CN102163328B - 用于交通视频图像中眩光的检测和消除方法 - Google Patents

用于交通视频图像中眩光的检测和消除方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种交通视频图像中对眩光进行检测和消除的方法，方法包括：首先通过背景更新方法，得到背景图像，然后采用基于局部累积梯度的眩光检测方法，检测图像中是否存在眩光；如果存在眩光，确定出眩光的列坐标，并将相邻的眩光列列入同一眩光带，将各眩光带编序；最后，判断各眩光带所处的邻域，如果处于背景邻域，则用对应位置上的背景图像像素代替眩光像素，如果处于背景邻域，则用插值法产生的像素代替眩光像素，实现眩光消除。本发明可有效消除图像中的眩光带，降低眩光对车辆检测、车辆跟踪和车牌识别等高级操作的不利影响。

Description

用于交通视频图像中眩光的检测和消除方法
技术领域
本发明涉及一种可对强光在图像中产生的眩光列进行定位和消除的检测和消除交通视频图像中眩光的方法。
背景技术
随着我国国民经济的快速发展，人民生活水平不断提高，汽车得到了极大普及，道路交通所带来的交通拥堵、交通事故和环境污染等负面效应对社会发展所造成的影响也越来越明显，国民经济运行对交通控制和安全监控的要求日益提高。实现交通管理自动化、智能化的智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS）是解决目前经济发展所带来交通问题的主要技术手段。
在智能交通系统中，基于视频图像处理的交通监控是目前的主要技术手段。但由于强光经挡风玻璃、水面或其他反射面反射后，使CCD相机所拍摄的图像中出现眩光带，眩光会令图像局部亮度增加，反差度降低，使画面变得平淡而欠缺质感。在交通视频的CCD图像中，眩光通常表现为相邻的、亮度极高的贯通像素列构成的较窄的眩光带，使眩光带位置的背景和目标的像素被强光掩盖，无法表现目标和背景的特征，对车辆检测、车辆跟踪和车牌识别等操作带来不利影响。
中国专利200810112051.8和200810113964.1分别公布了可用于电子警察的防眩光交通视频控制系统，重点公布了实现眩光检测的硬件系统，其眩光检测方法是利用眩光光强信号和背景光强信号的比值来实现的，由于交通视频图像较为复杂，且变化较大，简单的利用光强信号的比值来进行眩光检测难以达到理想效果。中国专利200810302779.7公布了一种“眩光检测装置”，可检测图像中是否存在眩光，但不能对眩光带进行定位。在背景建立、背景更新、车辆检测、车辆跟踪、车牌识别等工程实践中，对在CCD图像中利用算法对眩光进行定位和消除提出了技术需求。本发明所针对的眩光指的是射入CCD的强光，使CCD图像中的某些列的像素灰度值远大于其周围列的像素灰度值，形成很窄的高亮带，该高亮带覆盖了图像背景和目标的真实像素，对图像的后续高级处理造成了不利影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种有效地对交通视频图像中的眩光带进行定位和消除的方法，以降低眩光对车辆检测、车辆跟踪和车牌识别等操作的不利影响。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种用于交通视频图像中眩光的检测和消除方法，其特点是，其步骤如下：
（1）读取第k帧交通视频图像，进行背景更新；背景更新的计算公式为：                                                
Figure 655568DEST_PATH_IMAGE001
，其中为更新率，
Figure 494178DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 129690DEST_PATH_IMAGE004
分别为像素的行和列序号，
Figure 19892DEST_PATH_IMAGE005
为第k帧交通视频图像在
Figure 94159DEST_PATH_IMAGE006
处的像素灰度值，
Figure 12305DEST_PATH_IMAGE007
为第k帧交通视频图像在
Figure 436028DEST_PATH_IMAGE006
处的背景图像像素灰度值；
（2）进行眩光检测，检测第k帧图像中是否存在眩光，如果存在眩光，记录眩光列的列序号，并将相邻的眩光列并入同一眩光带，将眩光带编序，如果不存在眩光，返回步骤（1）；眩光检测方法为：求局部累积梯度图像每一列像素的平均值和整幅局部累积梯度图像的像素平均值；然后，通过以上两平均值的比值与设定的第一阈值进行比较，检测眩光；
（3）判断每一行的眩光带所处邻域；其具体方法为：对于第
Figure 802735DEST_PATH_IMAGE009
个眩光带，在交通视频图像
Figure 263803DEST_PATH_IMAGE010
的每一行眩光带的两侧各选
Figure 67549DEST_PATH_IMAGE011
个像素，计算此
Figure 246858DEST_PATH_IMAGE012
个像素与背景更新所产生的背景图像
Figure 521981DEST_PATH_IMAGE007
的对应位置上的
Figure 103135DEST_PATH_IMAGE012
个像素之间的一阶范数，如果此范数小于某一阈值，则此行的第
Figure 874520DEST_PATH_IMAGE009
个眩光带处于背景区域，否则判定该眩光带在该行处于目标区域；
（4）进行眩光消除，如果眩光带处于背景区域，则用步骤（1）中产生的背景图像中的对应位置上的像素代替眩光像素，如果眩光带处于目标区域则用插值法产生的像素代替眩光像素；
（5）k=k+1,返回步骤（1）。
以上所述的交通视频图像中眩光的检测和消除方法技术方案中，步骤（2）所述的眩光检测方法的具体步骤可以为：
1）计算交通视频图像各像素的局部累积梯度；计算交通视频图像各像素的局部累积梯度按以下公式进行：
    
