视频图像处理技术应用探析_图像处理技术在视频监视中的应用

摘 要

随着科技的发展和时代的不断进步，视频和图像数据处理技术逐渐成熟起来，对人们的生活和工作起着重要的作用。视频和图像是现代生活中必备的元素，被广泛的运用在各个领域，在电影电视、视频监控、医学检查等方面具有至关重要的作用。但视频和图像处理技术属于先进的科技领域，其中涵盖了较为先进的技术和理论的应用，再加上高新设备的使用等，给图像和视频处理带来了一定的困难。所以要想提高处理技术的水平和质量就需要加大对该技术的研究和探讨。文章主要针对视频和图像处理技术的应用和发展问题进行研究和探讨，并根据存在的问题提出合理化的建议。

随着经济的发展和人们生活水平的提高，视频和图像处理技术在生活中应用的范围越来越广，所以人们对新形势下图像和视频处理技术的应用和发展问题较为关注。数字视频和数字图像比传统的图像和视频分辨率要高，处理方便，易于操作和整理。但在应用视频图像处理技术时由于操作技术问题或者客观因素等都会给视频图像处理技术的应用带来一些负面影响，降低了处理技术的水平和质量。所以需要加大研究力度，提高处理技术水平。

视频图像处理技术的发展

视频图像处理过程中会涉及到对视频图像数据的获取、传输、整理、显示和回放等过程，其中这些过程共同形成了一个系统的整体周期，可以连续性的运作。在视频图像处理技术范围内最主要的就是包括了视频图像的处理技术和图像的压缩技术等。

1.1 图像压缩技术

图像压缩技术是视频图像处理技术中最为重要的一个环节，需要高度重视，首先要明确图像处理依靠的是图像处理算法和处理的效果。图像处理方式决定了图像处理技术的质量和水平，在一定程度上影响了整体的运行效率。目前在图像处理技术的应用中主要采用的是JPEG、M-JPEG、MPEG4和H.264等技术类型，在这几种类型中都包括了自身的性能和优势，所以需要根据处理器的性能和系统的性能指标来确定选择何种技术方式。

1）JPEG，该方式不适应于网络运输过程，因为是在DCT基础上建立的，所以该压缩算法当压缩比例在20：1的情况时图像的质量最佳，超出了范围将导致质量下降。在静态的图像处理上应用较广，对流媒体的处理很少参与。

2）M-JPEG，该技术可以将连续运动的图像转变为静止图像使用，可以很好的采用各种分辨率和速率的图像，应用范围较广，但由于数据量较大，所以在处理上存在一定的局限性。在PC视频监控方面应用的较广。

3）MPEG4，该方式虽然不是一种具体的计算方式，但可以通过对象编码和对不同数据编码的识别来组成需要的音视频，属于一种统一的数据格式，可是实现视觉要求和比特率较低的场合的运用，节省了储存的空间，但图像较容易失真，但应用范围较广，其中在高清的数字电视、数字广播电视、交互式的存储媒体和有线电视领域具有广泛的应用。

4）H.264，该技术可以很好的实现IP报的编码处理，通常来说由网络层和视频编码层来构成，在网络处理方面适应性较强，可以实现高质量图像的压缩等。

1.2 视频图像处理技术

虽然现在的视频图像处理技术已经有了很大的改善和发展，但在后期的处理技术中对获得质量较差的图像难以改变其质量。在很多情况下，视频的获取设备（摄像机、照相机、摄像头等）分辨率较低，采集的图像并不清晰，所以在处理上就很难弥补这一缺陷。现在索尼公司生产的HDR-SRl2E/SRllE摄像机，其中包括了CMOS影像传感器在的应用，能够在排列传统像素基础上选装45度，可以得到质量较好的图像。而松下公司生产的HDC-HS9GK摄像机中采用了三个独立式的CCD传感器，能够很好的处理射光中的不同色彩，其中包括了红、绿、蓝等颜色的成分。

1.3 数字图像宽度动态的算法

数字图像处理中宽动态范围是一个基本特征，在图像和视觉恢复中占据了重要的位置，关系着最终图像质量的压缩效率和压缩质量。其动态的范围主要受保护信号量和平均噪声比值来决定的，其中动态范围可以从光能的角度来定义。

式中：α-数字图像的动态范围；Imax-传感器线性检测到的入射光强的最大值；Imin-传感器线性检测到的入射光强的最小值；Emax-图像传感像素上的光照度最大值；Enin-图像传感像素上的光照度最小值。

数字的信号处理会受到曝光量中曝光效果、光照度和强度的影响和作用。动态范围跟图案的深度息息相关，如果图像动态范围宽，则在图像处理时亮度变化较为明显，但如果动态范围较窄，在亮度转化时，亮暗程度的变化并不明显。目前图像的宽动态范围在视频监控、医疗影像等领域应用较为广泛。

