平滑滤波技术在增强视频图像中的应用.pdf

中国矿业大学学报990 2 2 4 中国矿业大学学报 JO U RNA L O F CH I NA U NI VERSI T Y O F M I NI NG T ECH NO LO G Y 1999年 第2 期 第2 8 卷 Vo l . 2 8 No . 2 1999 平滑滤波技术在 增强视频图像中的应用 袁小平 付慧生 钱建生 摘要 从目前煤矿工业电视监控系统的现状出发，研究了利用平滑滤波技术增强视频 图像质量的方法，给出了实现图像平滑滤波的算法设计与程序框图，并通过C语言编 程实现了对井下静止视频图像的增强处理，从而使工业电视图像变得较为清晰. 关键词 平滑滤波，煤矿工业电视，图像增强 中图分类号 T P 391 A p p l i c a t i o n o f t h e Sm o o t h i n g Fi l t e r i n g T e c h n o l o g y i n En h a n c i n g T V I m a g e Q u a l i t y Yu a n Xi a o p i n g Fu H u i s h e n g Q i a n Ji a n s h e n g Co l l e g e o f I n f o r m a t i o n a n d El e c t r i c En g i n e e r i n g , CU M T ， Xu z h o u 2 2 10 0 8 A b s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e r e a l i t i e s o f m i n e i n d u s t r i a l T V m o n i t o r i n g s y s t e m t h e u t i l i z a t i o n o f s m o o t h i n g f i l t e r i n g t e c h n o l o g y i s s t u d i e d t o i m p r o v e t h e q u a l i t y o f v i d e o i m a g e . T h e s c h e m e o f s m o o t h i n g f i l t e r i n g a n d i t s p r o g r a m f l o w c h a r t a r e p u t f o r w a r d . W i t h t h e C l a n g u a g e t h e m o t i o n l e s s v i d e o i m a g e s a r e e n h a n c e d i n c o a l m i n e , s o a s t o i m p r o v e t h e i n d u s t r i a l T V i m a g e q u a l i t y . K e y w o r d s s m o o t h i n g f i l t e r i n g ， c o a l m i n e i n d u s t r i a l T V， i m a g e e n h a n c e 煤矿工业电视监视系统为煤矿安全生产、调度指挥提供直观、方便、可靠的手段. 但由于煤炭行业井下环境较为恶劣，光线差，照度低，而且井下粉尘较多，从而影响 了工业电视图像的质量. 另外，工业电视图像信号在传输过程中不可避免地会遇到多种 干扰的影响. 因此，工业电视图像进入调度室后如果未经一定的图像处理，其画面的清 晰度不够高. 因此，有必要利用图像增强技术以增强工业电视图像画面的清晰度［1，2 ］. 图像增强是一种对给定的图像采用某种方法进行变换，从而使图像变得清晰的过 程. 对含有噪声的图像，可以通过平滑滤波技术减弱噪声、提高信噪比［3］；对信号微 弱的图像要进行灰度变换等增强处理；对已经退化的模糊图像要进行各种复原的处 理；对失真的图像要进行几何校正等变换. 由此可见，图像增强能够显著改善图像的质 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 4. h t m （第 1／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 5 中国矿业大学学报990 2 2 4 量，使图像更易于被人们观察或被机器识别. 本文将讨论平滑滤波技术在煤矿工业电视 图像增强中的应用，从而增强工业电视图像的清晰度. 1 图像增强技术研究的硬件配置 为了将图像增强技术应用于工业电视监视系统，首先需要配置多媒体计算机系统. 利用中国矿业大学研制的K J2 8 煤矿光纤工业电视系统，构成的多媒体煤矿工业电视监 视监控系统，其基本框图如图1所示. 图1 多媒体煤矿工业电视监视监控系统框图 Fi g 1. Sy s t e m d i a g r a m o f m u l t i m e d i a i n d u s t r i a l T V m o n i t o r i n g i n c o a l m i n e 1. 1 多路视频中心控制器 多路视频中心控制器是工业电视监视系统中的常用设备，它可以把16 路视频输入 信号分别输出到计算机上. 现场三可变镜头的摄像机及云台全方位控制，可利用中国矿 业大学研制的K BM -I 型交互混联卡及其辅助软件构成. 1. 2 多媒体计算机系统 多媒体计算机系统采用至少48 6 为主机，并配置视频卡和K BM -I 型交互混联卡等. 视 频卡RT 30 0 是高性能的视频采集卡，它采用了I n t e l 高性能的i 7 50 视频处理器, 能以每秒30 帧的速度、32 0 2 40 的窗口抓取视频. 视频卡可以将实时输入的视频信号转换成计算机 VG A 信号在多媒体计算机上直接显示，并可进行单帧捕捉，即静止视频画面的捕获功 能，将捕捉到的单帧图像按一定的图像格式存放在计算机硬盘中. 对于多幅连续采集， 可对视频信号源输入的视频信号进行实时、动态地捕获，并以图像文件的形式加以存 贮. 交互混联卡通过键盘或鼠标即可实现对K J2 8 系统中工业电视中心控制器和全方位云 台控制器进行遥控. 2 平滑滤波技术的软件设计 因为井下的特殊环境使得井下安装的工业电视系统几乎全都是黑白摄像头. 