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視頻透霧原理加視頻增強Retinex算法介紹
-上海凱視力成 鍾建軍
一、 視頻增強的背景
視覺信息是人類獲得外界信息的主要來源，因爲大約有70%的信息是通過人眼獲得的。隨着多媒體技術飛速發展，視頻圖像得到了廣泛重視和應用,其應用領域遍及廣播電視、醫學、保安監控、車場管理、軍事及生命科學等方面。視頻採集技術與顯示技術的提升，使得人們對畫質的要求越來越高，但是在各類圖像系統中圖像的傳送和轉換(如成像、複製、掃描、傳輸以及顯示等)總要在一定程度上造成圖像質量的降低。例如一些戶外監控系統往往只能在晴天下才能正常工作，在大霧、沙塵等惡劣天氣或者低光照情況下圖像對比度大大降低，人們無法從中得到有用信息。不僅如此，長期觀看品質低下的視頻可能會加重人們眼睛的負擔，容易產生視覺疲勞，甚至會頭暈目眩。在出現大霧、大雨、沙塵等惡劣天氣時，戶外景物圖像的對比度和顏色都會被改變或退化，圖像中蘊含的許多特徵都被覆蓋或模糊，得到的是退化圖像，對於各類監控都造成了極大的困難，因此，要充分發揮監視視頻的效能，就必須對監視視頻圖像進行增強處理。在軍事偵察、監視方面，爲了實施正確指揮，取得作戰勝利，現代戰爭對軍事偵察提出了更高的要求，廣泛應用先進科學技術，進一步擴大偵察的範圍，提高偵察的時效性和準確性。因此，軍事偵察、監視中用到的視頻圖像的品質尤爲重要，退化的視頻圖像對信息的識別與處理會造成偏差，而這種偏差的後果是非常嚴重的，因此視頻增強技術應運而生。
二、 視頻增強算法（Retinex算法）的基本原理
Retinex算法簡介
Retinex（視網膜”Retina”和大腦皮層”Cortex”的縮寫）理論是一種建立在科學實驗和科學分析基礎上的基於人類視覺系統（HumanVisual System）的圖像增強理論。該算法的基本原理模型最早是由EdwinLand（埃德溫•蘭德）於1971年提出的一種被稱爲的色彩的理論，並在顏色恆常性的基礎上提出的一種基於理論的圖像增強方法。Retinex理論的基本內容是物體的顏色是由物體對長波（紅）、中波（綠）和短波（藍）光線的反射能力決定的，而不是由反射光強度的絕對值決定的；物體的色彩不受光照非均性的影響，具有一致性，即Retinex理論是以色感一致性（顏色恆常性）爲基礎的。
不同於傳統的圖像增強算法，如線性、非線性變換、圖像銳化等只能增強圖像的某一類特徵，如壓縮圖像的動態範圍，或增強圖像的邊緣等，Retinex可以在動態範圍壓縮、邊緣增強和顏色恆常三方面達到平衡，因此可以對各種不同類型的圖像進行自適應性地增強。正因爲Retinex諸多良好的特性，使Retinex算法在很多方面得到了廣泛的應用。
在諸多以Retinex爲核心的算法中，單尺度（Single-Scale Retinex, SSR）算法，多尺度（Multi-Scale Retinex,MSR）算法是最具有代表性和最成熟的算法。
單尺度（Single-Scale Retinex,SSR）算法原理根據Land提出的理論，一幅給定的圖像S(x,y)分解成兩幅不同的圖像：反射物體圖像R(x,y)和入射光圖像L(x,y)，其原理示意圖如下：
圖1：Retinex原理示意圖
對於觀察圖像S中的每個點(x,y)，用公式可以表示爲： S(x,y)=R(x,y)﹒L(x,y) （1）
據Retinex 理論，物體的顏色是由物體對光線的反射能力決定的，而物體對光線的反射能力是物體本身固有的屬性，與光源強度的絕對值沒有依賴關係。因此通過計算各個像素間的相對明暗關係，可以對圖像中的每個像素點做校正，從而確定該像素點的顏色。
