CN112184572B - 一种针对动态视觉传感器事件流的新型去雨方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种针对动态视觉传感器事件流的新型去雨方法。创新地提出基于雨水痕迹在时间方向和水平宽度方向上的稀疏性,将传统的H‑W视角转换为W‑T视角,通过这一转换将雨水从错综复杂的背景环境中提取出来,变成在W‑T平面上近似均匀分布的噪声点,大幅降低了去除雨水的难度;使用中值滤波算法清除雨水痕迹,充分利用了图像中的冗余信息,在去噪的同时能最大程度地保持图像的细节特征。中值滤波的本质是把某点的像素值用该点的一个邻域中各点值的中值代替,让周围的像素值接近的真实值,从而消除孤立的噪声点。W‑T空间内雨水表现为椒盐噪声,中值滤波可以简单高效的滤除这种噪声的同时保护了图像的尖锐边缘。
Description
技术领域
本发明涉及图像恢复、图像去噪技术领域,更具体地,涉及一种针对动态视觉传感器事件流的新型去雨方法及系统。
背景技术
动态视觉传感器,即Dynamic Vision Sensor,是一种基于事件的、应用仿生学概念的特殊传感器。人类因为清晰的视网膜细胞分层和不同视觉通道,具有超高的分辨率、极快的响应速度、强大的并行处理能力,功耗也非常低,能够对场景中的特征信息进行提取,而不是单纯的如同普通传统传感器一样对光照强度进行绝对的数值化呈现。
去雨技术的需求来自户外视觉探测系统所遇到的问题,目前,户外视觉探测系统被广泛应用在物体检测、数据收集以及监控等方面,但是很容易被多种恶劣天气条件所影响,其中包括雨水天气。在雨水天气条件下,高速下落的雨滴会不可避免地在获取的图片中造成动态痕迹,同时,这些雨痕有可能会变形并干扰附近区域。关于去雨问题的研究已经有很多,最早的相关算法利用雨滴在辐射通量密度限制条件下的动态运动来从视频画面中去除雨痕,从此开始,研究人员提出了许多去雨方法,通过利用雨痕在光照表现下的先验值、频域,重复和稀疏的局部模式、时间关联性、联合空间和小波域特征、空间分辨性等特征,从许多不同的角度实现雨痕去除这一目标。但是,目前的去雨技术绝大部分是针对传统照相机所拍摄的照片或视频而设计的,并不适用于DVS所拍摄的视频或图片;同时,针对DVS动态视觉传感器的去雨技术仍处于几乎空白的状态,而动态视觉传感器在视觉探测领域中的应用越来越广泛,也因此,研究针对动态视觉传感器的去雨算法具有非常重要的意义和使用价值。
专利CN106056544A,公开日为2016.10.26;公开了一种视频图像雨滴去除方法及系统,该发明可以有效地建立视频雨条纹噪声模型,提高视频图像去雨的清晰度,但是,该发明的多尺度混合模型是基于传统RGB视频图像的尺度进行处理,并不适用于DVS动态视觉传感器所生成的事件流视频图像。绝大部分现有的去雨算法都是基于传统照相机生成的RGB图像或视频,且都是在高度-宽度(H-W)两个维度对图片进行处理;而DVS动态视觉传感器则是监控每个像素的光照强度变化,当超过设定的阈值时就输出脉冲信号(事件),因此DVS的输出是一个二值图,传统的去雨算法无法对DVS产生的事件流视频在高度-宽度(H-W)两个维度进行处理。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的至少一个缺陷,提供一种针对动态视觉传感器事件流的新型去雨方法及系统,在宽度-时间(W-T)空间对图像进行去雨操作,非常适用于去除均匀分布的噪声点,且算法时间复杂度较低,去噪效果好,避免了传统算法对于单张图像过于复杂的操作处理。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:一种针对动态视觉传感器事件流的新型去雨方法,基于雨痕分布在时间方向和水平宽度方向上的稀疏性与不连续性,提出在宽度-时间即W-T空间对图像进行去雨操作,对图像的高度进行逐像素操作,即对于每一个高度值,检查其对应的W-T平面;具体包括以下步骤:
S1.创建缓冲队列:创建一个存储DVS视频流的、深度为d的先入先出缓存队列Q(h×w×d);当有新的事件帧/视频帧进入Q时,如果Q中已经存在d帧,则将其中最早进入的帧移出;
S5.继续循环处理队列Q:从Q中弹出原始帧I1,Q中不为空时回到步骤S2,Q中为空时等待输入;
其中,DVS输出的事件流本质上是一系列H-W空间内二值图像的组合[I1,I2,…,It],/>是一个二维张量,为H-W平面的切片;三维张量/>h为事件帧/视频帧的高;w为事件帧/视频帧的宽;Q为待去雨的图片的队列空间;/>为H-W平面的Ii对应的去噪结果;/> 为H-W平面的/>对应的边缘损失修复结果。
在其中一个实施例中,所述的步骤S2具体包括:
S21.备份:复制Q中的原始帧I1;
