一、 視頻增強(qiáng)的背景

　　視覺信息是人類獲得外界信息的主要來源，因?yàn)榇蠹s有70%的信息是通過人眼獲得的。隨著多媒體技術(shù)飛速發(fā)展，視頻圖像得到了廣泛重視和應(yīng)用,其應(yīng)用領(lǐng)域遍及廣播電視、醫(yī)學(xué)、保安監(jiān)控、車場(chǎng)管理、軍事及生命科學(xué)等方面。視頻采集技術(shù)與顯示技術(shù)的提升，使得人們對(duì)畫質(zhì)的要求越來越高，但是在各類圖像系統(tǒng)中圖像的傳送和轉(zhuǎn)換(如成像、復(fù)制、掃描、傳輸以及顯示等)總要在一定程度上造成圖像質(zhì)量的降低。例如一些戶外監(jiān)控系統(tǒng)往往只能在晴天下才能正常工作，在大霧、沙塵等惡劣天氣或者低光照情況下圖像對(duì)比度大大降低，人們無法從中得到有用信息。不僅如此，長(zhǎng)期觀看品質(zhì)低下的視頻可能會(huì)加重人們眼睛的負(fù)擔(dān)，容易產(chǎn)生視覺疲勞，甚至?xí)^暈?zāi)垦?。在出現(xiàn)大霧、大雨、沙塵等惡劣天氣時(shí)，戶外景物圖像的對(duì)比度和顏色都會(huì)被改變或退化，圖像中蘊(yùn)含的許多特征都被覆蓋或模糊，得到的是退化圖像，對(duì)于各類監(jiān)控都造成了極大的困難，因此，要充分發(fā)揮監(jiān)視視頻的效能，就必須對(duì)監(jiān)視視頻圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理。在軍事偵察、監(jiān)視方面，為了實(shí)施正確指揮，取得作戰(zhàn)勝利，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)軍事偵察提出了更高的要求，廣泛應(yīng)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)大偵察的范圍，提高偵察的時(shí)效性和準(zhǔn)確性。因此，軍事偵察、監(jiān)視中用到的視頻圖像的品質(zhì)尤為重要，退化的視頻圖像對(duì)信息的識(shí)別與處理會(huì)造成偏差，而這種偏差的后果是非常嚴(yán)重的，因此視頻增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　二、 視頻增強(qiáng)算法(Retinex算法)的基本原理

　　Retinex算法簡(jiǎn)介

　　Retinex(視網(wǎng)膜”Retina”和大腦皮層”Cortex”的縮寫)理論是一種建立在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)分析基礎(chǔ)上的基于人類視覺系統(tǒng)(Human Visual System)的圖像增強(qiáng)理論。該算法的基本原理模型最早是由Edwin Land(埃德溫•蘭德)于1971年提出的一種被稱為的色彩的理論，并在顏色恒常性的基礎(chǔ)上提出的一種基于理論的圖像增強(qiáng)方法。Retinex 理論的基本內(nèi)容是物體的顏色是由物體對(duì)長(zhǎng)波(紅)、中波(綠)和短波(藍(lán))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，即Retinex 理論是以色感一致性(顏色恒常性)為基礎(chǔ)的。

　　不同于傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)算法，如線性、非線性變換、圖像銳化等只能增強(qiáng)圖像的某一類特征，如壓縮圖像的動(dòng)態(tài)范圍，或增強(qiáng)圖像的邊緣等，Retinex可以在動(dòng)態(tài)范圍壓縮、邊緣增強(qiáng)和顏色恒常三方面達(dá)到平衡，因此可以對(duì)各種不同類型的圖像進(jìn)行自適應(yīng)性地增強(qiáng)。正因?yàn)镽etinex諸多良好的特性，使Retinex算法在很多方面得到了廣泛的應(yīng)用。

　　在諸多以Retinex為核心的算法中，單尺度(Single-Scale Retinex, SSR) 算法，多尺度(Multi-Scale Retinex, MSR)算法是最具有代表性和最成熟的算法。

　　單尺度(Single-Scale Retinex, SSR)算法原理

　　根據(jù)Land提出的理論，一幅給定的圖像S(x,y)分解成兩幅不同的圖像：反射物體圖像R(x,y)和入射光圖像L(x,y)，其原理示意圖如下:

　　圖1：Retinex原理示意圖

　　對(duì)于觀察圖像S中的每個(gè)點(diǎn)(x,y)，用公式可以表示為：

　　                                                                 S(x,y)=R(x,y)﹒L(x,y) （1） 
 

　　據(jù)Retinex 理論，物體的顏色是由物體對(duì)光線的反射能力決定的，而物體對(duì)光線的反射能力是物體本身固有的屬性，與光源強(qiáng)度的絕對(duì)值沒有依賴關(guān)系。因此通過計(jì)算各個(gè)像素間的相對(duì)明暗關(guān)系，可以對(duì)圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)做校正，從而確定該像素點(diǎn)的顏色。

　　單尺度(Single-Scale Retinex, SSR)算法在對(duì)數(shù)域中則表示為：

(2)

　　根據(jù)上面(2)式的原理，Retinex理論進(jìn)行圖像增強(qiáng)的關(guān)鍵是從原圖像中有效的信息計(jì)算出亮度圖像L(x,y)。但是從原圖像計(jì)算亮度圖像在數(shù)學(xué)上是一個(gè)奇異問題，因此只能通過數(shù)學(xué)上近似估計(jì)的方式估算亮度圖像。在Retinex算法的發(fā)展史中，曾經(jīng)出現(xiàn)過平方反比的環(huán)繞形式、指數(shù)形式以及高斯指數(shù)形式，但在單尺度Retinex增強(qiáng)算法中，杰泊森(Jobson)論證了高斯卷積函數(shù)可以對(duì)源圖像提供更局部的準(zhǔn)確處理，因而可以更好地增強(qiáng)圖像，其可以表示為：

(3)

其中λ是常量矩陣,c是濾波半徑，并且滿足：(4)

　　c越小，灰度動(dòng)態(tài)范圍壓縮的越多，c越大，圖像銳化的越厲害。因此亮度圖像最終可以表示為：

(5)
　　

單尺度(SSR)可以表示為：

                          (6)

　　三、 視頻增強(qiáng)的在國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

　　視頻圖像增強(qiáng)是視頻圖像處理領(lǐng)域的一個(gè)傳統(tǒng)的話題，同時(shí)又一直是較為活躍的研究領(lǐng)域，不斷有新方法和新手段引入使該領(lǐng)域保持旺盛的生命力，并不斷有新成果面世。視頻增強(qiáng)技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、遙感以及視頻檢測(cè)等方面。

　　在軍事方面，由于觀察距離遠(yuǎn)及氣候惡劣，獲取的視頻往往存在目標(biāo)和背景混淆不清，很難區(qū)分等，需要進(jìn)行增強(qiáng)處理才能將感興趣的目標(biāo)凸顯出來;醫(yī)學(xué)方面，由于成像的固有特點(diǎn)，醫(yī)學(xué)圖像往往很暗，模糊不清，很難辨別出病變組織和正常組織，需要圖像增強(qiáng)處理以突出病變組織;遙感方面，如農(nóng)情遙感監(jiān)測(cè)，進(jìn)行農(nóng)作物分類需要應(yīng)用圖像增強(qiáng)技術(shù)以提高分類的精度;在公共安全方面，人像、指紋及其他痕跡的處理和識(shí)別，以及跟蹤、事故分析等應(yīng)用領(lǐng)域，也都需要圖像增強(qiáng)處理來突出圖像的特征。各類視頻監(jiān)控系統(tǒng)也急需視頻圖像增強(qiáng)功能以彌補(bǔ)現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，提高視頻圖像的對(duì)比度、提高監(jiān)控效果與目標(biāo)識(shí)別、改善光照不均勻等現(xiàn)象，得到視覺效果更好、有利于進(jìn)一步分析和判讀的視頻圖像。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)階段各行業(yè)對(duì)低能見度圖像、視頻增強(qiáng)處理的需求將會(huì)越來越多。

　　從國(guó)內(nèi)外的一些對(duì)視頻圖像增強(qiáng)的研究情況可以看出，大都是采用視頻圖像的后續(xù)處理方法來進(jìn)行的，現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)是對(duì)動(dòng)態(tài)視頻圖像進(jìn)行快速實(shí)時(shí)增強(qiáng)，使得人們可以更有效地利用視頻圖像。視頻增強(qiáng)技術(shù)的研究和運(yùn)用領(lǐng)域，在軍用上特別多，在民用上還主要是用在一些特定場(chǎng)所。但隨著人們生活中數(shù)字化程度的提高，視頻技術(shù)的不斷發(fā)展和更新，視頻將越來越多的得到廣泛應(yīng)用。