1.4 物理方法

采用半导体部件来提高CCD/CMOS图像的传感器的感光度，可以在电流的饱和度增加和较小背景噪音中发挥作用；同时还可以在视频传感器的基础上进行改进和创新，例如在系统中设置一个液晶的控制单元，实现系统光的自动反馈和处理。

数字图像处理技术的应用和发展

1）视频图像处理技术在体育运动项目中具有很高的作用，例如在奥运会的自由泳项目中采用视频图形处理技术，利用摄像设备将运动员的游泳动作录制下来，从各个角度来分析运动员的动作和姿态，看是否犯规等。并用图形和视频处理软件来分析出运动员创造成绩的好坏等。

2）视频图像处理技术在视频监控中具有很好的效果，例如在交通视频、银行视频、仓库视频监控中发挥着重要作用，一旦出现事故等，监管人员可以利用监控的图像进行分析和处理，得到想要的数据。

3）在航空航天设备上安装图形视频收录设备，时刻把握航空设备的动态情况，利用图像和视频处理软件来分析收录设备的获得的信息，然后经过分析和整理，得到需要探查的气象、地理环境、资源等要素。

视频图像是现代生活中必备的元素，被广泛的运用在各个领域，在电影电视、视频监控、医学检查等方面具有至关在重要的作用。但视频和图像处理技术属于先进的技术领域，其中涵盖了较为先进的技术和理论应用，再加上设备的使用等，给图像和视频处理带来了一定的困难。所以要想提高处理技术的水平和质量就需要加大对该技术的研究。

图像处理技术在视频监视中的应用

1．视频跟踪技术

自动视频跟踪是通过图像处理算法，实时计算出选定的目标（如人、车辆等）在图像中的精确位置，并控制状态转动，从而保持目标始终处在视频窗口中的一个指定位置。电子稳像演示视频一.mpg

系统框图如下：

1：监视器，用于监视跟踪视频

2：手柄，用于摄像机转台控制和跟踪操作

3：自动视频跟踪模块

4：转台

跟踪演示视频：跟踪.mpg

正因为使用自动跟踪技术能够自动控制转台运动，从而保持选定的目标始终处于屏幕（或图像）中特定的位置（这个位置可以是图像中心，也可以是屏幕的其它位置）。因而，给我们带来如下意义：

（1） 减轻人工负担。可以自动对运动目标进行连续的观察监视。

（2） 目标指示。由于自动跟踪维持目标始终处于屏幕的指定位置，因此：

a） 当我们知道转台的方位角和俯仰角时，就可以获得目标的方位角和俯仰角等位置信息。

b） 我们可以用处于不同位置的两套跟踪设备对同一目标进行跟踪，构成立体视觉系统，可以获得目标的距离、高度、方位角、俯仰角等信息。

c） 如果我们把激光器与摄像机固定安放在在同一平台上的时候，那么通过自动跟踪技术就可以维持目标始终处于激光光斑位置，也即保持激光能够始终打在运动目标上，这样就可以实现激光制导、测距等功能。

由此可见，自动跟踪技术在视频监视领域具有很重要的意义，可应用于下面一些领域：

（1）机载光电观瞄系统

（2）车载光电跟踪系统

（3） 舰船光电跟踪系统

（4） 火箭发射、飞机起降、实时炮弹自动视频跟踪系统

（5） 监视，如边防监视跟踪系统

（6） 炸弹等武器系统目标指示

（7） 武器系统评估

（8） 模拟器系统

（9） 轨迹分析

（10）图像匹配

（11）跟踪系统自动校准

（12）激光系统对齐

（13）目标空间测量

（14）生物分析

2．视频拼接技术

视频拼接是通过图像处理算法，对一组视频画面进行矫正配准无缝拼接成一个更大视场的视频画面。这一组视频，可能是来自由多个小视场摄像机组成的对一个大视场的完整监视，这称为多镜头视频拼接；也可能是来自单个摄像机，这个摄像机通过转动实现对一个大视场的扫描监视，这称为单镜头视频拼接。

多镜头拼接示意图：

 

图2 多镜头拼接示意图

1：监视器

2：多镜头视频拼接设备

3：转动摄像机

单镜头拼接示意图：

 

图3 单镜头拼接

1：监视器

2：单镜头视频拼接设备

3：转动摄像机

多镜头拼接演示视频：多镜头视频拼接.mp4，多镜头视频拼接二.mpg

单镜头拼接演示视频：单镜头视频拼接.mpg

视频拼接技术将多个较小视场的画面拼接成更大的视场的画面，使得我们看得更广。它给我们带来如下好处：

（1） 增强对监视区域或周围态势的视觉感知能力。超宽监视视角，360度的全景视频尽收眼底，全局感、方位感大为增强，并消灭了监视死角。

（2） 虚拟PTZ技术。采用虚拟PTZ技术，可以放大或放大监视视场内的图像区域，当改变方向观察另一个图像区域时，不会发出任何噪音，隐秘且不易察觉。由于没有机械移动部件，不需要时刻进行机械转动，无磨损，结实耐用，寿命长。与机械PTZ不同，虚拟PTZ可以同时观察多个不同的区域。

