CN101888536A - 抗雨干扰图像采集系统 - Google Patents

Abstract

抗雨干扰图像采集系统，摄像机将摄到的模拟图像送给模数转换器，模数转换器将数字图像信号经通讯接口输入给计算机，然后经过雨处理模块将复原的图像信号输送给图像增强模块，对复原的图像进行增强处理，然后存储在存储器中，同时显示复原后的图像，其工作流程为：(1)初始化；(2)采集图像；(3)选择雨像素；(4)加入光度模型；(5)加入动力学模型；(6)图像去除雨；(7)图像存储；(8)图像显示，本发明具有结构简单、复原效果好、复原后图像清晰度高、使用方便、成本低等优点，使用于交通道路监测等户外拍摄环境。

Description

抗雨干扰图像采集系统

技术领域

本发明属于户外摄像技术，特别涉及一种抗雨干扰摄像系统，对受到雨衰减的图像进行复原的方法。

背景技术

目前的图像采集系统的设计都是针对天气状况良好的情况。但是，户外环境的应用，是逃脱不掉恶劣天气的。归根结底，图像采集系统必须包括那些能使它们在雨天气的情况下起作用的机制。天气良好情况下摄像效果比较清晰，但是，在雨不良天气下获得的图像会受到严重的影响，不仅摄像效果不好，严重时会产生比较严重的失真和信息丢失。这大大降低了图像的应用价值，对生产与生活等各方面造成了极大的影响。例如，高速公路图像监视系统，在恶劣天气条件下得到的退化图像会对判断车辆信息和监控交通情况造成极大的困难。针对户外摄像系统遇到的这一问题，需要设计一种抗雨干扰的摄像系统。该摄像系统在进行户外摄像时应该有效地抑制天气条件给摄像效果带来的影响。在雨天气条件下，该摄像系统能够对拍摄到的受天气干扰而退化的图像进行复原，将退化图像复原到比较清晰的情况，使得在恶劣天气条件下，户外摄像系统依然能够保持较好的稳定性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是针对户外摄像系统中存在的技术问题，提供一种结构简单、图像清晰度高、复原效果好、使用方便、成本低的抗雨干扰摄像系统，适用于交通道路监测等户外拍摄的环境。

采用的技术方案

本发明包括摄像机、模数转换器、通讯接口、计算机、雨处理模块、图像存储器、图像显示器，摄像机将摄到的模拟图像送给模数转换器，模数转换器将数字图像信号经通讯接口输入给计算机，然后经过雨处理模块将复原的图像信号输送给图像增强模块，对复原的图像进行增强处理，然后存储在存储器中，同时显示复原后的图像。

本发明的抗雨干扰摄像系统的工作流程，其工作步骤为：

(1)初始化，对摄像系统的各个部分进行初始化。

(2)采集图像，摄像机拍摄的图像首先经过模数转化器处理，将摄像机拍设的图像转变为数字图像序列，然后通过图像采集器采集图像，通过数据接口将图像输入计算机。

(3)是否超过阈值，对采集到的图像进行对比度阈值判断，若大于阈值则进入步骤(10)显示图像，否则计算检测图像中的雨，对图像序列进行除雨处理，将图像复原。

(4)检测受雨影响的候选像素，应用光度模型的约束去检测在视频中每帧受雨影响的侯选像素。

(5)去除虚假雨信号，对于第n帧中每个单个的条形，我们检验是否沿着条形的亮度变化与背景亮度I_n-1线性相关，应用等式ΔI＝-βI_b+α，β＝τ/T，

估计出线性适当的β值，若β∈[0，-0.039]则位于可接受范围之外去掉。其中，T为摄像机曝光时间；τ为一雨滴停留在一像素上时间；为雨产生的平均亮度。

(6)进一步去除虚假信号，通过检测雨信号，进一步去除虚假信号。

(7)除雨处理，对第n帧中有雨的每一个像素，我们用背景估计中获得的亮度(I_n-1+I_n+1)/2替代它的亮度I_n，即我们通过用两个相邻像素没被雨影响亮光平均值去除雨。

(8)图像增强，通过直方图增强算法对亮度值较低的复原图像进行图像增强，恢复图像的亮度，使处理后的图像更加清晰。

(9)存储图像，对复原后的图像进行存储。

(10)显示图像，经过复原和增强后的图像经过显示器显示。

本发明具有结构简单、复原效果好、复原后图像清晰度高、使用方便、成本低等优点，使用于交通道路监测等户外拍摄环境。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的系统工作流程图。

图中：1摄像机、2模数转换器、3图像采集器、4通讯接口、5计算机、6除雨处理模块、7图像增强模块、8图像存储器、9图像显示器。

具体实施方式

结合实例进一步说明本发明的结构方案和工作过程。

如图1所示，抗雨干扰采集系统，包括摄像机1、模数转换器2、图像采集器3、通讯接口4、计算机5、除雨处理模块6、图像增强模块7、图像存储器8、图像显示器9。

摄像机1将拍摄图像信号输送给模数转换器2，模数转换器2将模拟图像信号转换为数字信号，经图像采集器3采集后通过通讯接口4输送给计算机5计算物理模型参数和光度模型参数，再输送给除雨处理模块6、除雨处理模块6根据计算机5计算出模型的参数模拟天气条件对图像序列进行除雨处理得到复原图像，再输送给图像增强模块7，最后在图像存储器8、图像显示器9中存储和显示复原后的图像。

