視頻圖像處理技術(shù)應(yīng)用探析_圖像處理技術(shù)在視頻監(jiān)視中的應(yīng)用 - 全文

摘 要

隨著科技的發(fā)展和時(shí)代的不斷進(jìn)步，視頻和圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)逐漸成熟起來，對(duì)人們的生活和工作起著重要的作用。視頻和圖像是現(xiàn)代生活中必備的元素，被廣泛的運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域，在電影電視、視頻監(jiān)控、醫(yī)學(xué)檢查等方面具有至關(guān)重要的作用。但視頻和圖像處理技術(shù)屬于先進(jìn)的科技領(lǐng)域，其中涵蓋了較為先進(jìn)的技術(shù)和理論的應(yīng)用，再加上高新設(shè)備的使用等，給圖像和視頻處理帶來了一定的困難。所以要想提高處理技術(shù)的水平和質(zhì)量就需要加大對(duì)該技術(shù)的研究和探討。文章主要針對(duì)視頻和圖像處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展問題進(jìn)行研究和探討，并根據(jù)存在的問題提出合理化的建議。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，視頻和圖像處理技術(shù)在生活中應(yīng)用的范圍越來越廣，所以人們對(duì)新形勢(shì)下圖像和視頻處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展問題較為關(guān)注。數(shù)字視頻和數(shù)字圖像比傳統(tǒng)的圖像和視頻分辨率要高，處理方便，易于操作和整理。但在應(yīng)用視頻圖像處理技術(shù)時(shí)由于操作技術(shù)問題或者客觀因素等都會(huì)給視頻圖像處理技術(shù)的應(yīng)用帶來一些負(fù)面影響，降低了處理技術(shù)的水平和質(zhì)量。所以需要加大研究力度，提高處理技術(shù)水平。

視頻圖像處理技術(shù)的發(fā)展

視頻圖像處理過程中會(huì)涉及到對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、整理、顯示和回放等過程，其中這些過程共同形成了一個(gè)系統(tǒng)的整體周期，可以連續(xù)性的運(yùn)作。在視頻圖像處理技術(shù)范圍內(nèi)最主要的就是包括了視頻圖像的處理技術(shù)和圖像的壓縮技術(shù)等。

1.1 圖像壓縮技術(shù)

圖像壓縮技術(shù)是視頻圖像處理技術(shù)中最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，需要高度重視，首先要明確圖像處理依靠的是圖像處理算法和處理的效果。圖像處理方式?jīng)Q定了圖像處理技術(shù)的質(zhì)量和水平，在一定程度上影響了整體的運(yùn)行效率。目前在圖像處理技術(shù)的應(yīng)用中主要采用的是JPEG、M-JPEG、MPEG4和H.264等技術(shù)類型，在這幾種類型中都包括了自身的性能和優(yōu)勢(shì)，所以需要根據(jù)處理器的性能和系統(tǒng)的性能指標(biāo)來確定選擇何種技術(shù)方式。

1）JPEG，該方式不適應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸過程，因?yàn)槭窃?a target="_blank">DCT基礎(chǔ)上建立的，所以該壓縮算法當(dāng)壓縮比例在20：1的情況時(shí)圖像的質(zhì)量最佳，超出了范圍將導(dǎo)致質(zhì)量下降。在靜態(tài)的圖像處理上應(yīng)用較廣，對(duì)流媒體的處理很少參與。

2）M-JPEG，該技術(shù)可以將連續(xù)運(yùn)動(dòng)的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止圖像使用，可以很好的采用各種分辨率和速率的圖像，應(yīng)用范圍較廣，但由于數(shù)據(jù)量較大，所以在處理上存在一定的局限性。在PC視頻監(jiān)控方面應(yīng)用的較廣。

3）MPEG4，該方式雖然不是一種具體的計(jì)算方式，但可以通過對(duì)象編碼和對(duì)不同數(shù)據(jù)編碼的識(shí)別來組成需要的音視頻，屬于一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，可是實(shí)現(xiàn)視覺要求和比特率較低的場(chǎng)合的運(yùn)用，節(jié)省了儲(chǔ)存的空間，但圖像較容易失真，但應(yīng)用范圍較廣，其中在高清的數(shù)字電視、數(shù)字廣播電視、交互式的存儲(chǔ)媒體和有線電視領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