（3） 相对于由鱼眼镜头实现的全景视频，通过拼接技术构建的全景视频，克服了鱼眼镜头只能看近距离（一般用于室内）的缺陷，可以看得更远更清楚，且没有像素限制，更不会存在中间与边缘分辨率差距巨大的问题。

视频拼接可应用于：

（1）军事上，飞机、装甲车、舰船等周围态势的视觉感知。

（2）公安领域，警车、巡逻车、反恐、押运等特种车辆。

（3）边海防视频监视

（4）广场、运动场等大范围公共场所监视

（5）交通枢纽、港口码头、停车场、银行、加油站等视频监视。

3．视频增强技术

在恶劣气象条件下，如雾霾、雨雪、光线昏暗、烟、水气、沙尘等，摄像机产生的视频图像质量会严重下降，图像模糊不清，视频增强技术是通过图像处理算法，对这类劣质视频图像进行有效处理，从而显著改善视觉效果，提高画面清晰度，提高摄像机的探测能力。

 

图4 视频增强示意图

图5 雪天视频增强效果图

图6 雾天视频增强效果图

图7 雾霾天视频增强效果图

图8 沙尘暴视频增强效果图

增强演示视频：增强演示视频一.mpg，增强演示视频二.mpg，增强演示视频三.mpg，增强演示视频四.mpg

视频增强可应用于：

（1）飞机、舰船、车辆等的光电系统

（2）边海防、交通等安防监视

（3）视频后期处理

4．电子稳像技术

在很多视频监视场合，往往存在机械震动，如摄像机安装在飞机、车、船、空调、PTZ云台、加热通风设备等上，还有室外刮风、车辆行驶等都会造成摄像机晃动，尤其是在高倍镜头监视情况下，抖动就更为严重。通过图像处理算法，可以有效地去除这些抖动，使得视频图像更易于观察监视。

 

图10 电子稳像示意图

电子稳像演示视频：电子稳像演示视频一.mpg ，电子稳像演示视频二.avi ，电子稳像演示视频三.mpg ，电子稳像演示视频四.wmv。

电子稳像技术的应用可以消除视频的抖动，而抖动的危害有：

（1）抖动的视频无法让人看清细节，从而影响视频监视的质量。

（2） 抖动的视频是非常令人生厌的，并极易引起视觉疲劳。

（3）抖动的视频对后端的压缩非常不利，并会导致压缩码流急剧上升，不利于存储和网络传输。

（4）抖动的视频，不利于后端视频分析设备的处理。

电子稳像的应用：

（1）飞机、车辆、舰船等交通工具上的视频监视。

（2）边海防监视，尤其是多风的海边。

（3）道路交通监视：道路、桥梁、隧道。

（4）有如空调、风机等大型机器震动场合的监视，如厂、矿。

（5）视频后期处理。

5．视频融合技术

视频融合技术是将不同类型的光电成像传感器获取的同一景物图像进行几何配准，然后采用一定的算法将各图像中所含信息优势或互补性有机结合起来，产生新的图像，提高了光电系统的识别探测能力。

如图11为热像仪夜间图像，由于热像成像机制是对热的反应，而对可见光并没有反应，因此看不到村庄的灯光，将这个热像图像，与可见光传感器如CCD的图像融合到一起，就可以获得融合后的图像如图12和图13所示，显然，融合后的图像信息大为丰富。

 

图11 热像仪的夜间图像

图12 CCD与热像仪的图像融合后的图像

图13 CCD与热像仪的图像融合后的图像
 

可见，由于增加了图像的信息量，因此，视频融合技术可以带来如下好处：

（1）改善图像的可视性和可信度，减少图像信息的模糊不确定性。

（2）提高系统的作用范围和全天候的工作能力。

视频融合技术的应用：

（1）机载、车辆、舰船上的光电探测。

（2）边海防视频监视。

（3）重点场所的视频监视。

6．超分辨率技术

超分辨率技术在视频中的应用，一般是利用多帧视频图像，进行配准插值和图像放大，以获得更为精细的超高分辨率图像，以增加探测距离。

 

图13 超分辨率重构示例图

超分辨率演示视频：超分辨率演示视频一.mpg

超分辨率技术的应用：

（1） 机载、车辆、舰船上的光电探测。

（2）边海防视频监视系统。

（3） 公安侦查鉴定。

（4）银行、证券等部门的安全监控系统中

（5） 医学成像系统。