在其中一个实施例中,所述的中值滤波是通过搜索窗口中的中间像素值来替换掉目标像素值。
在其中一个实施例中,所述的步骤S23具体包括:
在其中一个实施例中,所述的步骤S3具体包括:
S31.像素p在图片中的位置是I(hp,wp),在定义的窗口(大小为2r+1)中的邻域像素为:
H(p,r)=q(hq,wq)|hq∈[hp-r,hp+r],wq=wp};
本发明还提供一种针对动态视觉传感器事件流的新型去雨系统,基于雨痕分布在时间方向和水平宽度方向上的稀疏性与不连续性,提出在宽度-时间即W-T空间对图像进行去雨操作,对图像的高度进行逐像素操作,即对于每一个高度值,检查其对应的W-T平面;其中,包括缓存队列创建模块、原始帧I1处理及去噪模块、原始帧I1修复模块;
所述的缓存队列创建模块用于创建一个存储DVS视频流的、深度为d的先入先出缓存队列Q(h×w×d);当有新的事件帧/视频帧进入Q时,如果Q中已经存在d帧,则将其中最早进入的帧移出;
其中,DVS输出的事件流本质上是一系列H-W空间内二值图像的组合[I1,I2,…,It],/>是一个二维张量,为H-W平面的切片;三维张量/>h为事件帧/视频帧的高;w为事件帧/视频帧的宽;Q为待去雨的图片的队列空间;/>为H-W平面的Ii对应的去噪结果;/> 为H-W平面的/>对应的边缘损失修复结果。
在其中一个实施例中,所述的原始帧I1处理及去噪模块包括备份单元、空间域转换单元、中值滤波去噪单元以及空间域逆转换单元;
所述的备份单元用于复制Q中的原始帧I1;
在其中一个实施例中,所述的中值滤波去噪单元具体处理步骤包括:
在其中一个实施例中,所述的原始帧I1修复模块利用备份的原始帧I1对进一步进行图像复原以恢复在中值滤波去噪单元中擦除的有效信息和边缘信息,其中,像素p在图片中的位置是I(hp,wp),在定义的窗口(大小为2r+1)中的邻域像素为:
H(p,r)=q(hq,wq)|hq∈[hp-r,hp+r],wq=wp};
与现有技术相比,有益效果是:
1.创新地提出基于雨水痕迹在时间方向和水平宽度方向上的稀疏性,将传统的高度-宽度(H-W)视角转换为宽度-时间(W-T)视角,通过这一转换将雨水从错综复杂的背景环境中提取出来,变成在W-T平面上近似均匀分布的噪声点,大幅降低了去除雨水的难度;
2.使用中值滤波算法清除雨水痕迹,充分利用了图像中的冗余信息,在去噪的同时能最大程度地保持图像的细节特征。中值滤波的本质是把某点的像素值用该点的一个邻域中各点值的中值代替,让周围的像素值接近的真实值,从而消除孤立的噪声点。W-T空间内雨水表现为椒盐噪声,中值滤波可以简单高效的滤除这种噪声的同时保护了图像的尖锐边缘;
3.本方法能够结合DVS拍摄的原始图像与去除雨痕之后的图像,通过与邻域像素点的对比,恢复去噪时误删的物体的边缘细节像素点,增强去噪的准确性,将运动中的物体更精确地从背景中提取出来;
综上所述,本方法针对DVS动态视觉传感器的事件流,以一个全新的角度解决雨水去除问题,算法操作简单,时间消耗低,雨水去除效果显著,具有重要的实践意义和价值。
附图说明
图1是本发明方法流程图。
图2是本发明空间域转换示意图,将三维视频数据由以时间轴逐帧读取高度-宽度(H-W)平面的图像转为以高度轴逐层读取宽度-时间(W-T)平面的图像。
图3是本发明DVS视频流的空间域转换示意图,可以观察到在宽度-时间(W-T)平面中运动物体的移动轨迹是连续的曲线,而雨水及噪点在在宽度-时间(W-T)平面。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明,不能理解为对本发明的限制;为了更好说明本实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对于本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明,不能理解为对本发明的限制。
实施例1:
本实施例针对传统照相机的缺点,使用DVS动态视觉传感器采用新型的仿生原理图像传感器芯片,全时全速追踪运动物体,有效过滤冗余背景信息,雨滴痕迹的稀疏性在DVS中体现的更为明显,也因此更容易区分;同时输出运动物体的结构化场景信息,实现感知端预处理,减轻后端信号处理算法的复杂度,并使用消耗更少计算资源的处理器来实现实时处理能力。
针对传统去雨算法时间复杂度较高、稳定性与泛化性不足等问题,本发明基于雨痕分布在时间方向和水平宽度方向上的稀疏性与不连续性,即:由于雨滴下落方向接近竖直,且水平方向分布较为稀疏(水平稀疏性),而同一个像素点在不同时刻连续存在雨痕的概率非常小,几乎可以忽略不计(时间稀疏性),从而创新性地提出在宽度-时间(W-T)空间对图像进行去雨操作。