其中，
Figure 619939DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 55600DEST_PATH_IMAGE004
分别为像素的行和列序号，
Figure 764930DEST_PATH_IMAGE005
为第k帧交通视频图像在处的像素灰度值；
2）以交通视频图像各像素位置的局部累积梯度值为像素值，构建局部累积梯度图像；
3）计算局部累积梯度图像各列像素的灰度均值和所有像素的灰度均值；
4）计算步骤3）中两个均值的比值；
5）如果步骤4）中某一列对应的比值大于第一阈值
Figure 34292DEST_PATH_IMAGE008
，则判定该列为眩光列。
以上所述的交通视频图像中眩光的检测和消除方法技术方案中，所述步骤（4）的眩光消除所用的差值法可以为最近邻插值法、双线性插值法或双三次插值法。
以下对本发明技术方案进行进一步的阐述。
由于交通视频图像中眩光带是沿列方向的高亮带，根据这一特点，为了实现本发明目的，本发明提供的眩光检测和消除方法，首先通过背景更新方法，得到背景图像，然后采用提出的眩光检测方法，检测图像中是否存在眩光，如果有眩光，给出眩光的列坐标，将相邻眩光列并入同一眩光带，并对眩光带进行编序；最后采用提出的眩光消除方法对眩光进行消除，得到无眩光图像。
      本发明所述的眩光检测方法是：首先通过在行方向上求各像素的局部累积梯度，然后构建局部累积梯度图像，并求该图像每一列像素的平均值和整幅图像的像素平均值。最后，通过以上两平均值的比值与设定的阈值进行比较，检测眩光的有无，并确定眩光带的列坐标。
本发明所述的眩光消除方法是：首先判断眩光带的邻域，即判断眩光带处于背景区域还是目标区域，如果处于背景区域，则用背景更新所得的背景图像的像素代替眩光带像素，如果处于目标区域，则用插值法产生的像素值代替眩光带像素，由此可产生新的无眩光图像。
所述背景更新方法，背景图像在像素
Figure 324459DEST_PATH_IMAGE006
处的灰度值
Figure 267007DEST_PATH_IMAGE007
可以通过以下公式计算
                  
Figure 580308DEST_PATH_IMAGE001
                  （1）
其中，为第k帧交通视频图像像素
Figure 915572DEST_PATH_IMAGE006
的灰度值，
Figure 966705DEST_PATH_IMAGE002
为更新率。
      所述各像素
Figure 829619DEST_PATH_IMAGE006
的局部累积梯度
Figure 53926DEST_PATH_IMAGE014
可以通过以下公式计算:
    
