CN108259874A - 视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统及方法 - Google Patents

视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统及方法 Download PDF

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Abstract

视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统，用于对视频图像进行透雾透霾及真彩色还原处理，通过亮色分离模块对视频图像进行亮色分离，并通过运算放大单元对亮度信号进行抑制，对色彩信号进行放大输出。本发明提供的视频图像透雾透霾及真彩色还原处理系统和处理方法，可以对雾霾视频图像进行深度处理，增强视频监视系统在雾、霾天气下的能见度，还原雾霾图像中的目标，使视频监视系统在雾、霾天气下也能发挥监视的效果。该系统可将远距离监视目标的真彩色还原，使被监视目标的图像信息仍为全彩色实时图像，获得目标的全信息视频图像以便更好的鉴别目标。该系统和方法可以对视频图像进行实时处理，“即入即出”输出处理后的视频图像。

Description

视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统及方法
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，具体涉及一种雾霾视频图像深度透雾透霾及真彩色还原的实时处理系统及方法。
背景技术
由于雾和霾(或雾霾)是自然天气常见的现象，雾霾颗粒阻碍观测视线，这种天气导致视频图像无法真实反映目标存在。具体到视频监控系统，各种视频监视系统无法看清目标的视频图像，使视频监视系统失去监视意义，甚至导致事故的发生。
现有技术中解决这种问题的方法大致可分为两类：一种为光学处理方法，通过为摄像机镜头安装滤光片，滤光片的窄带光谱特性可以过滤掉一些雾霾颗粒的视频图像，使拍摄到的图像可以将淹没在雾霾中的目标图像显示出来；二是电子处理方法，摄像机镜头仍采集真实的雾霾图像，通过在摄像机中安装视频图像处理的电子电路或相应的软硬件对采集到的雾霾图像进行处理，以还原雾霾图像中的目标图像。以上方法存在如下的不足：光学处理方法采用滤光片后将使彩色视频图像失去彩色信息，且只能轻度透雾、不能透霾，作用有限(无法达到较好的深度透雾、透霾)，而且镜头的体积大、造价高。电子处理方法则无法达到深度透雾、透霾，只在轻雾和近距离范围内有一定效果，而且加入软件处理方式时会导致视频图像的延时，不能完成视频图像的实时处理。概括的说，现有技术中的两种处理方法(滤光片处理和电子处理)均不能进行深度有效地实时透雾，不能透霾。
对于远距离雾霾图像的处理还存在图像彩色还原的问题。当用长焦镜头拍摄远距离目标时(目标距离大于10公里)，一般要使用焦距为1000mm的长焦镜头，这种镜头的有效孔径一般不会大于100mm，因此其光圈数F均会大于10，而光圈数F越大，能进入镜头的光通量越小。当拍摄远距离目标时，其光通量更小，造成目标图像无法全光谱进入镜头内，这会导致该目标图像的颜色信息全部丢失(也就是目标图像由彩色图像变为黑白图像)。当目标彩色图像丢失彩色之后，其信息量将减少1/3左右，对远距离的彩色目标的视频监视十分不利。因此，进一步需要对雾霾图像进行彩色还原处理。而且，即便在没有雾霾的情况下，远距离的图像，因光圈数F都很大(>10)，所以也会失去彩色，也需要进行真彩色还原。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中，对雾霾图像处理的不足，提供一种雾霾视频图像深度透雾透霾及真彩色还原的实时处理系统及方法。
为了实现以上目的，本发明提供以下技术方案：
视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统，用于对视频图像进行透雾透霾及真彩色还原处理，包括：
亮色分离模块：用于对视频图像进行亮度和色度分离，亮色分离模块输出端包括亮度信号支路和色度信号支路；
