關(guān)于監(jiān)控視頻中的圖像預(yù)處理技術(shù)簡要解析
在視頻監(jiān)控領(lǐng)域，提高監(jiān)控圖像質(zhì)量和編碼傳輸效率一直是我們最為重要的追求目標(biāo)。提高視頻質(zhì)量意味著提高最終用戶的觀看滿意度，提高編碼效率則意味著在同樣的碼率限制下可以傳輸更高質(zhì)量的視頻。這涉及到監(jiān)控系統(tǒng)中的多個環(huán)節(jié)，從上游的實際場景，到中間的傳輸網(wǎng)絡(luò)，再到下游的用戶終端，主要包括圖像的采集、壓縮處理、傳輸或存儲、解壓縮和顯示等部分，其中任何一個上游環(huán)節(jié)出了問題，對圖像質(zhì)量的影響都不是下游環(huán)節(jié)能夠糾正或補救的。視頻信號的預(yù)處理處在系統(tǒng)最上游，是針對主處理而言的，如圖1所示。在視頻監(jiān)控中，主處理一般是指視頻的壓縮編碼和傳輸，此前的處理一般稱之為預(yù)處理，常將它歸并在視頻采集部分。無疑，視頻采集中的預(yù)處理是一個重要環(huán)節(jié)，處理的好壞將直接影響采集圖像質(zhì)量以及后續(xù)編碼傳輸處理的效率。
有一個現(xiàn)象可以有力地說明預(yù)處理在改進(jìn)圖像質(zhì)量方面的作用：對同樣場景、采用相同的碼率，不同廠家的網(wǎng)絡(luò)攝像機解碼輸出視頻的質(zhì)量往往存在較大的差別。尤其是在比較惡劣的環(huán)境下，其差別更為顯著。產(chǎn)生這種差別的一個重要原因在于：在監(jiān)控系統(tǒng)中，雖然大家都采用標(biāo)準(zhǔn)化的視頻壓縮方法，但最后解碼輸出圖像的質(zhì)量高低很大程度上取決于有無預(yù)處理、預(yù)處理的好壞，有時還包括適當(dāng)?shù)暮筇幚怼?/FONT>
近來，隨著人們對預(yù)處理重要性認(rèn)識的不斷提高，隨著集成芯片和信號處理器能力的不斷增強，業(yè)界對視頻信號的預(yù)處理越來越重視，市場上高質(zhì)量的監(jiān)控產(chǎn)品一定離不開高質(zhì)量的視頻預(yù)處理方法。
預(yù)處理的作用
視頻預(yù)處理的第一個作用是提高編碼視頻的質(zhì)量。在實際的視頻監(jiān)控的應(yīng)用中，不像娛樂視頻，往往有高質(zhì)量的攝像機、良好的演播室拍攝環(huán)境和專業(yè)技術(shù)人員的時時人為干預(yù)，因此可以保證得到的高質(zhì)量的采集視頻。而視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于成本、環(huán)境等因素影響，所獲取的原始視頻質(zhì)量并不高，甚至很低。例如，由于環(huán)境、噪聲、光照、運動等影響，往往所采集的圖像常常出現(xiàn)模糊、扭曲、噪點、太亮或太暗、彩色不鮮明、……。對于這樣比較差的視頻，再進(jìn)行壓縮、傳輸、解碼顯示，用戶所看到的監(jiān)控視頻常常不能令人滿意的。如何在現(xiàn)有的條件下提高采集視頻質(zhì)量的問題就實在地放在我們面前。對此，一個重要的應(yīng)對措施就是在視頻采集環(huán)節(jié)進(jìn)行預(yù)處理(preprocessing)，以利于提高采集視頻質(zhì)量，有利于后續(xù)的視頻處理，以利于用戶提取視頻中感興趣的信息。
視頻預(yù)處理的第二個作用是提高編碼效率和有利于碼率控制。我們知道，無論是有線還是無線視頻傳輸，都是基于IP的包傳輸方式，信號的傳輸速率不穩(wěn)定，速率會隨用戶的擁擠程度、信道的物理介質(zhì)而不斷變化。要在這樣速率變化的信道上穩(wěn)定、高效地傳輸壓縮視頻圖像，除了依賴編碼器的碼率控制之外，還可以利用預(yù)處理的方法來輔助實現(xiàn)。在編碼前對圖像進(jìn)行預(yù)處理，控制輸入到編碼器的視頻數(shù)據(jù)量，從而來間接控制編碼器輸出的碼率，其過程仍可參見圖1。
由圖1可見，不僅通過緩沖區(qū)的滿溢程度來控制量化步長，同時也加上了預(yù)處理對輸入的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。例如，當(dāng)信道變窄時，我們可以根據(jù)信道帶寬信息對輸入視頻進(jìn)行一定程度的平滑濾波，減少細(xì)節(jié)，甚至進(jìn)行下采樣處理、跳幀處理，使編碼視頻的碼率能與信道帶寬相匹配。當(dāng)然，由于信道狀況信息的獲得比較麻煩，可以經(jīng)統(tǒng)計學(xué)習(xí)建立信道帶寬變化的近似模型，再依據(jù)這個模型來決定預(yù)處理的方法和程度。
最早的視頻預(yù)處理是在模擬域進(jìn)行的，包括對模擬視頻信號的限帶濾波、噪聲抑制、自動增益控制、白平衡以及r校正等。隨著視頻采集技術(shù)的數(shù)字化進(jìn)程，這些簡單的預(yù)處理方法大多已經(jīng)集成到芯片中去了?，F(xiàn)在，視頻預(yù)處理都是在數(shù)字域進(jìn)行的，即在視頻數(shù)字化采集以后進(jìn)行，充分發(fā)揮了數(shù)字信號處的方便、高效、靈活和一致的優(yōu)越性。目前，在視頻監(jiān)控中常見的預(yù)處理方法除了基本的圖像濾波、圖像去噪和多種圖像增強處理外，還出現(xiàn)了多種針對特殊應(yīng)用環(huán)境的預(yù)處理方法，如背光或暗光處理、雨霧煙處理、感興趣區(qū)間的處理等。