Figure 53106DEST_PATH_IMAGE013
         （2）
      所述局部累积梯度图像第
Figure 186202DEST_PATH_IMAGE004
列像素的平均值
Figure 151884DEST_PATH_IMAGE015
可以按以下公式计算:
              
Figure 333467DEST_PATH_IMAGE016
                    （3）
其中，
Figure 460823DEST_PATH_IMAGE017
为交通视频图像的行数。
所述整幅局部累积梯度图像的所有像素的平均值
Figure 864439DEST_PATH_IMAGE018
可以按以下公式计算:
             
Figure 602326DEST_PATH_IMAGE019
                    （4）
其中，
Figure 900583DEST_PATH_IMAGE020
为交通视频图像的列数。
所述眩光带由若干相邻的眩光列构成，一幅交通视频图像可能具有多个眩光带。
所述判断眩光带的邻域，即判断眩光带处于背景区域还是目标区域的方法为，对于第
Figure 287702DEST_PATH_IMAGE021
个眩光带，在交通视频图像的每一行眩光带的两侧各选
Figure 423466DEST_PATH_IMAGE011
个像素，计算此
Figure 220520DEST_PATH_IMAGE012
个像素与背景更新所产生的背景图像
Figure 265575DEST_PATH_IMAGE022
的相应位置上的
Figure 376750DEST_PATH_IMAGE012
个像素之间的一阶范数，如果此范数小于某一阈值，则此行的眩光带
Figure 387431DEST_PATH_IMAGE021
处于背景区域，否则判定该眩光带在该行处于目标区域。
设第
Figure 293070DEST_PATH_IMAGE003
行的第
Figure 326886DEST_PATH_IMAGE021
个眩光带有个眩光像素，位于像素之间，所述一阶范数可以用以下公式计算：
    （5）
与现有技术相比，本发明具有如下作用和优点：本发明方法可操作性强，使用成本低；其眩光定位准确，眩光消除效果较好；可避免眩光对车辆检测、车辆跟踪和车牌识别等高级处理的不利影响。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图。
图2为眩光检测流程图。
图3为眩光消除流程图。
图4为眩光消除前的带有眩光的交通视频图。
图5为眩光消除后的效果示意图。
具体实施方式
      以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1，参照图1-3，一种用于交通视频图像中眩光的检测和消除方法，其步骤如下：
（1）读取第k帧交通视频图像，进行背景更新；背景更新的计算公式为：
Figure 17442DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 204841DEST_PATH_IMAGE002
为更新率，
Figure 190115DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 437556DEST_PATH_IMAGE004
分别为像素的行和列序号，
Figure 944499DEST_PATH_IMAGE005
为第k帧交通视频图像在
Figure 997905DEST_PATH_IMAGE006
处的像素灰度值，
Figure 775369DEST_PATH_IMAGE007
为第k帧交通视频图像在
Figure 193712DEST_PATH_IMAGE006
处的背景图像像素灰度值；
（2）进行眩光检测，检测第k帧图像中是否存在眩光，如果存在眩光，记录眩光列的列序号，并将相邻的眩光列并入同一眩光带，将眩光带编序，如果不存在眩光，返回步骤（1）；眩光检测方法为：求局部累积梯度图像每一列像素的平均值和整幅局部累积梯度图像的像素平均值；然后，通过以上两平均值的比值与设定的第一阈值
Figure 486153DEST_PATH_IMAGE008
进行比较，检测眩光；
（3）判断每一行的眩光带所处邻域；其具体方法为：对于第
Figure 280933DEST_PATH_IMAGE009
个眩光带，在交通视频图像
Figure 975220DEST_PATH_IMAGE010
的每一行眩光带的两侧各选
Figure 62999DEST_PATH_IMAGE011
个像素，计算此
Figure 45999DEST_PATH_IMAGE012
个像素与背景更新所产生的背景图像的对应位置上的
Figure 927684DEST_PATH_IMAGE012
个像素之间的一阶范数，如果此范数小于某一阈值，则此行的第
Figure 953409DEST_PATH_IMAGE009
个眩光带处于背景区域，否则判定该眩光带在该行处于目标区域；
（4）进行眩光消除，如果眩光带处于背景区域，则用步骤（1）中产生的背景图像中的对应位置上的像素代替眩光像素，如果眩光带处于目标区域则用插值法产生的像素代替眩光像素；
（5）k=k+1,返回步骤（1）。
实施例2，实施例1所述的交通视频图像中眩光的检测和消除方法中：步骤（2）所述的眩光检测方法的具体步骤为：
1）计算交通视频图像各像素的局部累积梯度；计算交通视频图像各像素的局部累积梯度按以下公式进行：
Figure 220442DEST_PATH_IMAGE013
    
