CN103067741A - 一种基于多特征融合的抖动检测算法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明属于一般的图像数据处理或产生的技术领域,特别涉及一种基于多特征融合的抖动检测算法。
背景技术
随着现代社会的发展,计算机技术突飞猛进,为视频监控系统的实现提供了可靠的技术和硬件支持。众所周知,计算机智能视觉技术以其直观、准确、及时和信息内容丰富而广泛应用于许多场合,但同时随着视频监控系统应用的逐渐广泛,越来越多的问题被暴露出来。常见的视频监控故障类型有:视频信号缺失、视频清晰度异常、视频亮度异常、视频噪声、视频雪花、视频偏色、画面冻结、PTZ运动失控等。如果对于视频监控系统的维护工作完全由人工检测和处理,那么维护人员首先要面对巨大数量的的监控数据,其工作量是难以想象并且异常困难的。这就使得视频检测的成本不断增加,使得视频监控系统的使用效果大打折扣,严重影响了视频监控系统在城市安保,金融监控,道路监控中的有效作用。视频检测系统就是在此环境下应运而生的一种技术,并成为了视频检测系统的一个重要组成部分,其意义十分重大。
在现代的视频检测领域中最主要,也是最难以克服的问题就是如何较好的区别正常的镜头画面变化与不正常的画面抖动。正常的镜头画面变化包括:一、前景移动,即在拍摄设备不移动的情况下镜头中的物体的移动;二、后景移动,即当拍摄设备因拍摄需要而进行正常的移动从而给画面带来的变化;三、突变,即一个镜头直接切换为另一个镜头,中间没有时间上的延迟;四、渐变,即前一个镜头渐渐切换为下一个镜头,分为淡入、淡出、溶解和划变等。如此多的变化对辨别和解决视频抖动问题带来了巨大的困难。
现有技术对于视频检测相关问题的克服完成了以下几种研究结果:
美军军事研究实验室ARL(Army Research Laboratory)研制的应用在无人驾驶越野车上的视频抖动检测系统,其稳像精度已优于1个像元。此算法是基于标准的帧与帧间的互相关运算,分为图像映射、投影滤波、相关计算等步骤。算法的优点是计算速度快,缺点是投影算法设计时就只能补偿图像的平移运动,算法的检测精度是通过后续任务来检测的,可通过在行、列峰值处做局部的互相关运算来提高精度且对图像灰度整体变化不敏感。
以色列耶路撒冷的希伯莱大学计算机科学学院,对静止的场景中由于摄像机自身运动所导致的图像模糊进行了研究;Ben-Gurion大学计算机和电子工程系也在进行稳像技术的研究,他们认为运动模糊主要影响运动方向上图像的特征,而其它方向上图像的特征受到的影响则有所不同,利用模糊系统的点扩散函数,通过对模糊图像的滤波处理,从而得到清晰的图像。
国防科大的罗诗途对车载稳像进行了研究,国防科大的罗军参与设计实现了一种高性能的导引头信息处理机,并在导引头中对图像进行了稳像。
西安电子科技大学的李慧娟对视频抖动检测基于DSP的硬件实现做了研究,已经可以在CCS仿真平台上实现。
清华大学杨雨东等人提出一种基于2.5D运动估计模型和惰性滤波思想的图像稳定方法,并且利用专用图像处理机PIPE,能够实时处理帧间运动量7-8像素的抖动。
东南大学宋永江等人提出了一种基于多直线特征的全局运动估计算法,并将结果应用到视频抖动检测系统中。
发明内容
本发明解决的技术问题是,由于现有技术的算法基本为基于误差统计的抖动检测评价方法,其仅仅考虑了图像逐个像素点间的不同,并未考虑到图像像素间的强烈相关性和结构对视觉物体的重要性,然而自然图像信号相邻像素之间往往存在很强的相关性,这些相关性提供了视觉内容重要的信息,这导致了无法准确检测抖动且分析抖动情况的问题,进而提供了一种优化的基于多特征融合的抖动检测算法。
本发明所采用的技术方案是,一种基于多特征融合的抖动检测算法,所述算法包括以下步骤:
步骤三:去除平均亮度后,提取对比度相似性因子:作为参考信号的视频帧的信号对比度的离散形式的无偏估计为,作为待测信号视频帧的信号对比度的离散形式的无偏估计为,视频帧和视频帧的对比度相似性因子为;其中,;
本发明提供了一种优化的基于多特征融合的抖动检测算法,通过顺次提取参考信号的视频帧和待测信号的视频帧的亮度相似性因子、对比度相似性因子及结构相似性因子,并对以上提取的三种变化信息进行相似性比较,最后对三个比较结果进行综合,从而得到一种相似性指标,并以此指标作为图像质量好坏,即是否出现抖动的评价标准。
附图说明
图1为本发明的算法流程图。
具体实施方式
下面结合实例对本发明做进一步的详细描述,但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示,本发明涉及一种基于多特征融合的抖动检测算法,其特征在于:所述算法包括以下步骤:
步骤三:去除平均亮度后,提取对比度相似性因子:作为参考信号的视频帧的信号对比度的离散形式的无偏估计为,作为待测信号视频帧的信号对比度的离散形式的无偏估计为,视频帧和视频帧的对比度相似性因子为;其中,;
