圖像增強技術在監控系統中的應用分析

覃運初，羅富貴

（河池學院 計算機與信息工程學院，廣西 宜州 546300）

0 引言

在監控系統中，圖像以及視頻在形成和傳輸、變換的過程中，通常會受到各種因素的影響，例如系統噪聲、曝光不足以及相對運動等影響，導致獲取的視頻和圖像質量會大打折扣，使得圖像經常模糊不清、有效信息量少，無法達到監控目的.在這種情況下，圖像增強技術逐漸發展起來，在監控系統中的應用也在不斷的擴大.

1 監控系統的現狀

監控系統是一種防范效果較強的系統，也是安全防范系統中的一部分.在目前信息化時代的發展過程中，監控系統無法滿足信息技術以及通信技術的快速發展，無法滿足各個環境的監控需求.因此，人們逐漸研發出適應于各種領域的監控系統，并取得了良好的效果.監控系統中的視頻和圖像是對客觀事物的直接體現，直觀具體的傳遞了實際信息，是人類重要的信息載體.通過科學技術的不斷發展，在監控系統中，不斷引進先進的科學技術，逐漸發展成為數字監控系統，能夠充分應用計算機處理能力對視頻和圖像進行數字化處理.監控系統在各個領域中得到了較廣泛的應用，例如，生活小區的安全監控、銀行系統監控、林業部門安全防火監控、交通監控等.但是在實際應用的過程中，還存在一定的問題，目前監控系統中圖像失真、邊緣模糊、噪聲大以及對比度較差等現象時有發生，因此，需要采取相關措施提高圖像清晰度[1].

2 圖像增強技術處理的現狀

圖像信息是人們獲得各種信息的重要渠道，有85%的信息是通過人眼獲得的，人眼獲得的信息大多數是圖像信息.在當今各個領域中，包括農業、科學研究、軍事、工業、醫學研究以及氣象和天文等方面，人們認識、判斷事物以及解決實際中出現的問題均需要利用圖像信息來完成.在人們生活和工作中，圖像信息是非常重要的.隨之圖像信息增強處理技術得到較好的發展，其中圖像增強處理方法一般分為空域法和變換域法.空域法指的是將圖像看成是平面中各種像素組成的集合，并對二維函數進行處理.變換域法指的是對圖像進行正交變換，例如傅立葉變換，得出變換矩陣之后，對變換后的圖像進行再處理，之后將其變換到空間域，得到處理后的圖像.圖像增強技術主要是通過各種方法和手段來提高圖像的清晰度，并從中獲取有價值的圖像信息.圖像增強技術種類較多，但是大多數圖像增強技術具有針對性，其應用范圍比較窄，沒有統一的、完善的管理和算法.同時，針對不同的圖像，其使用的算法實效性較差.本研究主要是針對圖像對比度差以及噪聲大等問題采取圖像增強技術來解決[2].

3 圖像增強技術在監控系統中的應用

3.1 監控系統圖像對比度增強處理技術的應用

其一，直方圖修正法.直方圖修正法主要包括直方圖均衡化與直方圖規定化兩個方面，其中均衡化主要指的是將原圖的直方圖采取變換函數的方式轉變為均勻的直方圖，并根據均衡的直方圖來對原圖進行處理.換句話而言，就是對圖像中的灰度進行處理，以便擴大對比度.另外，規定化指的是將增強后的圖像根據一定的要求轉變為規定的直方圖，通過視覺系統的作用，確保圖像均勻概率密度分布.圖1中的(a-f)是分別通過均衡化和規定化兩種方式進行處理后的結果.其中原圖的灰度主要集中在100-150范圍內，其圖像的對比度較低，通過處理之后，對比度得到明顯的提高.并且規定化的處理與均衡化相比，前者圖像亮度更高，因此，直方圖修正法比單純的均衡化處理效果好.在監控系統中，采用直方圖修正法來增強圖像的清晰度效果較好[3].

其二，加權平均法的應用.該方法主要是結合直方圖的均衡化和增強通濾波來處理的，在監控視頻播放的階段比較適用.由于均衡化處理圖像存在一定的斑點，需要通過加權平均法對其進行銳化處理，確保原圖的目標特征.通過兩種方法的結合，可以有效的增強圖像清晰度.加權平均法處理圖像的算法如圖2所示.