其中，和
Figure 196543DEST_PATH_IMAGE004
分别为像素的行和列序号，
Figure 455486DEST_PATH_IMAGE005
为第k帧交通视频图像在
Figure 147499DEST_PATH_IMAGE006
处的像素灰度值；
2）以交通视频图像各像素位置的局部累积梯度值为像素值，构建局部累积梯度图像；
3）计算局部累积梯度图像各列像素的灰度均值和所有像素的灰度均值；
4）计算步骤3）中两个均值的比值；
5）如果步骤4）中某一列对应的比值大于第一阈值
Figure 822194DEST_PATH_IMAGE008
，则判定该列为眩光列。
实施例3，参照图1-5，利用实施例1所述的交通视频图像中眩光的检测和消除方法进行眩光的检测和消除实验。实验步骤如下：
所述眩光检测方法包括以下步骤：
      步骤S101：开始，读取第
Figure 345579DEST_PATH_IMAGE009
帧交通视频图像；
      步骤S102：通过公式（2），计算得到局部累积梯度
Figure 217501DEST_PATH_IMAGE014
；
步骤S103：以
Figure 131230DEST_PATH_IMAGE014
为像素灰度值，构建局部累积梯度图像；
步骤S104：通过公式（3），计算得到局部累积梯度图像的每一列像素的平均值
Figure 671933DEST_PATH_IMAGE015
；
步骤S105：通过公式（4），计算得到整幅局部累积梯度图像
Figure 253087DEST_PATH_IMAGE014
的所有像素的平均值
Figure 525937DEST_PATH_IMAGE018
；
      步骤S106：计算
Figure 254858DEST_PATH_IMAGE026
，如果
Figure 769891DEST_PATH_IMAGE027
大于第一阈值
Figure 205552DEST_PATH_IMAGE008
,则第
Figure 711619DEST_PATH_IMAGE009
帧交通视频图像的第
Figure 865520DEST_PATH_IMAGE004
列为眩光列，记录所有眩光列的列序号；在本实施例中，取
Figure 685709DEST_PATH_IMAGE028
；
步骤S107：将相邻的眩光列记录为一个眩光带，给出眩光带的数量和每个眩光带的列数以及对应的列序号。
所述眩光消除方法包括以下步骤：
步骤S201：开始，给定初始条件，包括交通视频图像的总行数M，眩光带条数和每一条眩光带的眩光列数；判断眩光带邻域，即判断眩光带处于背景区域还是目标区域的所需的眩光带两侧的邻域像素数
Figure 38192DEST_PATH_IMAGE011
；在本实施例中，取
Figure 416959DEST_PATH_IMAGE029
；
步骤S202：读取当前视频图像（第k帧图像）；
步骤S203：读取当前视频图像的第i行像素的灰度值；
步骤S204：根据公式（5）计算得到一阶范数
Figure 792577DEST_PATH_IMAGE030
；
步骤S205：如果
Figure 213194DEST_PATH_IMAGE030
小于第二阈值
Figure 623446DEST_PATH_IMAGE031
(在本实施例中，取
Figure 471317DEST_PATH_IMAGE032
),则第i行的第k个眩光带的像素为背景内像素，用背景图像
Figure 334230DEST_PATH_IMAGE022
中相应位置的像素代替眩光像素；否则第i行的第k个眩光带的像素为目标内像素，用插值法产生的像素代替眩光像素；
步骤S206：如果i<M, i=i+1,转步骤S203；否则，结束。
      所述插值法可采用（Frieden B R. Restoring with Maximum Likelihood and Maximum Entropy. Journal of Optical Society of America, 1972, 62(4):511-518）中的最近邻插值法、双线性插值法或双三次插值法，考虑到眩光带较窄（通常最多包括5个像素列），同时考虑计算速度，本实施例用最近邻插值法。
   所述背景更新，在本实施例中，取
Figure 994757DEST_PATH_IMAGE033
。