数字滤波单元：与亮色分离模块的亮度信号支路连接，以过滤亮度信号中的高频段信号；
运算放大器单元：包括第一运算放大及处理单元和第二运算放大单元，所述第一运算放大及处理单元接收数字滤波单元处理后的亮度信号，以对亮度信号进行高电平抑制和对次高及以下电平信号进行提升；所述第二运算放大单元与第一运算放大及处理单元输出端，以及色度信号放大单元的输出端连接。
作为优选：所述第二运算放大单元包括高频率提升电路，用以补充亮度信号中丢失的高频段信号。
作为优选：所述实时处理系统进一步包括色度信号放大单元，所述色度信号放大单元的输入端与色度信号支路输出端和亮度信号输出端连接，以放大色度信号；色度信号放大单元的输出端与第二运算放大单元连接。
作为优选：所述实时处理系统进一步包括：
同步信号分离模块：用于分离出视频图像中的行同步信号；
控制信号生成模块：用于根据同步信号分离模块分离出的行同步信号，进行标准化处理，以生成行标准同步控制信号；
控制信号生成模块的输出端与色度信号放大单元、第二运算放大单元连接。
作为优选：所述实时处理系统进一步包括控制调整单元，所述控制调整单元包括自动调整单元，自动调整单元包括比较器和控制信号生成器，比较器的输入端分别与同步信号分离模块输出端和控制信号生成模块的输出端连接，比较器的输出端与控制信号生成器的输入端连接，控制信号生成器的输出端与第一运算放大器及第二运算放大器连接。
作为优选：所述实时处理系统进一步包括用于对视频图像进行处理的前置电路，前置电路的输出端包括两路信号，分别接入亮色分离模块和同步信号分离模块。
作为优选：所述实时处理系统进一步包括用于对视频图像进行处理的前置电路，前置电路的输出端包括两路信号，分别接入亮色分离模块和同步信号分离模块。
对采集后的视频图像进行亮色分离，以分离出一路亮度信号和一路色度信号；
对亮度信号进行第一次高频段信号过滤处理，过滤掉亮度信号中的高频段信号；
第一次处理后的亮度信号进行第二次亮度信号处理，对高电平信号进行抑制和对次高及以下电平进行提升。
第二次亮度信号处理后的亮度信号与色度信号进行合成，输出。
作为优选：所述实时处理方法进一步包括以下步骤：对色度信号进行放大处理，放大处理后的色度信号进行幅度处理，处理后与第二次亮度信号处理后的亮度信号进行合成，形成合成信号，输出。
作为优选：所述实时处理方法进一步包括以下步骤：对采集后的视频图像进行同步信号分离，以分离出行同步信号；对分离出的行同步信号进行标准化处理，整形为幅度、脉宽以及行频均标准的具有驱动能力的行同步信号；行同步信号与第二次亮度信号处理后的亮度信号和色度信号形成的合成信号进行合成，输出。
本发明的有益效果为：
本发明提供的视频图像透雾透霾及真彩色还原处理系统，可以对雾霾视频图像进行深度处理，增强视频监视系统在雾、霾天气下的能见度，还原雾霾图像中的目标，使视频监视系统在雾、霾天气下也能发挥监视的效果。该系统可将远距离监视目标的真彩色还原，使被监视目标的图像信息仍为全彩色实时图像，获得目标的全信息视频图像以便更好的鉴别目标。该系统和方法可以对视频图像进行实时处理，“即入即出”输出处理后的视频图像。
本系统应用领域广。实现的装置小型化后，可安装在行车记录仪的视频信号输出端上，将使雾、霾天气下行车增加能见度，减少雾、霾天气下的行车事故；当本装置安装在海防、军舰的视频监视系统上，将增强作战能力。
本系统作为设备，还可以用在岸基及海上平台基的对海观测系统中，以在雾霾天气下也能进行更佳的对海观测，以及能对远距离目标完成目标的真彩色还原。
附图说明
图1为视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统结构示意图；
图2为视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理方法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行清楚完整地描述。显然，具体实施方式所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供了一种视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统和处理方法，采用该处理系统和处理方法，可以对近距离以及远距离的雾霾图像进行处理，过滤掉雾霾颗粒图像对目标图像的影响，同时，还可以对雾霾图像和远距离视频图像进行真彩色还原，更真实的还原目标图像。