4）H.264，該技術(shù)可以很好的實(shí)現(xiàn)IP報(bào)的編碼處理，通常來說由網(wǎng)絡(luò)層和視頻編碼層來構(gòu)成，在網(wǎng)絡(luò)處理方面適應(yīng)性較強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量圖像的壓縮等。

1.2 視頻圖像處理技術(shù)

雖然現(xiàn)在的視頻圖像處理技術(shù)已經(jīng)有了很大的改善和發(fā)展，但在后期的處理技術(shù)中對(duì)獲得質(zhì)量較差的圖像難以改變其質(zhì)量。在很多情況下，視頻的獲取設(shè)備（攝像機(jī)、照相機(jī)、攝像頭等）分辨率較低，采集的圖像并不清晰，所以在處理上就很難彌補(bǔ)這一缺陷?，F(xiàn)在索尼公司生產(chǎn)的HDR-SRl2E/SRllE攝像機(jī)，其中包括了CMOS影像傳感器在的應(yīng)用，能夠在排列傳統(tǒng)像素基礎(chǔ)上選裝45度，可以得到質(zhì)量較好的圖像。而松下公司生產(chǎn)的HDC-HS9GK攝像機(jī)中采用了三個(gè)獨(dú)立式的CCD傳感器，能夠很好的處理射光中的不同色彩，其中包括了紅、綠、藍(lán)等顏色的成分。

1.3 數(shù)字圖像寬度動(dòng)態(tài)的算法

數(shù)字圖像處理中寬動(dòng)態(tài)范圍是一個(gè)基本特征，在圖像和視覺恢復(fù)中占據(jù)了重要的位置，關(guān)系著最終圖像質(zhì)量的壓縮效率和壓縮質(zhì)量。其動(dòng)態(tài)的范圍主要受保護(hù)信號(hào)量和平均噪聲比值來決定的，其中動(dòng)態(tài)范圍可以從光能的角度來定義。

式中：α-數(shù)字圖像的動(dòng)態(tài)范圍；Imax-傳感器線性檢測(cè)到的入射光強(qiáng)的最大值；Imin-傳感器線性檢測(cè)到的入射光強(qiáng)的最小值；Emax-圖像傳感像素上的光照度最大值；Enin-圖像傳感像素上的光照度最小值。

數(shù)字的信號(hào)處理會(huì)受到曝光量中曝光效果、光照度和強(qiáng)度的影響和作用。動(dòng)態(tài)范圍跟圖案的深度息息相關(guān)，如果圖像動(dòng)態(tài)范圍寬，則在圖像處理時(shí)亮度變化較為明顯，但如果動(dòng)態(tài)范圍較窄，在亮度轉(zhuǎn)化時(shí)，亮暗程度的變化并不明顯。目前圖像的寬動(dòng)態(tài)范圍在視頻監(jiān)控、醫(yī)療影像等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

1.4 物理方法

采用半導(dǎo)體部件來提高CCD/CMOS圖像的傳感器的感光度，可以在電流的飽和度增加和較小背景噪音中發(fā)揮作用；同時(shí)還可以在視頻傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，例如在系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)液晶的控制單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)光的自動(dòng)反饋和處理。

數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

1）視頻圖像處理技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中具有很高的作用，例如在奧運(yùn)會(huì)的自由泳項(xiàng)目中采用視頻圖形處理技術(shù)，利用攝像設(shè)備將運(yùn)動(dòng)員的游泳動(dòng)作錄制下來，從各個(gè)角度來分析運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作和姿態(tài)，看是否犯規(guī)等。并用圖形和視頻處理軟件來分析出運(yùn)動(dòng)員創(chuàng)造成績(jī)的好壞等。

2）視頻圖像處理技術(shù)在視頻監(jiān)控中具有很好的效果，例如在交通視頻、銀行視頻、倉庫視頻監(jiān)控中發(fā)揮著重要作用，一旦出現(xiàn)事故等，監(jiān)管人員可以利用監(jiān)控的圖像進(jìn)行分析和處理，得到想要的數(shù)據(jù)。

3）在航空航天設(shè)備上安裝圖形視頻收錄設(shè)備，時(shí)刻把握航空設(shè)備的動(dòng)態(tài)情況，利用圖像和視頻處理軟件來分析收錄設(shè)備的獲得的信息，然后經(jīng)過分析和整理，得到需要探查的氣象、地理環(huán)境、資源等要素。