單尺度（Single-Scale Retinex,SSR）算法在對數域中則表示爲：
根據上面（2）式的原理，Retinex理論進行圖像增強的關鍵是從原圖像中有效的信息計算出亮度圖像L(x,y)。但是從原圖像計算亮度圖像在數學上是一個奇異問題，因此只能通過數學上近似估計的方式估算亮度圖像。在Retinex算法的發展史中，曾經出現過平方反比的環繞形式、指數形式以及高斯指數形式，但在單尺度Retinex增強算法中，傑泊森(Jobson)論證了高斯卷積函數可以對源圖像提供更局部的準確處理，因而可以更好地增強圖像，其可以表示爲：
其中λ是常量矩陣,c是濾波半徑，並且滿足：
c越小，灰度動態範圍壓縮的越多，c越大，圖像銳化的越厲害。因此亮度圖像最終可以表示爲：
單尺度（SSR）可以表示爲：
三、視頻增強的在國內外研究現狀及發展趨勢
視頻圖像增強是視頻圖像處理領域的一個傳統的話題，同時又一直是較爲活躍的研究領域，不斷有新方法和新手段引入使該領域保持旺盛的生命力，並不斷有新成果面世。視頻增強技術己經廣泛應用於軍事、醫學、遙感以及視頻檢測等方面。
在軍事方面，由於觀察距離遠及氣候惡劣，獲取的視頻往往存在目標和背景混淆不清，很難區分等，需要進行增強處理才能將感興趣的目標凸顯出來；醫學方面，由於成像的固有特點，醫學圖像往往很暗，模糊不清，很難辨別出病變組織和正常組織，需要圖像增強處理以突出病變組織；遙感方面，如農情遙感監測，進行農作物分類需要應用圖像增強技術以提高分類的精度；在公共安全方面，人像、指紋及其他痕跡的處理和識別，以及跟蹤、事故分析等應用領域，也都需要圖像增強處理來突出圖像的特徵。各類視頻監控系統也急需視頻圖像增強功能以彌補現有系統的不足，提高視頻圖像的對比度、提高監控效果與目標識別、改善光照不均勻等現象，得到視覺效果更好、有利於進一步分析和判讀的視頻圖像。隨着科技的發展，現階段各行業對低能見度圖像、視頻增強處理的需求將會越來越多。
從國內外的一些對視頻圖像增強的研究情況可以看出，大都是採用視頻圖像的後續處理方法來進行的，現在的發展趨勢是對動態視頻圖像進行快速實時增強，使得人們可以更有效地利用視頻圖像。視頻增強技術的研究和運用領域，在軍用上特別多，在民用上還主要是用在一些特定場所。但隨着人們生活中數字化程度的提高，視頻技術的不斷髮展和更新，視頻將越來越多的得到廣泛應用。
四、 視頻增強能解決的實際問題及應用領域
各種情況下處理效果
•大霧天氣下
•水底環境下
•雨天條件下
•沙層天氣下
•陰霾天氣下
視頻增強的應用領域
·搜尋及救援車輛
·電視監控系統
·室外電視轉播
·飛行導航幫助
·公路交通監控
·醫院體檢成像
·機場的調度
·港口調度
·水下偵測
·安防應用
五、本公司的產品及其特點
VE9901視頻增強器
特性
•先進的多尺度Retinex圖像增強算法，具有較強的普適性。同時提供優化的對數直方圖均衡處理和多種噪聲濾波算法。
•基於DSP的嵌入式硬件結構，具有尺寸小、功耗低、高性能。
•全實時處理，並具有極低的延遲，延遲時間不超過一幀，即PAL制視頻延遲40ms，NTSC制式視頻延遲33ms。
•自動適應PAL制和NTSC制式視頻圖像。
•支持全屏增強和局部窗口增強，局部增強窗口大小和位置可動態調整。
•支持串口、面板健盤、和DIP開關的配置和實時控制。配置可以存儲於FLASH中長期保存。
•支持固件的在線升級。
•支持商用級、工業級、軍用級工作環境條件