Claims (2)

1.一种用于交通视频图像中眩光的检测和消除方法，其特征在于，其步骤如下：
（1）读取第k帧交通视频图像，进行背景更新；背景更新的计算公式为：                                                ，其中
Figure 451088DEST_PATH_IMAGE002
为更新率，
Figure 293142DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 501400DEST_PATH_IMAGE004
分别为像素的行和列序号，
Figure 315772DEST_PATH_IMAGE005
为第k帧交通视频图像在处的像素灰度值，
Figure 280634DEST_PATH_IMAGE007
为第k帧交通视频图像在
Figure 479535DEST_PATH_IMAGE006
处的背景图像像素灰度值；
（2）进行眩光检测，检测第k帧图像中是否存在眩光，如果存在眩光，记录眩光列的列序号，并将相邻的眩光列并入同一眩光带，将眩光带编序，如果不存在眩光，返回步骤（1）；眩光检测方法为：求局部累积梯度图像每一列像素的平均值和整幅局部累积梯度图像的像素平均值；然后，通过以上两平均值的比值与设定的第一阈值
Figure 210730DEST_PATH_IMAGE008
进行比较，检测眩光；
（3）判断每一行的眩光带所处邻域；其具体方法为：对于第
Figure 17143DEST_PATH_IMAGE009
个眩光带，在交通视频图像的每一行眩光带的两侧各选
Figure 570801DEST_PATH_IMAGE011
个像素，计算此
Figure 802561DEST_PATH_IMAGE012
个像素与背景更新所产生的背景图像
Figure 45454DEST_PATH_IMAGE007
的对应位置上的
Figure 287080DEST_PATH_IMAGE012
个像素之间的一阶范数，如果此范数小于某一阈值，则此行的第
Figure 624520DEST_PATH_IMAGE009
个眩光带处于背景区域，否则判定该眩光带在该行处于目标区域；
（4）进行眩光消除，如果眩光带处于背景区域，则用步骤（1）中产生的背景图像中的对应位置上的像素代替眩光像素，如果眩光带处于目标区域则用插值法产生的像素代替眩光像素；
（5）k=k+1,返回步骤（1）；
步骤（2）所述的眩光检测方法的具体步骤为：
1）计算交通视频图像各像素的局部累积梯度；计算交通视频图像各像素的局部累积梯度按以下公式进行：
Figure 81041DEST_PATH_IMAGE013
    
其中，
Figure 416207DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 207445DEST_PATH_IMAGE004
分别为像素的行和列序号，
Figure 99309DEST_PATH_IMAGE005
为第k帧交通视频图像在
Figure 659604DEST_PATH_IMAGE006
处的像素灰度值；
2）以交通视频图像各像素位置的局部累积梯度值为像素值，构建局部累积梯度图像；
3）计算局部累积梯度图像各列像素的灰度平均值和所有像素的灰度平均值；
4）计算步骤3）中两个平均值的比值；
5）如果步骤4）中某一列对应的比值大于第一阈值
Figure 431250DEST_PATH_IMAGE008
，则判定该列为眩光列。
2.根据权利要求1所述的交通视频图像中眩光的检测和消除方法，其特征在于，所述步骤（4）的眩光消除所用的插值法为最近邻插值法、双线性插值法或双三次插值法。
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