黑白摄 像头具有实用、可靠性高、清晰度高等特点，而在井下的环境及光照条件下，彩色摄 像头反映不出图像的色彩. 因此，本文讨论的工业电视图像增强模型就建立在工业电视 黑白图像信号的基础上. 从摄像头传输过来的煤矿工业电视图像是模拟信号，经过视频卡数字化后形成数 字图像信号. 在传输或形成过程中，通常会受到各种噪声的干扰和影响，如光电元件产 生的随机噪声、数字化产生的量化噪声等，而使图像质量变差. 反映在图像上，使原本 均匀和连续变化的灰度发生突变，从而形成一些虚假的边缘和轮廓. 抑制和消除这类噪 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 4. h t m （第 2 ／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 5 中国矿业大学学报990 2 2 4 声从而改变图像质量的过程就是图像的平滑过程. 然而，对于噪声进行定时定量的详细描述是比较困难的，很难建立精确的数学模 型，只可利用噪声的一般性质进行平滑处理以消除或减弱噪声. 2 . 1 阈值平均法的算法［4］ 假设图像是由许多灰度恒定的小块组成，相邻像素间有很高的空间相关性，而噪 声是统计独立地叠加在图像上的，其均值为0 . 因此可采用像素邻域内的各像素灰度值 的平均值代替原来的灰度值，实现图像的平滑. 设原图像中某点像素（x , y ）的邻域S为M N的矩形窗口，其中M ，N分别为邻域S 所包含的每行、每列的像素个数. 则平滑后的点（x , y ）灰度值为［5］ 式中T 为给定的阈值，关于阈值的选择方法参见文献［5］； 平均值 这种算法是在邻域平均法的基础上，仅仅将具有不同值的点看成是由噪声产生 的，用周围点的灰度平均值来代替. 当一些点的灰度值f x , y 与平均值f x , y 的差不超过规 定的阈值时，仍然保留其原来的值，从而可减少因邻域平均法而使图像灰度急剧变化 的边缘部分模糊的现象. 2 . 2 阈值平均法的程序设计 根据上述算法采用T o u r b C语言编写程序，所取邻域S的大小为33矩形窗口，即 以点（x , y ）为中心，3行3列的像素点为矩形窗口. 编制程序时应注意到1） 能够进行平滑处理的像素是N-2 行和N-2 列（假定图像 有NN个像素组成），因为紧连原始图像边框的一行一列不能进行处理. 2 ） 参与处 理的像素（x , y ）的邻域是原始图像的（x , y ）的邻域，此邻域不包括已经处理过的像 素，因此输入图像和输出图像需要分别设置数组. 其程序框图如图2 所示. f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 4. h t m （第 3／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 5 中国矿业大学学报990 2 2 4 图2 阈值平均法的程序设计框图 Fi g . 2 Pr o g r a m d e s i g n d i a g r a m o f t h r e s h o l d -a v e r a g e m e t h o d 3 在煤矿工业电视图像增强中的应用举例 我们利用上述算法编制的程序对井下煤矿工业电视图像进行了一些实验. 在实验 中，先利用Cr e a t i v e 公司的Vi d e o Bl a s t e r RT 30 0 视霸卡将工业电视图像捕捉到计算机里， 然后再利用编制的程序进行平滑滤波处理. 图3a 是含有噪声干扰的原图像，经过平滑滤 波技术处理后，图像中含有的噪声基本被滤除，图像变得较为清晰 图3b . a 平滑滤波技术处理前的图像 b 平滑滤波技术处理后的图像 图3 平滑滤波处理前后的图像 Fi g . 3 Pr o c e s s i n g i m a g e s b e f o r e a n d a f t e r s m o o t h i n g f i l t e r i n g 4 实验结论与展望 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 4. h t m （第 4／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 5 中国矿业大学学报990 2 2 4 1 含有噪声的图像经过平滑滤波技术处理后，其中的噪声基本被滤除，图像变得 较为清晰. 2 目前，我们实现的平滑滤波技术仅仅是图像增强的一种方法，适用于静止图像 的增强处理，对于连续图像的增强处理还不能解决，这正是我们今后需要进一步解决 的课题. 3 图像增强技术使煤矿工业电视图像更加清晰，便于人眼观察和计算机的识别. 因 此图像增强是煤矿工业电视图像处理与模式识别的技术基础. 随着多媒体计算机技术的 发展，如何将图像处理与图像识别技术应用到矿山监控领域，提高矿山的生产效率和 安全性，还需要进一步工作. 作者简介 袁小平，男，196 6 年生，讲师，工学硕士 作者单位中国矿业大学信息与电气工程学院 徐州 2 2 10 0 8 参考文献 1 刘富强, 于洪珍, 马小平. 煤矿调度室多媒体监测监控系统研究. 中国矿业大学学 报, 1998 , 2 7 1 2 3 ～2 6 2 于洪珍，刘富强，徐立中. 基于模型的信息融合编码的视频图像压缩研究. 中国矿业 大学学报，1998 ，2 7 2 17 1～17 5 3 王新成. 多媒体实用技术（图像分册）. 西安 电子科技大学出版社, 1995. 6 1 4 M a l l a d i R, Se t h i a n J A . I m a g e Pr o c e s s i n g Fl o w s u n d e r M i n / M a x Cu r v a t u r e a n d M e a n Cu r v a t u r e . G r a p h i c a l M o d e l s A n d I m a g e Pr o c e s s i n g , 1996 , 58 2 12 7 ～141 5 王积分, 张新荣. 计算机图象识别. 北京 中国铁道出版社, 198 8 . 6 9～8 1 收稿日期 1998 －0 4－2 1 f i l e / / / E| / q k / z g k y d x x b / z g k y 99/ z g k y 990 2 / 990 2 2 4. h t m （第 5／5 页）2 0 10 -3-2 3 15 57 2 5