視頻圖像是現(xiàn)代生活中必備的元素，被廣泛的運(yùn)用在各個(gè)領(lǐng)域，在電影電視、視頻監(jiān)控、醫(yī)學(xué)檢查等方面具有至關(guān)在重要的作用。但視頻和圖像處理技術(shù)屬于先進(jìn)的技術(shù)領(lǐng)域，其中涵蓋了較為先進(jìn)的技術(shù)和理論應(yīng)用，再加上設(shè)備的使用等，給圖像和視頻處理帶來了一定的困難。所以要想提高處理技術(shù)的水平和質(zhì)量就需要加大對(duì)該技術(shù)的研究。

圖像處理技術(shù)在視頻監(jiān)視中的應(yīng)用

1．視頻跟蹤技術(shù)

自動(dòng)視頻跟蹤是通過圖像處理算法，實(shí)時(shí)計(jì)算出選定的目標(biāo)（如人、車輛等）在圖像中的精確位置，并控制狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而保持目標(biāo)始終處在視頻窗口中的一個(gè)指定位置。電子穩(wěn)像演示視頻一.mpg

系統(tǒng)框圖如下：

1：監(jiān)視器，用于監(jiān)視跟蹤視頻

2：手柄，用于攝像機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)控制和跟蹤操作

3：自動(dòng)視頻跟蹤模塊

4：轉(zhuǎn)臺(tái)

跟蹤演示視頻：跟蹤.mpg

正因?yàn)槭褂米詣?dòng)跟蹤技術(shù)能夠自動(dòng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，從而保持選定的目標(biāo)始終處于屏幕（或圖像）中特定的位置（這個(gè)位置可以是圖像中心，也可以是屏幕的其它位置）。因而，給我們帶來如下意義：

（1） 減輕人工負(fù)擔(dān)?？梢宰詣?dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)的觀察監(jiān)視。

（2） 目標(biāo)指示。由于自動(dòng)跟蹤維持目標(biāo)始終處于屏幕的指定位置，因此：

a） 當(dāng)我們知道轉(zhuǎn)臺(tái)的方位角和俯仰角時(shí)，就可以獲得目標(biāo)的方位角和俯仰角等位置信息。

b） 我們可以用處于不同位置的兩套跟蹤設(shè)備對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，構(gòu)成立體視覺系統(tǒng)，可以獲得目標(biāo)的距離、高度、方位角、俯仰角等信息。

c） 如果我們把激光器與攝像機(jī)固定安放在在同一平臺(tái)上的時(shí)候，那么通過自動(dòng)跟蹤技術(shù)就可以維持目標(biāo)始終處于激光光斑位置，也即保持激光能夠始終打在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)激光制導(dǎo)、測(cè)距等功能。

由此可見，自動(dòng)跟蹤技術(shù)在視頻監(jiān)視領(lǐng)域具有很重要的意義，可應(yīng)用于下面一些領(lǐng)域：

（1）機(jī)載光電觀瞄系統(tǒng)

（2）車載光電跟蹤系統(tǒng)

（3） 艦船光電跟蹤系統(tǒng)

（4） 火箭發(fā)射、飛機(jī)起降、實(shí)時(shí)炮彈自動(dòng)視頻跟蹤系統(tǒng)

（5） 監(jiān)視，如邊防監(jiān)視跟蹤系統(tǒng)

（6） 炸彈等武器系統(tǒng)目標(biāo)指示

（7） 武器系統(tǒng)評(píng)估

（8） 模擬器系統(tǒng)

（9） 軌跡分析

（10）圖像匹配

（11）跟蹤系統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)

（12）激光系統(tǒng)對(duì)齊

（13）目標(biāo)空間測(cè)量

（14）生物分析

2．視頻拼接技術(shù)

視頻拼接是通過圖像處理算法，對(duì)一組視頻畫面進(jìn)行矯正配準(zhǔn)無縫拼接成一個(gè)更大視場(chǎng)的視頻畫面。這一組視頻，可能是來自由多個(gè)小視場(chǎng)攝像機(jī)組成的對(duì)一個(gè)大視場(chǎng)的完整監(jiān)視，這稱為多鏡頭視頻拼接；也可能是來自單個(gè)攝像機(jī)，這個(gè)攝像機(jī)通過轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)大視場(chǎng)的掃描監(jiān)視，這稱為單鏡頭視頻拼接。

