land通過(guò)大量的實(shí)驗證明我提的表面顏色不會(huì )因為光照條件的變化而改變即顏色恒常性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)顏色恒常就是說(shuō)無(wú)論是在正午的陽(yáng)光下、白熾燈下，還是在陰暗的光照條件下，人類(lèi)感覺(jué)到的同樣物體顏色是一致的。正因如此，在進(jìn)行圖像操作時(shí)應當去除光照強度，照射不均等一些不確定和非本質(zhì)的影響，只保留物體本質(zhì)的反射性質(zhì)如反射率等信息?；谶@種方法處理的圖像可以使圖像在邊緣銳化、動(dòng)態(tài)范圍壓縮和顏色的恒定方面都有很好的效果，

　　Retinex理論的基本思想就是將原始圖像看成是由照射圖像和物體反射屬性組成，照射光圖像直接決定一幅圖像中像素能夠達到的動(dòng)態(tài)范圍，物體反射屬性決定了圖像的內在性質(zhì)，因此，在原始圖像中去除或降低照射圖像的影響從而保留本質(zhì)的反射屬性是Retinex理論的基本思想。與其它圖像增強方法相比，Retinex算法具有銳化、顏色恒常性、動(dòng)態(tài)范圍壓縮大、色彩逼真度高等特點(diǎn)。

　　現在多部分的視頻增強器只是采用基于全局的Retinex圖像增強算法通過(guò)在對數域內計算相鄰像素點(diǎn)灰度值之間的比值從而得到相鄰像素點(diǎn)之間的相對明暗關(guān)系，繼而通過(guò)該明暗關(guān)系對原像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行校正，最后再對校正后的像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行線(xiàn)性拉伸，得到增強的圖像。所以得到的增強圖像對比度不高。而CASEVision VE9901視頻增強器采用先進(jìn)的多尺度Retinex圖像增強算法，具有較強的普適性。同時(shí)提供優(yōu)化的對數直方圖均衡處理和多種噪聲濾波算法。 它基于DSP的嵌入式硬件結構，具有尺寸小、功耗低、高性能的優(yōu)點(diǎn)。 且實(shí)時(shí)對圖像處理，自動(dòng)適應PAL制和NTSC制式視頻圖像。并具有極低的延遲，延遲時(shí)間不超過(guò)一幀，即PAL制視頻延遲40ms，NTSC制式視頻延遲33ms。 同時(shí)，它還支持全屏增強和局部窗口增強，局部增強窗口大小和位置可動(dòng)態(tài)調整。