如图2(a)所示,在通常情况下我们对图片进行逐帧操作,即按照固定的时间间隔对每一帧图像进行操作;如图2(b)所示,在全新的宽度-时间(W-T)空间中,我们对图像的高度进行逐像素操作,即对于每一个高度值,检查其对应的W-T平面。
在这个全新的W-T平面上,由于雨水在时间和水平宽度两个维度方向上的稀疏性与不连续性,所产生的图像中的雨水将会是均匀分布的、十分容易去除的噪声点,避免了像传统方法一样直接在原始像素图片中进行操作,需要面对极其复杂的处理环境;其次,在DVS输出的事件流中只会提取运动物体的信息,而不会有静态背景的信息,避免了将雨痕与背景图像的分析比较,增强了方法的稳定性和泛化性;最后,本发明所使用的去雨算法非常适用于去除均匀分布的噪声点,且算法时间复杂度较低,去噪效果好,避免了传统算法对于单张图像过于复杂的操作处理。
DVS输出的事件流的相关符号定义:
DVS输出的事件流本质上是一系列H-W空间内二值图像的组合[I1,I2,…,It],是一个二维张量,/>是三维张量,/>为无噪声的事件流,/>为雨水/滴噪声,/>为噪声,本发明的目的为从DVS事件流/>中提取并去除掉雨滴/水噪声/>
如图1所示,具体包括以下步骤:
步骤1.创建缓冲队列
创建一个存储DVS视频流的、深度为d的先入先出(FIFO)缓存队列Q(h×w×d);当有新的事件帧/视频帧进入Q时,如果Q中已经存在d帧,则将其中最早进入的帧移出。
步骤2.处理Q中的原始帧I1,对其去噪
S21.备份:复制Q中的原始帧I1;
S23.基于中值滤波对W-T空间中图像逐帧去噪;在W-T空间中,雨滴/水近似为均匀噪声,而视频中其他的运动物体在W-T平面上表现为一些与水平面上运动轨迹相关的曲线。因此本发明基于中值滤波对W-T空间中h个大小为w×d的图像/>去除雨水噪声(Algorithm 1),中值滤波是通过搜索窗口中的中间像素值来替换掉目标像素值;/>
Algorithm 1W-T空间的去雨算法
首先,像素p在图片中的位置是I(hp,wp),在定义的窗口(大小为2r+1)中的邻域像素为:
H(p,r)={q(hq,wq)|hq∈[hp-r,hp+r],wq=wp}
步骤5.继续循环处理队列Q
从Q中弹出原始帧I1,Q中不为空时回到步骤S2,Q中为空时等待输入;
基于此,本发明可以在尽可能保留边缘和有用信息的前提下,简单高效地去除DVS事件流中的雨水噪声。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种针对动态视觉传感器事件流的新型去雨方法,其特征在于,基于雨痕分布在时间方向和水平宽度方向上的稀疏性与不连续性,提出在宽度-时间即W-T空间对图像进行去雨操作,对图像的高度进行逐像素操作,即对于每一个高度值,检查其对应的W-T平面;具体包括以下步骤:
S1.创建缓冲队列:创建一个存储DVS视频流的、深度为d的先入先出缓存队列Q,大小为h×w×d;当有新的事件帧/视频帧进入Q时,如果Q中已经存在d帧,则将其中最早进入的帧移出;
S21.备份:复制Q中的原始帧I1;
S23.基于中值滤波对W-T空间中图像逐帧去噪;将W-T平面中的未去雨帧逐帧进行中值滤波得到结果/>通过搜索窗口中的中间像素值来替换掉目标像素值;将中值滤波结果/>进行阈值滤波,得到/>将/>和/>逐元素相乘,得到对应的/>其中,/>为W-T平面的/>对应的中值滤波结果;/>为W-T平面的/>的阈值滤波结果;
S5.继续循环处理队列Q:从Q中弹出原始帧I1,Q中不为空时回到步骤S2,Q中为空时等待输入;
2.根据权利要求1所述的针对动态视觉传感器事件流的新型去雨方法,其特征在于,所述的中值滤波是通过搜索窗口中的中间像素值来替换掉目标像素值。
5.一种针对动态视觉传感器事件流的新型去雨系统,其特征在于,基于雨痕分布在时间方向和水平宽度方向上的稀疏性与不连续性,提出在宽度-时间即W-T空间对图像进行去雨操作,对图像的高度进行逐像素操作,即对于每一个高度值,检查其对应的W-T平面;其中,包括缓存队列创建模块、原始帧I1处理及去噪模块、原始帧I1修复模块;
所述的缓存队列创建模块用于创建一个存储DVS视频流的、深度为d的先入先出缓存队列Q,大小为h×w×d;当有新的事件帧/视频帧进入Q时,如果Q中已经存在d帧,则将其中最早进入的帧移出;
其中,所述的原始帧I1处理及去噪模块包括备份单元、空间域转换单元、中值滤波去噪单元以及空间域逆转换单元;
所述的备份单元用于复制Q中的原始帧I1;
所述的中值滤波去噪单元具体处理步骤包括:
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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