多鏡頭拼接示意圖：

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圖2 多鏡頭拼接示意圖

1：監(jiān)視器

2：多鏡頭視頻拼接設(shè)備

3：轉(zhuǎn)動(dòng)攝像機(jī)

單鏡頭拼接示意圖：

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圖3 單鏡頭拼接

1：監(jiān)視器

2：?jiǎn)午R頭視頻拼接設(shè)備

3：轉(zhuǎn)動(dòng)攝像機(jī)

多鏡頭拼接演示視頻：多鏡頭視頻拼接.mp4，多鏡頭視頻拼接二.mpg

單鏡頭拼接演示視頻：?jiǎn)午R頭視頻拼接.mpg

視頻拼接技術(shù)將多個(gè)較小視場(chǎng)的畫面拼接成更大的視場(chǎng)的畫面，使得我們看得更廣。它給我們帶來如下好處：

（1） 增強(qiáng)對(duì)監(jiān)視區(qū)域或周圍態(tài)勢(shì)的視覺感知能力。超寬監(jiān)視視角，360度的全景視頻盡收眼底，全局感、方位感大為增強(qiáng)，并消滅了監(jiān)視死角。

（2） 虛擬PTZ技術(shù)。采用虛擬PTZ技術(shù)，可以放大或放大監(jiān)視視場(chǎng)內(nèi)的圖像區(qū)域，當(dāng)改變方向觀察另一個(gè)圖像區(qū)域時(shí)，不會(huì)發(fā)出任何噪音，隱秘且不易察覺。由于沒有機(jī)械移動(dòng)部件，不需要時(shí)刻進(jìn)行機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，無磨損，結(jié)實(shí)耐用，壽命長(zhǎng)。與機(jī)械PTZ不同，虛擬PTZ可以同時(shí)觀察多個(gè)不同的區(qū)域。

（3） 相對(duì)于由魚眼鏡頭實(shí)現(xiàn)的全景視頻，通過拼接技術(shù)構(gòu)建的全景視頻，克服了魚眼鏡頭只能看近距離（一般用于室內(nèi)）的缺陷，可以看得更遠(yuǎn)更清楚，且沒有像素限制，更不會(huì)存在中間與邊緣分辨率差距巨大的問題。

視頻拼接可應(yīng)用于：

（1）軍事上，飛機(jī)、裝甲車、艦船等周圍態(tài)勢(shì)的視覺感知。

（2）公安領(lǐng)域，警車、巡邏車、反恐、押運(yùn)等特種車輛。

（3）邊海防視頻監(jiān)視

（4）廣場(chǎng)、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等大范圍公共場(chǎng)所監(jiān)視

（5）交通樞紐、港口碼頭、停車場(chǎng)、銀行、加油站等視頻監(jiān)視。

3．視頻增強(qiáng)技術(shù)

在惡劣氣象條件下，如霧霾、雨雪、光線昏暗、煙、水氣、沙塵等，攝像機(jī)產(chǎn)生的視頻圖像質(zhì)量會(huì)嚴(yán)重下降，圖像模糊不清，視頻增強(qiáng)技術(shù)是通過圖像處理算法，對(duì)這類劣質(zhì)視頻圖像進(jìn)行有效處理，從而顯著改善視覺效果，提高畫面清晰度，提高攝像機(jī)的探測(cè)能力。

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圖4 視頻增強(qiáng)示意圖

圖5 雪天視頻增強(qiáng)效果圖

圖6 霧天視頻增強(qiáng)效果圖

圖7 霧霾天視頻增強(qiáng)效果圖

圖8 沙塵暴視頻增強(qiáng)效果圖

增強(qiáng)演示視頻：增強(qiáng)演示視頻一.mpg，增強(qiáng)演示視頻二.mpg，增強(qiáng)演示視頻三.mpg，增強(qiáng)演示視頻四.mpg

視頻增強(qiáng)可應(yīng)用于：

（1）飛機(jī)、艦船、車輛等的光電系統(tǒng)

（2）邊海防、交通等安防監(jiān)視

（3）視頻后期處理

4．電子穩(wěn)像技術(shù)