视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统，用于对视频图像进行透雾透霾及真彩色还原处理。本实施例所述的视频图像为摄像机等图像采集设备所采集的图像，尤其是指雾霾天气下所采集的视频图像。
视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统结构参考图1，包括视频输入端和视频输出端，视频输入端和视频输出端之间连接有开关，在正常天气下，可接通开关，将视频图像直接输出，在雾霾天下情况下，采用处理系统对视频图像进行处理，断开视频输入端与视频输出端之间的开关连接；处理系统具体包括：
前置电路：前置电路主要用于对待处理视频信号进行整形和放大处理，视频采集装置采集后的视频图像实时传递至前置电路的输入端，经前置电路处理之后再进行后续处理。前置电路的输出端包括两路信号，分别接入亮色分离模块和同步信号分离模块。
亮色分离模块：亮色分离模块用于对视频图像进行亮度和色度分离的处理，经采集的视频图像实时传递至亮色分离模块的输入端，亮色分离模块输出端将输出两路信号，一路输出经分离的亮度信号，对应为亮度信号支路；另一路输出经分离的色度信号，对应为色度信号支路。亮色分离模块可采用亮色分离电路或亮色分离器。
数字滤波单元：与亮色分离模块的亮度信号支路连接，以过滤亮度信号中的高频段信号；这个过程为分离之后雾霾图像的第一次雾霾处理。数字滤波单元可采用数字滤波器。视频图像信号的带宽为0-6MHz，其中雾霾信号对应的为图像信号的高频段信号，约为5-6MHz的信号。数字滤波单元可以将亮度信号频谱中的高频段信号进行第一次过滤，过滤掉5.5-6MHz频段之间的信号，其对应的为雾或霾的细小颗粒图像。
色度信号放大单元：与色度信号支路输出端和亮度信号经数字滤波器处理后的输出端连接，以放大色度信号。色度信号放大单元采用比例放大器，色度信号进入比例放大器对色度信号进行第一级放大处理。色度信号的放大量与亮度信号相关，色度信号的三基色(红(R)、绿(G)、蓝(B))与亮度信号(Y)之间必须满足Y＝0.3R+0.59G+0.11B的等亮度公式。为此，必须将数字滤波器处理输出的亮度信号Y引入比例放大器中，以控制调整比例放大器的比例放大系数。
运算放大器单元：包括第一运算放大单元，第一运算放大单元配置为非线性放大器。第一运算放大单元接收数字滤波单元处理后的亮度信号，以对亮度信号进行第二次处理，对过滤掉雾霾(高频段信号)后的高电平和次高及以下电平信号进行第二次处理。与此同时，第一运算放大单元还进行图像电平的提升工作，对第二次处理之后的视频信号进行电平提升，以实现对目标图像信号电平的提升，还原目标图像。我们称这一次处理为深度的透雾、透霾处理。经过深度处理之后的视频图像，已经很大程度上过滤掉视频图像中的雾霾颗粒，极大的降低了雾霾颗粒图像对目标图像的影响。
运算放大单元进一步包括第二运算放大单元，第二运算放大单元的输入端与第一运算放大单元的输出端、色度放大单元的输出端连接，对第一运算放大单元处理后的视频图像进行亮度和对比度的调整。第二运算放大单元包括频率提升电路，用以对亮度信号的高频段信号幅度进行处理，用以补偿数字滤波时丢失的高频段信号。第二运算放大单元还对处理后的亮度信号和色度信号进行合成，合成之后的信号，第二运算放大器还对其信号的幅度进行处理，使信号达到1Vp-p±0.1Vp-p的标准。
为了更真实的还原原始视频图像的时序信息，需要对视频图像中的行信号进行处理，基于此，处理系统进一步包括同步信号分离模块和控制信号生成模块。同步信号分离模块用于对视频图像进行同步分离处理，并分离出行同步信号；控制信号生成模块：用于根据同步信号分离模块分离出的行同步信号，进行标准化处理，以生成行标准控制信号。行标准信号的标准可参考视频图像处理领域的统一标准。行控制信号生成模块生成的为具有驱动能力的行同步信号，用于系统中各电路模块所需时序和同步信号的统一控制信号，以及亮色合成时所需的复合视频的行同步信号。设置同步信号分离模块和控制信号生成模块之后，同步之后的行标准信号将传递至第二运算放大单元，与亮度信号和色度信号进行合成，以生成标准的复合视频信号。
