EP2777271A2 - Verfahren zur durchführung einer dynamikkompression in der verkehrsfotografie - Google Patents

Verfahren zur durchführung einer dynamikkompression in der verkehrsfotografie

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EP2777271A2
EP2777271A2 EP12794852.9A EP12794852A EP2777271A2 EP 2777271 A2 EP2777271 A2 EP 2777271A2 EP 12794852 A EP12794852 A EP 12794852A EP 2777271 A2 EP2777271 A2 EP 2777271A2
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EP
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gray
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original
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EP12794852.9A
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Jenoptik Robot GmbH
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    • H04N19/102—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using adaptive coding characterised by the element, parameter or selection affected or controlled by the adaptive coding
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    • H04N19/90—Methods or arrangements for coding, decoding, compressing or decompressing digital video signals using coding techniques not provided for in groups H04N19/10-H04N19/85, e.g. fractals
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    • H04N9/00—Details of colour television systems
    • H04N9/64—Circuits for processing colour signals
    • H04N9/646—Circuits for processing colour signals for image enhancement, e.g. vertical detail restoration, cross-colour elimination, contour correction, chrominance trapping filters

Definitions

  • the invention relates to a method for performing dynamic compression in traffic photography for more detailed representation in images that were created in connection with traffic surveillance systems.
  • the object of the invention is to find a way to achieve a more detailed representation of the dark areas in digitally obtained images of traffic photography, excluding the different subjective influences from the editing staff, without losing the information of the brighter areas.
  • this object is achieved by a method for carrying out a dynamic compression in traffic photography.
  • the arithmetic mean value is calculated over all gray values G (Sii; z i2 ) according to
  • a gain parameter p and a blur factor b are then determined.
  • a blurred gray value image (contrast mask) [U] with the gray values Xu, by blurring with the Blur factor b is created to finally the desired new image [N] with the pixels x N i by superimposing the image original [F] with the pixels x F i with the blurred gray value image (contrast mask) [U] with the pixels Xu, with the inclusion of Gain parameter p and an exponent Vu.
  • the particular advantage of the method according to the invention is that the dark areas are automatically lightened, particularly in the case of color images with high dynamics, in order to better visualize details that are initially not visible in these areas, but without destroying the information in the brighter areas.
  • This method can be applied both in the camera immediately after the detection in such a way that all the image original are automatically lightened or after the image sources have been stored on a storage medium.
  • the temporally downstream brightening can take place in the camera at a time in which no image original is detected, or on a separate arithmetic unit, for example on a computer in a back office.
  • the starting point for the method can be both a monochrome gray value image [F] and a color image [F] with the usual 3 channels (RGB).
  • the gray value image mask with its gray values x G i is thereby generated by converting the individual R, G and B pixels as follows:
  • each pixel is then split again into an R, G and B pixel.
  • Fig. 1 shows a schematic sequence of the method based on a color image
  • floating point Since all computers today use so-called floating-point, floating-point, floating-point or floating-point arithmetic ("floating point"), at the beginning of the process all color values from fixed-point arithmetic (integer) to floating-point arithmetic, i. H. Floating point numbers converted to keep rounding errors in the calculation steps as low as possible.
  • each R, G and B value for each pixel is divided by 65,536.0:
  • Gray values x G i, where i 1, ..., n * m, created.
  • the starting point for the method can be both a monochrome gray value image [F] and a color image [F] with the usual 3 channels (RGB).
  • the color image [F] is first converted into a monochrome image.
  • a copy of the image original [F] is first generated from the color image [F] and subsequently converted into a monochrome image [G].
  • the gray value image [G] with its gray values x G i is generated by converting the individual R, G and B pixels as follows:
  • a blurred gray scale image is generated for later use.
  • the blur filter eg a Gaussian filter
  • a two-dimensional filter H (x, y) can be separated into two one-dimensional filters H (x) and H (y).
  • the original image [F] is compared pixel by pixel with the blurred gray value image [U] (contrast mask).
  • the calculation takes place as a function of a gain parameter p determined once for all calculations of an image and of the pixel-dependent parameter x ui, which both flow into the exponent specific for each pixel.