如图2所示，本发明的工作流程是：

(1)初始化，对摄像系统的各个部分进行初始化，包括对摄像机参数的设定，对采样周期的设定和对图像显示器的初始化。

(2)采集图像，摄像机拍摄的图像首先经过模数转化器处理，将摄像机拍设的图像转变为数字图像序列，然后通过图像采集器采集图像，通过数据接口将图像输入计算机。

(3)是否超过阈值，每隔一定周期对输入计算机的图像进行采样，通过判断图像的像素亮度来判断图像的衰减程度，如果图像受衰减程度很小，在阈值范围之内，则不需要经过图像复原过程，图像通过显示器直接显示。如果天气条件恶劣，图像受到天气条件影响比较严重，图像的像素亮度高于阈值范围，则需要计算检测图像中的雨，对图像序列进行除雾处理，将图像复原。

(4)检测受雨影响的候选像素，应用光度模型的约束去检测在视频中每帧受雨影响的侯选像素。由于一雨滴在单位帧持续时间内产生正的亮度波动，因而，为发现第n帧侯选雨的像素，我们仅需考虑每一像素相应的三帧n-1，n，n+1的亮度I_n-1，I_n和I_n+1。在这三帧中如果背景保持固定，那么亮度I_n-1和I_n+1相同，在第n帧由于雨产生的亮度变化必须满足限定ΔI＝I_n-I_n-1＝I_n-I_n+1≥c，这里C是一极限值，代表有噪声时检测的雨滴的亮度最小变化。应用约束C＝3灰度水平，被选择的像素包括了所有受雨影响的像素。

(5)去除虚假雨信号，对于第n帧中每个单个的条形，我们检验是否沿着条形的亮度变化与背景亮度I_n-1线性相关，应用等式ΔI＝-βI_b+α，β＝τ/T，

估计出线性适当的β值，若β∈[0，-0.039]则位于可接受范围之外去掉。其中，T为摄像机曝光时间；τ为一雨滴停留在一像素上时间；

为雨产生的平均亮度。

(6)进一步去除虚假信号考虑相机观察一定体积的雨，雨滴在这一体积内任意分布，高速下落，这些雨滴投射到图像平面，在图像空间产生一个随时间变化的任意领域，可以用来代表雨的动力学。则动态的雨可以被表示为二元的区域。

其中，

代表图像中的空间坐标，t代表时间。则相关函数

仅依赖图像坐标的差

和时间差Δt＝t₁-t₂，则相关函数可表示为：

$R_b({\stackrel{\‾}{r}}_1,t_1;{\stackrel{\‾}{r}}_2,t_2)\≡\frac{1}{L}{\∫}_0^{L}b({\stackrel{\‾}{r}}_1,t_1+t)b({\stackrel{\‾}{r}}_2,t_2+t)\mathrm{dt}=R_b(\mathrm{\Δ}\stackrel{\‾}{r},\mathrm{\Δt})$

相关性

是一高值。这是在连续范围内的相关性。

由于成像系统有一个有限的像素尺寸p和曝光时间T。则在一个离散的范围内，用

表示相关性。这里

表示整数图像坐标内的位移，n表示总帧数上的滞后时间，任意结构离散的二元领域通过求持续时间T内连续二元领域的积分。因而，计算相关性

相当于计算在整个时间间隔nT≤Δt≤(n+1)T内的值。作为一个结论，对所有被距离分割像素而言，

是一高值。表明像素在0点滞后时间的相关性

很高。这里

由雨产生的二元领域，在雨方向上的相邻像素间存在很强的时间相关性，在一系列帧{n，n-1，...，n-f}中，应用估计的二元领域b，我们计算局部区域(l×l)的相邻的每一个像素的零阶线性相关性。即我们估算这里，m_x和m_y从-(l-1)/2变化到(l-1)/2。为获得一较好的估计，我们把相邻的像素的值R_b平均。弱的和没有方向相关性的出现在没有雨的像素上，因而被拒绝。这样，我们就可以检测到雨信号。

(7)除雨处理，对第n帧中有雨的每一个像素，我们用背景估计中获得的亮度(I_n-1+I_n+1)/2替代它的亮度I_n，即我们通过用两个相邻像素没被雨影响亮光平均值去除雨。

(8)图像增强，经过图像复原后的图像亮度都有一定程度的衰减，通过直方图增强算法对亮度值较低的复原图像进行图像增强，恢复图像的亮度，使处理后的图像更加清晰。

(9)存储图像，对复原后的图像进行存储。

(10)显示图像，经过复原和增强后的图像经过显示器显示。

抗雨干扰图像采集系统主要针对户外图像的拍摄，对图像的处理进行了改进，引入了光度模型和动力学模型对受到雨干扰的图像进行复原，增强了户外摄像系统的鲁棒性，提高了图像采集系统的工作效率。

Claims (1)

1.抗雨干扰图像采集系统，包括摄像机、模数转换器、通讯接口、计算机、、图像增强模块、存储器和显示器，其特征在于它还包括一除雨处理模块，摄像机采集到的图像信号输送给模数转换器，模数转换器将数字图像信号输送给计算机，在经除雨处理模块将复原图像信号送给图像增强模块，最后存储在存储器中，同时在显示器中显示。

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