第一运算放大单元和第二运算放大单元进一步接收运算控制信号。运算控制信号控制第一运算放大单元和第二运算放大单元的信号调整比例。基于此，实时处理系统进一步包括控制调整单元，所述控制调整单元提供两种调整模式，分别为自动调整模式和手动调整模式。因此所述控制调整单元包括自动调整单元和手动调整单元，二者分别与运算放大单元组连接。其中手动调整单元可根据需求手动调整放大器指标，不再赘述。以下将重点论述自动调整单元的调整原理。
自动调整单元包括比较器和控制信号生成器，比较器的输入端分别与同步信号分离模块输出端和控制信号生成模块的输出端连接，比较器的输出端与控制信号生成器的输入端连接，控制信号生成器的输出端与第一运算放大器及第二运算放大器连接。自动调整单元根据同步信号分离单元输出的同步信号与控制信号生成单元输出的信号进行比较，基于二者的差值形成一个自动调整信号。并采用该信号进行运算放大器组的控制。
基于以上系统，可以实时完成采集后雾霾视频图像的透雾透霾处理及真彩色还原，提高雾霾图像的处理质量。
视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理方法，基于视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统而实现。该方法流程参考图2，主要包括以下步骤。
(1)视频图像的亮色分离。
视频图像是亮度信号和色度信号的复合，而雾霾图像的亮度受到雾霾颗粒图像的影响，因此为了对其进行深度处理，首先对采集后的视频图像进行亮色分离，以分离出一路亮度信号和一路色度信号。为了保证信号处理效果，在进行亮色分离之前，可以首先对采集的视频信号进行放大和整形处理。
(2)亮度信号的处理。
第一次亮度信号处理：对亮度信号进行第一次高频段信号过滤处理，过滤掉亮度信号中的高频段信号；
第二次亮度信号处理：第一次处理后的亮度信号进行第二次亮度信号处理，对过滤掉雾霾(高频段信号)后的高电平和次高及以下电平信号进行第二次处理，进行高电平抑制和次高及以下电平的提升。其中，高电平和次高电平信号的标准的设定可以人为设定标 准，信号处理过程中，根据设定的标准判断电平信号是否为高电平信号或次高及以下电平 信号。例如本实施例中，设定0.8Vp-p以上为高电平；0.8Vp-p及以下为次高及以下电平。
(3)色度信号的处理。
第二次亮度信号处理后的亮度信号可以直接与色度信号进行合成。该信号可作为处理后的信号输出。
但，为了保证色度不失真，实时处理方法进一步包括以下步骤：对色度信号进行放大处理，放大处理后的色度信号进行幅度处理，处理后与第二次亮度信号处理后的亮度信号进行合成，形成复合视频信号。该信号可作为处理后的信号输出。
(4)行标准信号分离与合成。
对采集后的视频图像进行同步信号分离，以分离出行同步信号；对分离出的行同步信号进行标准化处理，整形为幅度、脉宽以及行频均标准的具有驱动能力的行同步信号；行同步信号与步骤三中的合成信号进行合成。该信号可作为处理后的信号输出。
在上述方法中，进一步可采用分离出的行同步信号与生成的具有驱动能力的行同步信号进行比较，采用该差值作为第二次亮度信号处理及色度信号幅度处理的控制信号。
采用本发明所述的方法，可以完成对雾霾图像的处理。增强视频系统在雾、霾天气下的能见度，还原雾霾图像中的目标图像；以及实现远距离目标图像的真彩色还原。该系统和方法可以对视频图像进行实时处理，“即入即出”输出处理后的视频图像。

Claims (10)

1.视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统，用于对视频图像进行透雾透霾及真彩色还原处理，其特征在于，包括：
亮色分离模块：用于对视频图像进行亮度和色度分离，亮色分离模块输出端包括亮度信号支路和色度信号支路；
数字滤波单元：与亮色分离模块的亮度信号支路连接，以过滤亮度信号中的高频段信号；
