一、 視頻增強的背景

　　視覺信息是人類獲得外界信息的主要來源，因為大約有70%的信息是通過人眼獲得的。隨著多媒體技術飛速發(fā)展，視頻圖像得到了廣泛重視和應用,其應用領域遍及廣播電視、醫(yī)學、保安監(jiān)控、車場管理、軍事及生命科學等方面。視頻采集技術與顯示技術的提升，使得人們對畫質的要求越來越高，但是在各類圖像系統(tǒng)中圖像的傳送和轉換(如成像、復制、掃描、傳輸以及顯示等)總要在一定程度上造成圖像質量的降低。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比度大大降低，人們無法從中得到有用信息。不僅如此，長期觀看品質低下的視頻可能會加重人們眼睛的負擔，容易產(chǎn)生視覺疲勞，甚至會頭暈目眩。在出現(xiàn)大霧、大雨、沙塵等惡劣天氣時，戶外景物圖像的對比度和顏色都會被改變或退化，圖像中蘊含的許多特征都被覆蓋或模糊，得到的是退化圖像，對于各類監(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，就必須對監(jiān)視視頻圖像進行增強處理。在軍事偵察、監(jiān)視方面，為了實施正確指揮，取得作戰(zhàn)勝利，現(xiàn)代戰(zhàn)爭對軍事偵察提出了更高的要求，廣泛應用先進科學技術，進一步擴大偵察的范圍，提高偵察的時效性和準確性。因此，軍事偵察、監(jiān)視中用到的視頻圖像的品質尤為重要，退化的視頻圖像對信息的識別與處理會造成偏差，而這種偏差的后果是非常嚴重的，因此視頻增強技術應運而生。

　　二、 視頻增強算法(Retinex算法)的基本原理

　　Retinex算法簡介

　　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實驗和科學分析基礎上的基于人類視覺系統(tǒng)(Human Visual System)的圖像增強理論。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上提出的一種基于理論的圖像增強方法。Retinex 理論的基本內(nèi)容是物體的顏色是由物體對長波(紅)、中波(綠)和短波(藍)光線的反射能力決定的，而不是由反射光強度的絕對值決定的;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)為基礎的。

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

　　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

　　對于觀察圖像S中的每個點(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光線的反射能力決定的，而物體對光線的反射能力是物體本身固有的屬性，與光源強度的絕對值沒有依賴關系。因此通過計算各個像素間的相對明暗關系，可以對圖像中的每個像素點做校正，從而確定該像素點的顏色。

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

(2)

　　根據(jù)上面(2)式的原理，Retinex理論進行圖像增強的關鍵是從原圖像中有效的信息計算出亮度圖像L(x,y)。但是從原圖像計算亮度圖像在數(shù)學上是一個奇異問題，因此只能通過數(shù)學上近似估計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增強算法中，杰泊森(Jobson)論證了高斯卷積函數(shù)可以對源圖像提供更局部的準確處理，因而可以更好地增強圖像，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、 視頻增強的在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

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

　　在軍事方面，由于觀察距離遠及氣候惡劣，獲取的視頻往往存在目標和背景混淆不清，很難區(qū)分等，需要進行增強處理才能將感興趣的目標凸顯出來;醫(yī)學方面，由于成像的固有特點，醫(yī)學圖像往往很暗，模糊不清，很難辨別出病變組織和正常組織，需要圖像增強處理以突出病變組織;遙感方面，如農(nóng)情遙感監(jiān)測，進行農(nóng)作物分類需要應用圖像增強技術以提高分類的精度;在公共安全方面，人像、指紋及其他痕跡的處理和識別，以及跟蹤、事故分析等應用領域，也都需要圖像增強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功能以彌補現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，提高視頻圖像的對比度、提高監(jiān)控效果與目標識別、改善光照不均勻等現(xiàn)象，得到視覺效果更好、有利于進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)對低能見度圖像、視頻增強處理的需求將會越來越多。

　　從國內(nèi)外的一些對視頻圖像增強的研究情況可以看出，大都是采用視頻圖像的后續(xù)處理方法來進行的，現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是對動態(tài)視頻圖像進行快速實時增強，使得人們可以更有效地利用視頻圖像。視頻增強技術的研究和運用領域，在軍用上特別多，在民用上還主要是用在一些特定場所。但隨著人們生活中數(shù)字化程度的提高，視頻技術的不斷發(fā)展和更新，視頻將越來越多的得到廣泛應用。

　　四、 視頻增強能解決的實際問題及應用領域

　　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

視頻增強的應用領域

　　•搜尋及救援車輛

　　•電視監(jiān)控系統(tǒng)

　　•室外電視轉播

　　•飛行導航幫助

　　•公路交通監(jiān)控

　　•醫(yī)院體檢成像

　　•機場的調度

　　•港口調度

　　•水下偵測

　　•安防應用

　　五、 本公司的產(chǎn)品及其特點

　　VE9901視頻增強器

　　特性

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

　　•基于DSP的嵌入式硬件結構，具有尺寸小、功耗低、高性能。

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

　　•自動適應PAL制和NTSC制式視頻圖像。

　　•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態(tài)調整。?

　　•支持串口、面板健盤、和DIP開關的配置和實時控制。配置可以存儲于FLASH中長期保存。

　　•支持固件的在線升級。?

　　•支持商用級、工業(yè)級、軍用級工作環(huán)境條件。

　　技術參數(shù)

　　•輸入視頻制式：自動適應和識別PAL/NTSC制式，輸出視頻制式自動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。

　　•全實時處理。PAL制式25幀/秒;NTSC制式30幀/秒。?

　　•圖像增強算法：自適應多尺度Retinex圖像增強算法、優(yōu)化的對數(shù)直方圖均衡。

　　•降噪濾波算法：高斯濾波、中值濾波。?

　　•支持全屏增強和局部增強，局部增強窗口位置和尺寸可以隨意動態(tài)調整。

　　•支持RS485/RS232串口通訊，波特率可設置。?

　　•可以通過屏幕菜單和按鍵、串口、DIP開關三種方式進行靈活方便快速的配置和實時動態(tài)控制。配置存儲在FLASH中，斷電不丟失。

　　•支持固件的在線升級。?

　　•電源：DC12V，≤1.0A。、?

　　•機械尺寸：110X140mm?

　　•工作溫度：0℃～+90℃(商用級);-45℃～+85℃(擴展溫度)

　　•存儲溫度：-55℃～+90℃;?

　　•濕度：最大95%，無霜?

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

　　•沖擊：?>30g，11ms，鋸齒波
 

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