一種視頻監控系統中的圖像亮度修正方法
2023-04-23 21:24:56 2
專利名稱：一種視頻監控系統中的圖像亮度修正方法
技術領域：
本發明涉及數字視頻監控技術，特別是指一種視頻監控系統中的圖像亮度修正方法。
背景技術：
在視頻監控系統中，數位化的視頻內容將被不斷保存、查詢、識別。因此視頻序列具有穩定的亮度是非常重要的，尤其在光線不足的場合，既需要進行亮度補償，還需要對場景中的突現高亮光源造成的圖像亮度的不穩定進行修正。
亮度修正主要是針對數字視頻序列中YUV顏色空間中的亮度Y進行補償，現有的亮度修正多採用數字圖像處理中的直方圖均衡化方法。該方法首先需要實時對當前幀的每個像素點個數計數，得到該幀圖像的直方圖；然後利用直方圖均衡化方法，對原有圖像的直方圖進行修正，補償當前幀圖像中的亮度缺陷，從而實現亮度的動態擴展。
但是這種方法由於根據當前幀的自身特性來修正直方圖，因此造成視頻序列前後亮度特性的不一致，圖像亮度穩定性差；另外，由於現有技術以每個像素值為單位統計分布情況，並且要求同時在整個像素範圍內進行，因此引起計算複雜度較高，不便於硬體實現。
發明內容
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種視頻監控系統中的圖像亮度修正方法，提高視頻序列圖像亮度的穩定性，擴展圖像的亮度顯示範圍，消除圖像中少數極亮點。
本發明的一種視頻監控系統中的圖像亮度修正方法，包括a)統計當前幀圖像在不同像素值上的像素點數量分布；b)根據系統的圖像質量要求和步驟a)獲得的當前幀圖像的像素點數量分布統計結果，確定當前幀圖像的亮度補償係數並保存；c)獲取保存的當前幀以前至少一幀圖像的亮度補償係數；d)計算修正亮度補償係數為當前幀和以前至少一幀圖像的亮度補償係數與其自身權值乘積的累加和，除以各幀圖像權值累加和的商；e)修正當前幀圖像各像素點的像素值為系統極限像素值除以步驟d)所得修正亮度補償係數的商，再乘以該像素點當前幀的像素值。
該方法所述步驟b)具體包括b1)根據系統的圖像質量要求確定允許去除像素點的最小像素值和最大允許被去除的像素點數量；b2)將包含所述最小像素值在內的最小像素值與所述系統極限像素值之間的區域劃分為一個以上個區間；b3)統計落入每個區間的像素點數量；b4)按照像素值從大到小的順序逐個對各區間統計的像素點數量進行累加，判斷當前的累加結果是否大於所述最大允許被去除的像素點數量，如果是，則進入步驟b5)；否則，判斷是否累加已進行到最後一個區間，如果是，則當前幀圖像的亮度補償係數等於所述允許去除像素點的最小像素值，否則返回步驟b4)繼續進行累加；b5)將當前區間內的一個像素值確定為所述當前幀圖像的亮度補償係數。
該方法步驟b5)的亮度補償係數確定方法為確定所述當前幀圖像的亮度補償係數為當前區間的下限像素值；或確定所述當前幀圖像的亮度補償係數為步驟b1)得到的最大允許被去除的像素點數量與前一區間累加結果的差，除以落入當前區間的像素點數量的商，再乘以區間長度後所得的積，與當前區間的下限像素值的和。
該方法步驟b2)所述區間為平均劃分；每個區間長度為所述系統極限像素值與所述最小像素值的差，除以區間個數。
該方法所述劃分的每個區間長度為4～16像素值；所述系統極限像素值為256。
該方法b1)所述最大允許被去除的像素點數量的確定過程包括根據系統的圖像質量要求確定系統允許去除像素點數量的臨界百分比；計算最大允許被去除的像素點數量為所述臨界百分比與圖像像素點總數的積。
從上面所述可以看出，本發明提供的視頻監控系統中的圖像亮度修正方法有如下優點和特點1)本發明針對於視頻監控系統中的圖像亮度穩定和補償，利用亮度補償係數，採用多幀預測方法，結合前面多幀的圖像特性對當前幀的圖像進行修正，使視頻序列圖像具有較高的亮度穩定性，並消除了由於高亮光源對圖像亮度的影響。
2)本發明採用由當前幀前面多幀的亮度補償係數預測當前幀的修正亮度補償係數的方式，既保證了視頻序列亮度的一致性，又便於硬體的實現。
3)本發明採用了分區統計像素數量的方法，而不是從整個像素值範圍內統計直方圖特徵，並通過線性插值近似計算修正亮度補償係數，使計算複雜度大大降低。
圖1為本發明修正亮度補償係數預測的原理示意圖；圖2為本發明較佳實施例的亮度補償處理流程示意圖；圖3為通過本發明方案進行亮度補償前後直方圖變化示意圖；圖4為本發明較佳實施例的亮度補償係數確定流程示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明再作進一步詳細的說明。
本發明的思路參見圖1所示，圖1為視頻監控系統通過攝像頭拍攝的視頻序列中的一部分。其中，每個灰色平行四邊形代表一幀圖像，Pn為當前幀的圖像，n為自然數。本發明為了能夠對當前的第Pn幀圖像進行亮度修正和補償，不但考慮第Pn幀的圖像特性，還要考慮之間P1到Pn-1各幀的圖像特性。