  • gain parameter p is first used with the aid of the arithmetic mean value
  • v Ui 10l 50
  • x ui are the values of the blurred gray value image (contrast mask)
  • p is the gain parameter calculated using the arithmetic mean value x. The dark parts of the picture are amplified without changing the bright picture parts too much.
  • FIGS. 1 and 2 the process sequences explained in greater detail above are illustrated schematically, wherein in FIG. 1 a color image and in FIG. 2 a monochromatic image are assumed.
  • Gray value image (gray value mask) with gray values x G i

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Dynamikkompression in der Verkehrsfotografie zur detailgetreueren Darstellung in Bildern, die im Zusammenhang mit Verkehrsüberwachungsanlagen erstellt wurden. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu finden, um bei digital gewonnenen Bildern der Verkehrsfotografie, unter Ausschluss der unterschiedlichen subjektiven Einflüsse vom bearbeitenden Personal, eine detailgetreuere Darstellung der dunklen Bereiche zu erreichen, ohne dass dabei die Informationen der helleren Bereiche verloren gehen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Durchführung einer speziellen Dynamikkompression in der Verkehrsfotografie gelöst.

Description

Verfahren zur Durchführung einer Dynamikkompression in der Verkehrsfotografie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung einer Dynamikkompression in der Verkehrsfotografie zur detailgetreueren Darstellung in Bildern, die im Zusammenhang mit Verkehrsüberwachungsanlagen erstellt wurden.
In der Verkehrsfotografie werden zumeist Bilder erstellt, bei denen der Fahrer im Fahrzeuginnenraum sehr dunkel, hingegen das Kennzeichen durch seine retroreflektierende Eigenschaft stark überstrahlt erscheint. Um die dunklen Bereiche in Bildern mit hoher Dynamik aufzuhellen und kontrastarme Details in diesen Bereichen besser sichtbar zu machen, ohne die Informationen in den helleren Bereichen zu zerstören, kann eine Dynamikkompression oft erfolgreich angewendet werden. Hierbei wird eine Kopie des Bildes in eine Kontrastmaske umgewandelt und mit dem Bild überlagert. Dabei müssen für jedes Bild Helligkeit und Kontrast manuell angeglichen werden, damit die so korrigierten Bilder nicht unnatürlich oder gar wie eine Fotomontage aussehen.
Wenn nun die Bilder von den Verkehrsüberwachungsanlagen in den Auswertebüros (Backoffice) der Behörden oder beauftragen Organisationen ausgewertet werden, müssen täglich mehrere tausend Bilder manuell angeglichen werden, was einen erheblichen zeitlichen Mehraufwand, aber auch eine zusätzliche Belastung des Personals mit sich bringt. In Extremfällen kann es zur Verjährung von Bußgeldern kommen, wenn sich ein Stau in der Abarbeitung der Bilder ergibt. Weiterhin unterliegt die manuelle Angleichung den subjektiven Einflüssen der jeweiligen Person, die das Bild bearbeitet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu finden, um bei digital gewonnenen Bildern der Verkehrsfotografie, unter Ausschluss der unterschiedlichen subjektiven Einflüsse vom bearbeitenden Personal, eine detailgetreuere Darstellung der dunklen Bereiche zu erreichen, ohne dass dabei die Informationen der helleren Bereiche verloren gehen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Durchführung einer Dynamikkompression in der Verkehrsfotografie gelöst. Ausgehend von einem digital vorliegenden Bildoriginal mit den Bildpunkten xFi , unterteilt in n Spalten s und m Zeilen z:
wird zunächst eine Grauwertbildmaske [G] mit den Grauwerten G(Sii ;zi2) erstellt, wobei = {1 ,...,m} und i2 = {1 ,...,n} ist. Im weiteren Verfahrensablauf wird zunächst der arithmetische Mittelwert über alle Grauwerte G(Sii;zi2) gemäß
