安防視頻監(jiān)控圖像處理的技術(shù)與方法

眾所周知，圖像處理的目是改善圖像質(zhì)量、提取有用信息、識(shí)別預(yù)定目標(biāo)等。而光電圖像信息處理技術(shù)緊跟信息處理技術(shù)的前沿，擴(kuò)展人類的信息器官和思維器官的功能。特別是信息獲取與處理技術(shù)的發(fā)展，使人類對(duì)于外部世界看得遠(yuǎn)(超視距本領(lǐng))、看得清(空間分辨、光譜分辨和立體分辨本領(lǐng))、不受阻擋(穿透云霧或物體本領(lǐng))、識(shí)別能力強(qiáng)(信息處理技術(shù))，把人類獲取外界信息的能力提高到空前的高度。

由于光電信息技術(shù)是邊緣學(xué)科交叉的新興科學(xué)技術(shù)，而其光電成像器件輸出的是視頻圖像信號(hào)，因而光電圖像處理，也就是我們常說的視頻圖像處理，而這種視頻圖像處理的技術(shù)與方法，已廣涉應(yīng)用于現(xiàn)代安防的視頻監(jiān)控圖像處理中。本文介紹視頻圖像及其處理的基本概念，視頻圖像處理的基本技術(shù)與方法：如像素的點(diǎn)處理、區(qū)域處理，視頻圖像的幀處理等。

視頻圖像及其處理的基本概念

視頻圖像的含義

眾所周知，掃描型光電成像器件或攝像器件，是通過電子束掃描或固體自掃描等方式，將被攝景物經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在器件的光敏面上的二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐痪S時(shí)序信號(hào)輸出來。這種運(yùn)載圖像信息的一維時(shí)序信號(hào)就稱為視頻信號(hào)，或視頻圖像信號(hào)。如將這種視頻信號(hào)送入監(jiān)視器，控制顯像管的電子槍的強(qiáng)度，顯像管的電子槍與攝像器件作同步掃描，即可將攝像器件所攝取的圖像顯示出來。顯然，這種掃描型光電成像器件能對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和傳輸，并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觀察。

視頻(video)指動(dòng)態(tài)圖像(movingimage)，可以認(rèn)為是隨時(shí)間變化的靜態(tài)圖像系列(still-frameimage/picturesequence)。在靜態(tài)圖像中，信息密度隨空間分布，且相對(duì)于時(shí)間為常量;而動(dòng)態(tài)圖像的空間信息密度特征則隨時(shí)間變化。

視頻圖像的數(shù)學(xué)表達(dá)式

視頻圖像的數(shù)學(xué)表達(dá)式的一般形式可以以寫成S(x，y，t)。其中，x，y為空間變量，t為時(shí)間變量，而S為對(duì)應(yīng)于時(shí)空點(diǎn)(x，y，t)的光度學(xué)物理量。如果采用RGB體系來描述的話，完整的數(shù)字表達(dá)式可寫成

R=SR(x，y，t)

G=SG(x，y，t)(1)

B=SB(x，y，t)

當(dāng)RGB為模擬信號(hào)時(shí)，我們稱它為模擬視頻。如果對(duì)RGB進(jìn)行了數(shù)字化，就稱為數(shù)字視頻，這與模擬靜態(tài)圖像和數(shù)字靜態(tài)圖像的概念是基本相似的。但是模擬視頻和數(shù)字視頻要比模擬靜態(tài)圖像和數(shù)字靜態(tài)圖像的關(guān)系與差別復(fù)雜得多。

視頻圖像處理的基本概念

光電圖像處理是光電成像技術(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)的結(jié)合，如圖1所示。由圖看出，光電成像技術(shù)是自然界圖像到數(shù)字世界圖像的橋梁。光電圖像處理是基于光電成像技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的圖像處理，因而其計(jì)算精度高、靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng)。