本發明較佳的亮度修正方案描述如下，參見圖2所示步驟11，統計當前幀圖像在各像素值的像素點分布。
步驟12，根據系統對圖像的質量要求和當前幀圖像的像素點分布統計結果，確定當前幀的亮度補償係數Xn。
當前幀亮度補償係數的計算原理參見圖3所示，圖3中縱座標Hist為直方圖，代表像素點個數；橫座標為像素值。對於一幀視頻監控圖像，特別是在光線不足的場合，除了部分受較高亮度光源影響的情況以外，往往產生圖3a所示的直方圖分布。從圖3a中可以看出以X的位置為界，像素值大於X時，其像素點數量相當有限，這種X值以上的像素值範圍像素點數量相對較少的情況，將造成圖像整體顏色偏暗，或由於外界光線變化導致在圖像中出現少數極亮點，並容易造成視頻序列的亮度變化劇烈。
本發明針對於這種情況，將利用當前幀及以前各幀的圖像特性對當前幀的亮度補償進行預測。對小於X像素值的像素點數量值進行動態擴展，捨棄大於X像素值部分的原有像素點數量值，參見圖3b所示，相當於將原有0至X範圍內的直方圖曲線拉伸至255。從而增加整體圖像亮度，消除圖像中的極亮點，並使圖像效果更加穩定，提高圖像亮度的動態範圍。
從圖3中可以看出，本發明的亮度補償係數X相當於對當前幀圖像進行修正時，將被去除原有像素點數量值的那部分像素值範圍的下限，從X到255像素值範圍的原有像素點數量將被替換。因此如何確定X值對本發明圖像的修正過程十分重要，參見圖4所示，本發明較佳的X值確定過程包括以下步驟。
首先，需要給定一些已知量，包括圖像尺寸M×N，表示圖像的水平方向有M個像素點，垂直方向有N個像素點，圖像尺寸反映圖像的總像素點數量；臨界百分比α％，表示被去除的像素點數量相對於像素點總量的百分比；最小允許去除像素值T，可根據系統對圖像質量要求預先設定，小於T的像素值區域是不允許去除像素點的，即X的值只能大於或等於T。
另外，為了方便對像素點進行計數，將T到256的像素值區域劃分為若干個區間，用S表示這些區間的總個數，S的取值可根據硬體設備計算資源的要求設定。
並且由上述的已知量可以得到，如果區間平均劃分，則每個區間的長度L為L=256-TS.]]>步驟41，計算臨界點閥值QQ=MN100]]>可以看出，Q為最大可以被去除的像素點個數。
步驟42，統計落入各區間的像素點個數。
首先，根據實際計算複雜度要求，選取的S+1個等距的像素值256，p1，p2，...，ps(從大到小排列)構成了S個相同長度的像素值半開半閉區間(256，p1]，(p1，p2]，...，(ps-1，ps]。例如假設最小允許去除像素值T為192，將像素值為(256，192]的區域劃分為16個區間(256，252]，(252，248]，...，(196，192]，每個區間長度為4。S可以根據實際的計算資源情況選擇，既要保證滿足處理的實時性要求，又要保證一定精度。當s越大，區間長度越小，精度越高，計算複雜度也越高。本發明推薦採用區間長度為4～16中(包括4和16)的某個值為宜。
對落入每個區間的像素點分別計數，從而得到各個區間像素點的數量分別為Q1，Q2，...，Qs。
另外，為了以後的計算方便，這裡還給定Q0＝0。
步驟43，按像素值從大到小的順序，逐個計算各區間像素點數量Qi的累加和SUMi，根據下面方法循環計算，從k＝1到SSUM0＝Q0SUMk＝SUMk-1+Qk1≤k≤S步驟44～45，將當前的SUMk值與步驟41確定的臨界點閥值Q進行比較，判斷是否SUMk＞Q，如果是，則跳出當前累加和的計算，並記錄當前k值，進入步驟48；否則，進入步驟46。
步驟46～47，進一步判斷當前是否k＝S，如果是，則跳出當前累加和的計算，設定當前幀的亮度補償係數為所述最小允許去除像素值，即Xn＝T；否則，返回步驟43繼續執行累加和計算。
步驟48，將當前區間內的一個像素值確定為當前幀的亮度補償係數Xn。
本步驟採用兩種方式一種是通過線性差值確定Xn=pk-1+Q-SUMk-1QkL,]]>即亮度補償參數為當前區間的下限像素值pk-1加上線性差值Q-SUMk-1QkL.]]>另一種方式是為了簡化計算，也可以省略線性插值，粗略地採用Xn＝pk-1，這樣不會引起很大誤差。
確定出當前幀的亮度補償係數後，應將其保存以用於以後調用。
步驟23，獲取以前計算的前n-1幀圖像的亮度補償係數X1，X2，...，Xn-1。
這裡，需要預先設定修正當前幀圖像所需的參考幀數量，這裡假設為n個，n值可由實際應用要求設定。一般來說，n越大，視頻圖像的亮度穩定性越好。
步驟24，預測當前幀的修正亮度補償係數X』。
由於修正亮度補償係數X』預測過程中，每個參考幀所起的作用不同，因此需要預先為每個參考幀設定權值w1，w2，...，wn，表示各參考幀分別對當前幀預測修正亮度補償係數影響的程度，權值的設置也由實際應用要求設定。