在很多視頻監(jiān)視場(chǎng)合，往往存在機(jī)械震動(dòng)，如攝像機(jī)安裝在飛機(jī)、車、船、空調(diào)、PTZ云臺(tái)、加熱通風(fēng)設(shè)備等上，還有室外刮風(fēng)、車輛行駛等都會(huì)造成攝像機(jī)晃動(dòng)，尤其是在高倍鏡頭監(jiān)視情況下，抖動(dòng)就更為嚴(yán)重。通過圖像處理算法，可以有效地去除這些抖動(dòng)，使得視頻圖像更易于觀察監(jiān)視。

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圖10 電子穩(wěn)像示意圖

電子穩(wěn)像演示視頻：電子穩(wěn)像演示視頻一.mpg ，電子穩(wěn)像演示視頻二.avi?，電子穩(wěn)像演示視頻三.mpg?，電子穩(wěn)像演示視頻四.wmv。

電子穩(wěn)像技術(shù)的應(yīng)用可以消除視頻的抖動(dòng)，而抖動(dòng)的危害有：

（1）抖動(dòng)的視頻無法讓人看清細(xì)節(jié)，從而影響視頻監(jiān)視的質(zhì)量。

（2） 抖動(dòng)的視頻是非常令人生厭的，并極易引起視覺疲勞。

（3）抖動(dòng)的視頻對(duì)后端的壓縮非常不利，并會(huì)導(dǎo)致壓縮碼流急劇上升，不利于存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)傳輸。

（4）抖動(dòng)的視頻，不利于后端視頻分析設(shè)備的處理。

電子穩(wěn)像的應(yīng)用：

（1）飛機(jī)、車輛、艦船等交通工具上的視頻監(jiān)視。

（2）邊海防監(jiān)視，尤其是多風(fēng)的海邊。

（3）道路交通監(jiān)視：道路、橋梁、隧道。

（4）有如空調(diào)、風(fēng)機(jī)等大型機(jī)器震動(dòng)場(chǎng)合的監(jiān)視，如廠、礦。

（5）視頻后期處理。

5．視頻融合技術(shù)

視頻融合技術(shù)是將不同類型的光電成像傳感器獲取的同一景物圖像進(jìn)行幾何配準(zhǔn)，然后采用一定的算法將各圖像中所含信息優(yōu)勢(shì)或互補(bǔ)性有機(jī)結(jié)合起來，產(chǎn)生新的圖像，提高了光電系統(tǒng)的識(shí)別探測(cè)能力。

如圖11為熱像儀夜間圖像，由于熱像成像機(jī)制是對(duì)熱的反應(yīng)，而對(duì)可見光并沒有反應(yīng)，因此看不到村莊的燈光，將這個(gè)熱像圖像，與可見光傳感器如CCD的圖像融合到一起，就可以獲得融合后的圖像如圖12和圖13所示，顯然，融合后的圖像信息大為豐富。

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圖11 熱像儀的夜間圖像

圖12 CCD與熱像儀的圖像融合后的圖像

圖13 CCD與熱像儀的圖像融合后的圖像
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可見，由于增加了圖像的信息量，因此，視頻融合技術(shù)可以帶來如下好處：

（1）改善圖像的可視性和可信度，減少圖像信息的模糊不確定性。

（2）提高系統(tǒng)的作用范圍和全天候的工作能力。

視頻融合技術(shù)的應(yīng)用：

（1）機(jī)載、車輛、艦船上的光電探測(cè)。

（2）邊海防視頻監(jiān)視。

（3）重點(diǎn)場(chǎng)所的視頻監(jiān)視。

6．超分辨率技術(shù)

超分辨率技術(shù)在視頻中的應(yīng)用，一般是利用多幀視頻圖像，進(jìn)行配準(zhǔn)插值和圖像放大，以獲得更為精細(xì)的超高分辨率圖像，以增加探測(cè)距離。

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圖13 超分辨率重構(gòu)示例圖

超分辨率演示視頻：超分辨率演示視頻一.mpg

超分辨率技術(shù)的應(yīng)用：

（1） 機(jī)載、車輛、艦船上的光電探測(cè)。

（2）邊海防視頻監(jiān)視系統(tǒng)。

（3） 公安偵查鑒定。

（4）銀行、證券等部門的安全監(jiān)控系統(tǒng)中

（5） 醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)。