运算放大器单元组：包括第一运算放大及处理单元和第二运算放大单元，所述第一运算放大及处理单元接收数字滤波单元处理后的亮度信号，以对亮度信号进行高电平信号抑制和次高及以下电平提升；所述第二运算放大单元与第一运算放大单元输出端，以及色度信号放大单元的输出端连接。
2.如权利要求1所述的视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统，其特征在于：所述实时处理系统进一步包括色度信号放大单元，所述色度信号放大单元的输入端与色度信号支路输出端和亮度信号输出端连接，以放大色度信号；色度信号放大单元的输出端与第二运算放大单元连接。
3.如权利要求1或2所述的视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统，其特征在于：所述实时处理系统进一步包括：
同步信号分离模块：用于分离出视频图像中的行同步信号；
控制信号生成模块：用于根据同步信号分离模块分离出的行同步信号，进行标准化处理，以生成行标准控制信号；
控制信号生成模块的输出端与色度信号放大单元、第二运算放大单元连接。
4.如权利要求3所述的视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统，其特征在于：所述实时处理系统进一步包括控制调整单元，所述控制调整单元包括自动调整单元，自动调整单元包括比较器和控制信号生成器，比较器的输入端分别与同步信号分离模块输出端和控制信号生成模块的输出端连接，比较器的输出端与控制信号生成器的输入端连接，控制信号生成器的输出端与第一运算放大器及第二运算放大器连接连接。
5.如权利要求4所述的视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统，其特征在于：所述控制调整单元进一步包括手动调整单元，手动调整单元的输出端与第二运算放大器连接。
6.如权利要求1所述的视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统，其特征在于：所述实时处理系统进一步包括用于对视频图像进行处理的前置电路，前置电路的输出端包括两路信号，分别接入亮色分离模块和同步信号分离模块。
7.如权利要求1所述的视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统，其特征在于：所述第二运算放大单元包括频率提升电路，用以补充亮度信号中丢失的高频段信号。
8.视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理方法，采用权利要求1至7中任意一项所述的视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理系统，其特征在于，包括以下步骤：
对采集后的视频图像进行亮色分离，以分离出一路亮度信号和一路色度信号；
对亮度信号进行第一次高频段信号过滤处理，过滤掉亮度信号中的高频段信号；
第一次处理后的亮度信号进行第二次亮度信号处理，对过滤掉雾霾的亮度信号进行高电平信号的抑制和对次高及以下电平信号的提升；
第二次亮度信号处理后的亮度信号与色度信号进行合成，形成复合信号，输出。
9.如权利要求8所述的视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理方法，其特征在于，所述实时处理方法进一步包括以下步骤：对色度信号进行放大处理，放大处理后的色度信号与第二次亮度信号处理后的亮度信号进行合成，形成复合信号，输出。
10.如权利要求8所述的视频图像透雾透霾及真彩色还原实时处理方法，其特征在于，所述实时处理方法进一步包括以下步骤：对采集后的视频图像进行同步信号分离，以分离出行同步信号；对分离出的行同步信号进行标准化处理，整形为幅度、脉宽以及行频均标准的具有驱动能力的行同步信号；行同步信号与第二次亮度信号处理后的亮度信号和色度信号形成的合成信号进行合成，输出。
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