Λ m n
9 = * Σ T G(sn; zi2)
n * m i1 = 1 i2 = 1 ermittelt bzw. berechnet. Da es sich bei dem Mittelwert g lediglich um einen arithmetischen Mittelwert x handelt, können zur Vereinfachung auch alle Bildpunkte XQ der Grauwertbildmaske mit i = {1 ,...,n * m} aufsummiert und nach folgender Formel errechnet werden: n * m
; I(xGi) - n * m i = 1
Aus dem arithmetischen Mittelwert x wird dann ein Verstärkungsparameter p und ein Unschärfefaktor b ermittelt. Anschließend wird ein unscharfes Grauwertbild (Kontrastmaske) [U] mit den Grauwerten Xu, durch Weichzeichnen mit dem Unschärfefaktor b erstellt, um abschließend das gewünschte neue Bild [N] mit den Bildpunkten xNi durch überlagern des Bildoriginals [F] mit den Bildpunkten xFi mit dem unscharfen Grauwertbild (Kontrastmaske) [U] mit den Bildpunkten Xu, unter Hinzuziehung des Verstärkungsparameters p und eines Exponenten Vu, zu generieren.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die dunklen Bereiche insbesondere bei Farbbildern mit hoher Dynamik automatisch aufgehellt werden, um zunächst nicht sichtbare Details in diesen Bereichen besser sichtbar zu machen, ohne jedoch die Informationen in den helleren Bereichen zu zerstören. In der Verkehrsfotografie ist dies besonders vorteilhaft, da der Fahrer meist sehr dunkel abgebildet ist, während das Kennzeichen mit seinen retroreflektierenden Eigenschaften stark überstrahlt wird. Dieses Verfahren kann sowohl in der Kamera unmittelbar nach der Erfassung derart angewendet werden, dass alle Bildoriginale automatisch aufgehellt werden, oder zeitlich nachgelagert, nach dem die erfassten Bildoriginale auf einem Speichermedium abgespeichert wurden. Die zeitlich nachgelagerte Aufhellung kann in der Kamera zu einem Zeitpunkt erfolgen, in der keine Bildoriginale erfasst werden, oder auf einer separaten Recheneinheit, beispielsweise auf einem Rechner in einem Backoffice.
Ausgangspunkt für das Verfahren kann sowohl ein monochromes Grauwertbild [F] als auch ein Farbbild [F] mit den üblichen 3 Kanälen (RGB) sein. Im Falle der Farbbilder wird die Grauwertbildmaske mit seinen Grauwerten xGi dadurch generiert, indem die einzelnen R, G und B Bildpunkte wie folgt umgerechnet werden:
Beim abschließenden Generieren des neuen Farbbildes [N] wird dann jeder Bildpunkt wieder in einen R, G und B Bildpunkt aufgesplittet.
Um Rundungsfehler weitgehend zu unterdrücken, ist es von Vorteil, den Rechner, der üblicherweise auf die Festkommaarithmetik eingestellt ist, auf die Fließkommaarithmetik umzustellen. Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Ablauf des Verfahrens anhand eines Farbbildes und
Fig.2 einen schematischen Ablauf des Verfahrens anhand eines monochromatischen Bildoriginals.
Da alle heutigen Rechner sogenannte Gleitkomma-, Fließpunkt-, Gleitpunkt- oder Fließkommaarithmetik (engl, "floating point") verwenden, werden zu Beginn des Verfahrens alle Farbwerte von der Festkommaarithmetik (Integer) in Gleitkommaarithmetik, d. h. Fließkommazahlen umgerechnet, um Rundungsfehler in den Rechenschritten möglichst gering zu halten.
Für die Umrechnung in eine Fließkommazahl wird jeder einzelne R, G und B Wert für jeden Bildpunkt (Pixel) jeweils durch 65.536,0 geteilt:
Int -> Fließkomma
65.536,0
Im ersten Schritt wird von einem digital vorliegenden Bildoriginal [F] mit den Bildpunkten xFj mit i=1 ,...,n*m, zunächst eine Grauwertbildmaske [G] mit den
Grauwerten xGi, wobei i=1 ,...,n*m ist, erstellt. Ausgangspunkt für das Verfahren kann sowohl ein monochromes Grauwertbild [F] als auch ein Farbbild [F] mit den üblichen 3 Kanälen (RGB) sein.
