一種視頻增強(qiáng)的新方法

一、概述

　　在艦、船、飛機(jī)等上，觀瞄系統(tǒng)對(duì)感知其周圍的態(tài)勢(shì)有著非常重要的作用，觀瞄系統(tǒng)一般由CCD攝像機(jī)和紅外成像系統(tǒng)組成。霧、水氣、雨雪等惡劣海洋氣象環(huán)境會(huì)嚴(yán)重影響CCD和紅外成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量，主要表現(xiàn)在圖像對(duì)比度下降，遠(yuǎn)處目標(biāo)模糊不清，難以分辨。從而影響對(duì)周圍態(tài)勢(shì)的感知能力。

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

　　從這個(gè)對(duì)比的效果圖片中，我們很明顯感受到，通過(guò)對(duì)視頻的增透處理，使圖像的對(duì)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)，從而提高了觀瞄系統(tǒng)的觀察距離，提高了系統(tǒng)對(duì)周圍態(tài)勢(shì)的感知能力。因此，視頻增透技術(shù)在艦船飛機(jī)等觀瞄系統(tǒng)上具有很好的應(yīng)用前景。而這種視頻增透技術(shù)應(yīng)用，由于算法和硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)的限制，在我國(guó)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，而觀瞄系統(tǒng)需要有能力對(duì)遠(yuǎn)距離的、微小的、高速移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行及時(shí)的觀察。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，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(shè)備，對(duì)提升觀瞄系統(tǒng)的觀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(dǎo)致朦朧不清的圖像變得清晰，強(qiáng)調(diào)圖像當(dāng)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(qiáng)后的圖像為圖像的下一步應(yīng)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(duì)不同圖像的適應(yīng)性還存在一些缺陷。在上個(gè)世紀(jì)70年代，美國(guó)物理學(xué)家Land等提出了Retinex圖像增強(qiáng)方法，它是基于人類視覺(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(xì)節(jié)。但算法復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)難度大，尤其是對(duì)實(shí)時(shí)視頻的實(shí)時(shí)增強(qiáng)，因?yàn)橛?jì)算量大，導(dǎo)致很難實(shí)際應(yīng)用。隨著硬件性能的提高，我們終于能把這個(gè)具有普遍適應(yīng)性的圖像增強(qiáng)算法變成實(shí)際的工程化產(chǎn)品。這是業(yè)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)的Retinex算法的硬件產(chǎn)品。

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

圖1 霧天天氣增強(qiáng)對(duì)比1

圖2 霧天天氣增強(qiáng)對(duì)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(duì)比圖片，我們可以明顯看到增強(qiáng)后的圖像更加清晰，原先很難看到的細(xì)節(jié)變得很清楚，而且該算法對(duì)不同的氣象環(huán)境具有非常好的普適性。

　　Retinex算法是基于人類視覺(jué)系統(tǒng)感知和調(diào)節(jié)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(duì)顏色的波長(zhǎng)與亮度不是特別對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象。Land通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明我提的表面顏色不會(huì)因?yàn)楣庹諚l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(yīng)當(dāng)去除光照強(qiáng)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(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍，物體反射屬性決定了圖像的內(nèi)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(qiáng)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(xiàn)在多部分的視頻增強(qiáng)器只是采用基于全局的Retinex圖像增強(qiáng)算法通過(guò)在對(duì)數(shù)域內(nèi)計(jì)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(duì)明暗關(guān)系，繼而通過(guò)該明暗關(guān)系對(duì)原像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行校正，最后再對(duì)校正后的像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行線性拉伸，得到增強(qiáng)的圖像。所以得到的增強(qiáng)圖像對(duì)比度不高。而CASEVision VE9901視頻增強(qiáng)器采用先進(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。 它基于DSP的嵌入式硬件結(jié)構(gòu)，具有尺寸小、功耗低、高性能的優(yōu)點(diǎn)。 且實(shí)時(shí)對(duì)圖像處理，自動(dòng)適應(yīng)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(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。