圖1 直方圖修正法的應用

圖2 圖像增強算法示意圖

其三，小波變換反銳化掩模法的應用.小波變換方法具有分辨率高、時頻局部化等特點，在圖像增強處理中，其應用效果較好.反銳化掩模法是邊緣模糊增強的主要手段和方式.通過將上述兩種方法有機的結合起來，可以制定出小波變換反銳化掩模法.其圖像處理流程主要是將原圖進行小波分解之后，使用增強函數將小波系數帶入公式中進行處理，之后對得出的小波系數進行重構，得出增強效果后的圖像.通過對上述三種方法處理效果進行比較分析，其中處理后的圖像參數越大，其圖像的灰度分布越均勻，表明對比度越好.三種方法處理后的圖像參數如表1所示.從表1中可以看出，雖然直方圖修正法處理后的圖像參數最高，但是其圖像會出現斑點.加權平均法圖像參數相對較小，但是沒有出現斑點情況.小波變換反銳化掩模法處理后的圖像，不僅細節對比度較好，而且沒有出現斑點情況.就通常而言，小波變換對比度增強效果最好.但是在監控系統中，由于圖像具有不同的特征，在實際情況下，還需要針對監控圖像的實際情況采取不同的圖像增強技術來處理[4].

表1 各種對比度增強后的圖像參數比較

3.2 監控系統圖像噪聲大處理技術的應用

其一，幀內濾波法的應用.該方法主要是針對單幀視頻圖像的濾波進行處理，根據其不同的作用，可以分為空域濾波法、小波域濾波法以及頻域濾波法等.其中空域濾波法是在圖像空間中，通過借助模板采取領域操作來實現的，通常分為線性及非線性兩種情況.線性濾波器通常是采取傅立葉變換方式來操作的.而非線性濾波器通常是直接對領域進行操作完成.在空域濾波法中主要構成要素包括高斯濾波器、維納濾波器以及鄰域平均法.其中領域平均法主要作用是消除圖像中的噪聲，是平滑處理中最簡單、最基本的空域方式，其屬于線性濾波方法中的一種.在監控系統中，圖像通常會受到各種噪聲的干擾，例如信道傳輸誤差導致的噪聲干擾、電傳感器的噪聲干擾等，通常導致圖像中存在一些如雪花一樣的像素點，針對這種情況可以采取領域平均法處理.在圖像處理的時候，還需要借助高斯濾波器與維納濾波器來處理.另外，頻域濾波法主要是將圖像通過頻域變換，并對圖像的變換值采取相應的運算處理，之后進行逆變換將其轉變到空間域，從而達到降噪效果.其頻域濾波法的處理流程如圖3所示.在圖像處理的過程中，通常會使用到理想低通濾波器、指數低通濾波器、地形低通濾波器等.

圖3 頻域濾波法圖像增強流程圖

其二，幀間濾波法的應用.與幀內濾波法相比，幀間濾波法綜合考慮到了圖像幀與幀之間的聯系，在圖像增強效果處理的時候，其效果更好.在該方法中通常需要使用自適應遞歸濾波器和時域平均濾波器.時域平均濾波器主要是將相鄰的幾幀圖像對應的像素平均處理.由于該種處理器需要對多幀進行處理，其幀數越多，內存數量就會越多，通常會出現圖像延誤的現象，其噪聲消除效果較低，通常情況下，不會直接使用時域平均濾波器進行除噪處理.在處理圖像的時候，需要找出相鄰兩幀之間物體運動的關系，以便重建丟失的視頻幀，從而更好的處理圖像噪聲.自適應遞歸濾波器通過使用運動檢測方式檢測出兩幀之間的運動關系，并對其像素進行不同程度的加權平均處理，可以達到降噪的效果.另外，該濾波器只需要通過一幀的延時時間，在硬件方面需要兩幀的存儲，不僅可以節省成本，還可以進行實時處理.

4 總結

隨著監控系統在社會各個領域中的廣泛應用，圖像增強技術在監控系統中發揮著越來越重要的作用.由于監控系統中圖像和視頻具有不同的特點，在使用圖像增強技術的時候，需要根據圖像的特點和性質采取不同的處理技術，以便有效的提高圖像的清晰度，提高圖像信息的價值.

〔1〕張海燕.視頻圖像增強技術及應用淺析[J].中國公共安全，2013，12(8)：278.

〔2〕陳志雄.圖像增強技術原理及在安防領域的應用[J].科技資訊，2013，32(9)：336.

〔3〕魏連云.圖像增強技術在煤礦巖層監視系統中的應用研究[J].科技資訊，2009，22(5)：264.

〔4〕于天河.紅外監控系統中圖像增強技術的應用[J].哈爾濱理工大學學報，2012，24(3)：154.