Bei einem Farbbild [F] liegt für jeden Bildpunkt xFj ein R,-, G,- und Bi-Wert vor. Die Rr, Gi- und Bi-Werte stellen für jeden Bildpunkt ein Wertetripel dar. Dagegen liegt bei einem monochronem Bildoriginal nur ein einzelner Grauwert für jedes xpjvor. Inn Falle eines monochromen Bildoriginals [F] wird lediglich eine Kopie des Bildoriginals [F] erzeugt, die dann der Grauwertbildmaske [G] entspricht.
Dagegen wird im Falle eines farbigen Bildoriginals zunächst das Farbbild [F] in ein monochromes Bild umgewandelt. Hierzu wird von dem Farbbild [F] zunächst eine Kopie des Bildoriginals [F] erzeugt und im Anschluss dieses in ein monochromes Bild [G] umgewandelt. Hierzu wird das Grauwertbild [G] mit seinen Grauwerten xGi dadurch generiert, dass die einzelnen R, G und B Bildpunkte wie folgt umgerechnet werden:
R; + G; + B:
Grauwerte XQ =— ■ L ,
3 so dass die errechneten Helligkeitswerte anschließend als Grauwerte den entsprechenden Bildpunkten xGi des zu generierenden Grauwertbildes [G] zugeordnet sind.
Im zweiten Schritt wird aus dem Grauwertbild [G], der arithmetische Mittelwert x über alle Grauwerte XGI , mit i=1 ,...,n*m, errechnet, das aus einem monochromen Bildoriginal [F] kopiert oder aus einem Farbbild [F] generiert wurde, ermittelt bzw. berechnet:
1 n * m
Arithmetischer Mittelwert x = * £(xGi) .
n * m ; _ Λ
Im dritten Schritt wird durch Anwendung eines Unschärfefilters, ein unscharfes Grauwertbild zur späteren Verwendung generiert. Der Unschärfefilter (z. B. ein Gaußfilter) reduziert dabei zwischen benachbarten Punkten die Differenz der Grauwerte (Kontrast). Da es sich um eine Tiefpassfilterung handelt, gehen kleine Strukturen verloren, große dagegen bleiben erhalten. Ein gängiger Unschärfefilter ist ein Gaußfilter, bei dem der Grauwert jedes Bildpunkts der Kontrastmaske xUi bei einem zweidimensionalen Bild durch xui = h(x,y) durch folgende Formel beschreibt: x +y
1 —
h(x,y) = ^ e 2σ'
Auf das erfindungsgemäße Verfahren bezogen bedeutet dies, dass s für x, z für y und b für σ einzusetzen ist. Dabei ist b der Unschärfefaktor, der aus dem arithmetische Mittelwert x des Grauwertbildes [G] mit folgender Formel b = 4 * x errechnet wird, wobei die funktionellen Zusammenhänge empirisch aus mehreren Bildreihen mit unterschiedlichen Beleuchtungssituationen ermittelt wurden. Zur Reduzierung des Rechenaufwandes kann ein zweidimensionaler Filter H(x,y) in zwei eindimensionale Filter H(x) und H(y) separiert werden. Somit wird dieser beispielsweise nur auf die direkten Nachbarn zum einen in der Horizontalen und zum anderen in der Vertikalen angewendet und reduziert so den Rechenaufwand um ein Vielfaches.
Somit ergibt sich jeder Grauwert xui mit i=1 ,...,n*m für jeden Punkt der Kontrastmaske [U] durch Anwendung des Gaußfilters auf jeden Punkt xGi mit i=1 ,...,n*m, unter Berücksichtigung der Kontrastwerte der jeweiligen Nachbarpunkte, des Grauwertbildes [G].
Im vierten Schritt wird das Bildoriginal [F] mit dem unscharfen Grauwertbild [U] (Kontrastmaske) pixelweise verrechnet. Die Verrechnung erfolgt in Abhängigkeit von ein für alle Rechnungen eines Bildes einmal ermittelten Verstärkungsparameter p und dem pixelabhängigen Parameter xui die beide in den für jeden Pixel spezifischen Exponenten einfließen. Durch diese Art der Verrechnung bleibt der natürliche Eindruck im neu generierten Bild [N] erhalten. Hierzu wird zunächst unter Hinzuziehung des arithmetischen Mittelwertes Verstärkungsparameter p mit
10 + ( °°°-)
55 + x errechnet.