本发明的基础建立在人眼的主要功能是从视觉区域提取图像的多种信息,同时,人的视觉系统(Human Vision System, HVS)对此具有高度地适应。人的视觉系统通过感知图像各种信息的改变来考虑图像是否失真,即比较的是两幅图像的相似度,而不是差值,获得图像的相似度映像。因此本发明采用对多特征信息的度量作为图像感知质量的近似测算,如果多特征组合的结果相似则可认为前后图像质量变化不大。
本发明的基本算法思路为分别提取参考图像和待测图像的亮度变化信息(亮度相似性因子),然后分别提取参考图像和待测图像的对比度变化信息(对比度相似性因子),在此基础上再提取参考图像和待测图像的结构变化信息(结构相似性因子),并对以上提取的三种变化信息进行相似性比较,最后对三个比较结果进行综合,从而得到一种相似性指标,并以此指标作为图像质量好坏的评价尺度。
本发明的具体算法如下:
首先,定义参考图像和待测图像的平均亮度分别为和,亮度相似性因子为,亮度平均值的公式为数学领域中惯用的求多点平均值公式,亮度相似性因子为通过学习得到,其依据是德国生理学家韦伯(1795-1878)发现同一刺激差别量必须达到一定比例,才能引起差别感觉。为了描述连续意义上心理量与物理量的关系,德国物理学家费勒(1801-1887)在韦伯研究的基础上,于1860年提出了费希纳定律或韦伯-费勒定律,该定律反映的就是主体对客体变化的感受更多取决于变化的百分比。本公式中,,此取值保证了当和为零时,有意义。
其次,利用标准差基本公式估计将平均亮度值分离后参考图像和待测图像的信号对比度值,则其离散形式的无偏估计分别为,,对比度相似性因子为,可以通过学习得到,其依据是德国生理学家韦伯(1795-1878)发现同一刺激差别量必须达到一定比例,才能引起差别感觉。为了描述连续意义上心理量与物理量的关系,德国物理学家费勒(1801-1887)在韦伯研究的基础上,于1860年提出了费希纳定律或韦伯-费勒定律,该定律反映的就是主体对客体变化的感受更多取决于变化的百分比。本公式中,,此取值保证了始终有意义。
再次,计算将平均亮度值分离后参考图像和待测图像的图像的结构相似性。从几何学上来说,两个图像的结构相似性同单位向量和的方向有关,两向量之间的夹角为结构相似性的度量提供了一个简单有效的方法,特别地,和之间的相关性系数与夹角的正弦有关,因此,图像结构相似性比较因子定义为,其中,,。根据,可知的值可能为负值。
以上的算法过程中,提取出亮度相似性因子后,在提取对比度相似性因子时去除了亮度相似性因子的部分,在计算图像相似性比较因子时又只是涉及到向量及向量之间的夹角关系,故亮度相似性因子、对比度相似性因子及图像相似性比较因子相互之间是独立的,综合上述公式,可定义总的相似性度量函数为,即根据多特征融合的性质,将多个特征因子相乘,利用参数、、把多个特征的性质有机组合在一起。
最后,为了找到一个适当的阈值来作为判断是否发生抖动的尺度,我们将对同一场景的抖动视频和正常视频分组并分析所得的MFF值,取每一种情况的最小值作为判断是否异常的阈值。对应的数据如表1所示。
表1判断抖动的阈值
通过对视频的检测结果分析,出现抖动的情况时,MFF值一定小于0.6,而没有抖动的情况下MFF值在0.9左右,绝对大于0.8。故以0.6作为区别抖动与否的一个阈值,当图像的MFF值大于等于0.6时,可以判断待测信号视频帧没有出现抖动,当图像的MFF值小于0.6时,可以判断待测信号视频帧出现抖动。
所以,MFF的值在0到1之间,其判定抖动的阈值为0.6。
本发明针对大部分高清摄像机进行测试时,将参数、、取值定为1,即===1,就能满足检测抖动的需要。参数、、当然可以取其他任意值,比如===2,但是取其他数值时算法的运算时间将会大增加,且并不直观。当希望在0.5秒内就能检测出结果时,将参数、、取定值为1。
本发明针对大部分高清摄像机进行测试时,取,就能满足检测抖动的需要。参数和可以取其他任意值,但是根据基本的数学公式,取其他数值时算法的运算时间将会大增加,且并不直观。当希望在0.5秒内就能检测出结果时,令。
以上3点符合图像检测的基本规则。
实验结果亦证实了本发明的算法能被顺利应用于软硬双向的视频图像检测中。
本发明解决了现有技术中,对于检测的抖动评价算法基本为基于误差统计的抖动检测评价方法,其仅仅考虑了图像逐个像素点间的不同,并未考虑到图像像素间的强烈相关性和结构对视觉物体的重要性,然而自然图像信号相邻像素之间往往存在很强的相关性,这些相关性提供了视觉内容重要的信息,这导致了无法准确检测抖动且分析抖动情况的问题,通过顺次提取参考信号的视频帧和待测信号的视频帧的亮度相似性因子、对比度相似性因子及结构相似性因子,并对以上提取的三种变化信息进行相似性比较,最后对三个比较结果进行综合,从而得到一种相似性指标,并以此指标作为图像质量好坏,即是否出现抖动的评价标准。
Claims (3)
1.一种基于多特征融合的抖动检测算法,其特征在于:所述算法包括以下步骤:
步骤三:去除平均亮度后,提取对比度相似性因子:作为参考信号的视频帧的信号对比度的离散形式的无偏估计为,作为待测信号视频帧的信号对比度的离散形式的无偏估计为,视频帧和视频帧的对比度相似性因子为;其中,;
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