假設當前幀Pn，其前面n-1個幀按時間順序分別為P1，P2，...，Pn-1，原始亮度補償係數分別為X1，X2，...，Xn，則當前幀P的修正亮度補償係數為X=i=1nwi*Xii=1nwi]]>這裡，為了簡化計算和便於通過硬體實現，推薦選擇 為2n的形式。
這種形式下，在硬體實現時，可以通過移位操作實現除法。比如對於上面的給定值n＝3時，有X』為 右移3位，可表示為X=(i=1nwi*Xi)>>3.]]>步驟25，計算當前幀各像素點新的像素值。
對於當前幀的各像素點的像素值pi，j進行修正得到的新的像素值pi，j′為pi,j=256Xpi,j]]>其中1≤i≤M，1≤j≤N。
最後，就可以根據確定的各像素點新的像素值來修正當前幀畫面。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種視頻監控系統中的圖像亮度修正方法，其特徵在於，包括a)統計當前幀圖像在不同像素值上的像素點數量分布；b)根據系統的圖像質量要求和步驟a)獲得的當前幀圖像的像素點數量分布統計結果，確定當前幀圖像的亮度補償係數並保存；c)獲取保存的當前幀以前至少一幀圖像的亮度補償係數；d)計算修正亮度補償係數為當前幀和以前至少一幀圖像的亮度補償係數與其自身權值乘積的累加和，除以各幀圖像權值累加和的商；e)修正當前幀圖像各像素點的像素值為系統極限像素值除以步驟d)所得修正亮度補償係數的商，再乘以該像素點當前幀的像素值。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟b)包括b1)根據系統的圖像質量要求確定允許去除像素點的最小像素值和最大允許被去除的像素點數量；b2)將包含所述最小像素值在內的最小像素值與所述系統極限像素值之間的區域劃分為一個以上個區間；b3)統計落入每個區間的像素點數量；b4)按照像素值從大到小的順序逐個對落入各區間的像素點數量進行累加，判斷當前的累加結果是否大於所述最大允許被去除的像素點數量，如果是，則進入步驟b5)；否則，判斷是否累加已進行到最後一個區間，如果是，則當前幀圖像的亮度補償係數等於所述允許去除像素點的最小像素值，否則返回步驟b4)繼續進行累加；b5)將當前區間內的一個像素值確定為所述當前幀圖像的亮度補償係數。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述步驟b5)包括確定所述當前幀圖像的亮度補償係數為當前區間的下限像素值。
4.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述步驟b5)包括確定所述當前幀圖像的亮度補償係數為步驟b1)得到的最大允許被去除的像素點數量與前一區間累加結果的差，除以落入當前區間的像素點數量的商，再乘以區間長度後所得的積，與當前區間的下限像素值的和。
5.根據權利要求2或4所述的方法，其特徵在於，步驟b2)所述區間為平均劃分；每個區間長度為所述系統極限像素值與所述最小像素值的差，除以區間個數。
6.根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述劃分的每個區間長度為4～16像素值。
7.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，b1)所述最大允許被去除的像素點數量的確定過程包括根據系統的圖像質量要求確定系統允許去除像素點數量的臨界百分比；計算最大允許被去除的像素點數量為所述臨界百分比與圖像像素點總數的積。
8.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述系統極限像素值為256。
全文摘要
本發明公開了一種視頻監控系統中的圖像亮度修正方法，包括a)統計當前幀圖像在不同像素值上的像素點數量分布；b)根據系統的圖像質量要求和步驟a)獲得的當前幀圖像的像素點數量分布統計結果，確定當前幀圖像的亮度補償係數並保存；c)獲取保存的當前幀以前至少一幀圖像的亮度補償係數；d)計算修正亮度補償係數為步驟b)、c)所獲各幀圖像的亮度補償係數與對應權值乘積的累加和，與各幀圖像權值累加和的商；e)修正當前幀圖像各像素點的像素值為系統極限像素值除以步驟d)所得修正亮度補償係數的商，再乘以該像素點當前幀的像素值。本發明可提高視頻序列圖像亮度的穩定性，擴展圖像的亮度顯示範圍，消除圖像中少數極亮點。
文檔編號H04N9/64GK1622638SQ20041010269
公開日2005年6月1日 申請日期2004年12月27日 優先權日2004年12月27日
發明者夏煜, 王浩, 李國新, 周芬, 史大北 申請人:北京中星微電子有限公司