安防視頻監(jiān)控圖像處理的技術(shù)與方法

視頻圖像處理可以看成靜態(tài)圖像處理的高層處理，又可以看成靜態(tài)圖像處理的繼續(xù)。首先，它要用到靜態(tài)圖像處理的所有技術(shù)，因?yàn)橐曨l圖像是在時(shí)間上系列化的靜態(tài)圖像;其次，它包含了許多靜態(tài)圖像處理沒有的或不能解決的新問題;再次，視頻圖像處理同時(shí)與圖形學(xué)、人工智能、模式識(shí)別等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域都有交叉的內(nèi)容，它們既有聯(lián)系，又有各自的特征和側(cè)重點(diǎn)。由于圖像是由像素構(gòu)成的，所以在很多情況下是對(duì)像素直接處理。這種像素處理的技術(shù)方法又可分為點(diǎn)處理和區(qū)域處理的技術(shù)方法，此外還有圖像的幀處理。下面分別論述。

視頻圖像的點(diǎn)處理的技術(shù)與方法

點(diǎn)處理又叫做直接對(duì)原像素值進(jìn)行處理，是一種最基本的圖像處理操作，算法比其他算法簡(jiǎn)單。點(diǎn)處理算法是指僅根據(jù)圖像中像素的原值(有時(shí)還要考慮該像素在圖像中的位置)按一定規(guī)則(或變換)來確定其新值的一種算法。也就是說，單個(gè)像素的新值僅僅依賴于該像素原值的大小。由于像素原值與新值之間算法上的這種聯(lián)系，點(diǎn)處理算法一般是可逆的，并采取逐點(diǎn)掃描圖像像素的方式來完成各像素的變換處理。

由于點(diǎn)處理變換是一種僅僅依賴于像素原值的變換，所以這種變換過程可借助于查找表(LUT)來快速實(shí)現(xiàn)。如果點(diǎn)處理算法中還要考慮像素的位置，則除了查找表外，還要用到計(jì)算公式。一般，點(diǎn)處理算法并不改變一幅圖像中各像素之間的空間關(guān)系，因而點(diǎn)處理算法不能用于修飾圖像中所包含的細(xì)節(jié)。

點(diǎn)處理僅是用輸入像素值產(chǎn)生輸出像素值，它是圖像處理最簡(jiǎn)單最有效的方法。

點(diǎn)處理的應(yīng)用包括圖像灰度變換、色度變換、直方圖分析等。下面討論點(diǎn)處理方法實(shí)現(xiàn)的圖像亮度調(diào)整、圖像亮度反置、圖像閾值化、圖像對(duì)比度拉伸、圖像偽彩色處理等圖像處理算法。

圖像亮度調(diào)整

這是一種點(diǎn)處理，處理時(shí)對(duì)圖像中每個(gè)像素加上(或減去)一個(gè)常數(shù)。設(shè)像素亮度為I，則變化按下式進(jìn)行

I=I+b(2)

式中，b是亮度常數(shù)，可為正數(shù)或負(fù)數(shù)。若b為正數(shù)，則像素亮度增加;若b為負(fù)數(shù)，則像素亮度減少。

圖像亮度反置

圖像亮度反置同根據(jù)照片制作負(fù)片有點(diǎn)相似，是一種很簡(jiǎn)單的點(diǎn)處理技術(shù)。用這種方法對(duì)圖像進(jìn)行處理后，圖像亮的部分變暗，暗的部分變亮，較亮的部分變成較暗，較暗的部分變成較亮。其處理方法是：用可能的最大像素值減去像素的值作為該像素的新值。圖像中最暗的部分，其像素值為0，處理后變成最亮的部分，其像素值為63。反之，圖像中最亮的部分經(jīng)變換后反置成最暗的部分。

圖像閾值化

這是一種將連續(xù)色調(diào)圖像變成黑白圖像的方法，其基本思想是使像素值小于指定閾值的像轉(zhuǎn)換成黑像素，像素值等于或大于指定閾值的像素轉(zhuǎn)換成白像素。這一方法在諸如桌面印刷、機(jī)器視覺等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

在機(jī)器視覺領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)之前，一般先對(duì)其進(jìn)行二值化處理。在這種情況下，閾值處理能夠消除圖像中那些可能會(huì)干擾邊界檢測(cè)處理的信息。正確地選擇閾值以保證在閾值處理中不至于損失太多的信息，這一點(diǎn)是很重要的。