　　四、 視頻增強(qiáng)能解決的實(shí)際問題及應(yīng)用領(lǐng)域

　　各種情況下處理效果

　　•大霧天氣下

　　•沙層天氣下

　　•水底環(huán)境

　　•昏暗天氣

　　•雨天條件下

•陰霾天氣下

視頻增強(qiáng)的應(yīng)用領(lǐng)域

　　•搜尋及救援車輛

　　•電視監(jiān)控系統(tǒng)

　　•室外電視轉(zhuǎn)播

　　•飛行導(dǎo)航幫助

　　•公路交通監(jiān)控

　　•醫(yī)院體檢成像

　　•機(jī)場(chǎng)的調(diào)度

　　•港口調(diào)度

　　•水下偵測(cè)

　　•安防應(yīng)用

　　五、 本公司的產(chǎn)品及其特點(diǎn)

　　VE9901視頻增強(qiáng)器

　　特性

　　•先進(jìn)的多尺度Retinex圖像增強(qiáng)算法，具有較強(qiáng)的普適性。同時(shí)提供優(yōu)化的對(duì)數(shù)直方圖均衡處理和多種噪聲濾波算法。

　　•基于DSP的嵌入式硬件結(jié)構(gòu)，具有尺寸小、功耗低、高性能。

　　•全實(shí)時(shí)處理，并具有極低的延遲，延遲時(shí)間不超過一幀，即PAL制視頻延遲40ms，NTSC制式視頻延遲33ms。

　　•自動(dòng)適應(yīng)PAL制和NTSC制式視頻圖像。

　　•支持全屏增強(qiáng)和局部窗口增強(qiáng)，局部增強(qiáng)窗口大小和位置可動(dòng)態(tài)調(diào)整。?

　　•支持串口、面板健盤、和DIP開關(guān)的配置和實(shí)時(shí)控制。配置可以存儲(chǔ)于FLASH中長(zhǎng)期保存。

　　•支持固件的在線升級(jí)。?

　　•支持商用級(jí)、工業(yè)級(jí)、軍用級(jí)工作環(huán)境條件。

　　技術(shù)參數(shù)

　　•輸入視頻制式：自動(dòng)適應(yīng)和識(shí)別PAL/NTSC制式，輸出視頻制式自動(dòng)與輸入視頻制式保持一致。

　　•輸入視頻：輸入阻抗75歐姆，峰峰值為1V。?

　　•輸出視頻：輸出阻抗75歐姆，峰峰值為1V。

　　•全實(shí)時(shí)處理。PAL制式25幀/秒;NTSC制式30幀/秒。?

　　•圖像增強(qiáng)算法：自適應(yīng)多尺度Retinex圖像增強(qiáng)算法、優(yōu)化的對(duì)數(shù)直方圖均衡。

　　•降噪濾波算法：高斯濾波、中值濾波。?

　　•支持全屏增強(qiáng)和局部增強(qiáng)，局部增強(qiáng)窗口位置和尺寸可以隨意動(dòng)態(tài)調(diào)整。

　　•支持RS485/RS232串口通訊，波特率可設(shè)置。?

　　•可以通過屏幕菜單和按鍵、串口、DIP開關(guān)三種方式進(jìn)行靈活方便快速的配置和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制。配置存儲(chǔ)在FLASH中，斷電不丟失。

　　•支持固件的在線升級(jí)。?

　　•電源：DC12V，≤1.0A。、?

　　•機(jī)械尺寸：110X140mm?

　　•工作溫度：0℃～+90℃(商用級(jí));-45℃～+85℃(擴(kuò)展溫度)

　　•存儲(chǔ)溫度：-55℃～+90℃;?

　　•濕度：最大95%，無霜?

　　•震動(dòng)：正弦：10g(15-2000Hz);隨機(jī)：0.04g2/Hz(15-2000Hz)

　　•沖擊：?>30g，11ms，鋸齒波
 

                                                                                                                                                                                 ------上海凱視力成 鐘建軍