Anschließend werden die Bildpunkte R, G und B des neuen Farbbildes [N] für jeden einzelnen Bildpunkt der R,-, G,- und Bi-Wertmit i=1,...,n*m wie folgt ermittelt: für den Fall, dass xu,< 0,5:
RNi =1-(1-RFi)v- GNi=1-(1-GFi)v- BNi=1-(1-BFi)v- für den Fall, dass x,
RNi = RnVui
GNi = GFi v- BNi = BFi Vui , wobei in beiden Fällen der Exponent pixelweise wie folgt berechnet wird:
(2xui-1)
vUi =10l 50 und dabei xui die Werte des unscharfen Grauwertbildes (Kontrastmaske) sind und p der Verstärkungsparameter, der unter Hinzuziehung des arithmetischen Mittelwertes x berechnet wurde. Die dunklen Partien des Bildes werden dabei verstärkt, ohne die hellen Bildpartien all zu stark zu verändern.
Abschließend werden für jeden Bildpunkt die Fließkonnnnazahlen der R, G und B Werte durch Multiplikation mit 65.536,0 wieder zurück in einen ganzahligen Integer umgerechnet:
Fließkomma -> Int
-> x * 65.536,0
In den Figuren 1 und 2 sind selbsterklärend die oben näher erläuterten Verfahrensabläufe schematisch dargestellt, wobei in Fig. 1 von einem Farbbild und in Fig. 2 von einem monochromatischen Bild ausgegangen wird.
Bezeichnungen
Grauwertbild (Grauwertmaske) mit Grauwerten xGi
arithmetischer Mittelwert x
Verstärkungsparameter p
Unschärfefaktor b
Exponent vu,
Bildoriginal [F]
neues Farbbild/neu generiertes Bild [N]
unscharfes Grauwertbild (Kontrastmaske) [U] mit Grauwerten x, neue Bildpunkte XNI

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Durchführung einer Dynamikkonnpression in der Verkehrsfotografie, ausgehend von einem digital vorliegenden Bildoriginal mit n*m Bildpunkten, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Erstellen einer Grauwertbildmaske [G] mit Grauwerten xGi vom Bildoriginal, wobei i=1 n*m ist,
- Errechnen des arithmetischen Mittelwertes
1 n * m
x = * E( Qi) .
n * m j =
- Ermitteln eines Verstärkungsparameters p und eines Unschärfefaktors b,
- Erstellen eines unscharfen Grauwertbildes [U] mit Grauwerten xui durch weichzeichnen der Grauwerte XQ mit dem Unschärfefaktor b und
- Erstellen eines neuen Bildes [N] durch überlagern des Bildoriginals [F] mit dem unscharfen Grauwertbild [U] unter Hinzuziehung des Verstärkungsparameters p.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines monochromen Bildoriginals [F] die erstellte Grauwertbildmaske [G] eine Kopie des Bildoriginals ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines Bildoriginals [F] bestehend aus R, G und B Bildpunkten, die Grauwertbildmaske [G] dadurch erstellt wird, indem die Grauwerte XQ berechnet werden durch
_ Ri + Gi +
xGi —
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unschärfefaktors b berechnet wird durch
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsparameter p berechnet wird durch
10 + A 55 + x
6. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die neuen Bildpunkte XNI ermittelt werden bei xUi < 0,5 durch xNi = 1 - (1 - xFi)v und bei xui > 0,5 durch
XNi = Fi
(2xui -1
50
wobei Vy j = 10 ist.
Verfahren nach Anspruch 1 , 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildpunkte RNI , GNI , BNi ermittelt werden bei xUi < 0,5 durch und bei xui > 0,5 durch
RNi = RFiVui . GNi = GFiVui . BN1 = BF|V
(2xui -1)
50
wobei Vy j = 10 ist.
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