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亚像素级图像偏移定位及叠加方法和装置以及视频设备制造方法及图纸

技术编号:10169692 阅读:152 留言:0更新日期:2014-07-02 11:35
本发明专利技术公开了亚像素级图像偏移定位及叠加方法,包括:步骤1,获得一组视频图像Ik,k=1,2,...,K,K是大于等于1的整数;步骤2,将第1幅图像I1(m,n)作为参考图像;步骤3,对于第2至第K幅图像中的每一幅图像Ik(1<k≤K),求出该幅图像与第1幅图像的形心偏移量,其中对于第k(2≤k≤K)幅图像,与第1幅图像的形心偏移量表示为步骤4,对第k(2≤k≤K)幅图像Ik进行亚像素级精度的反偏移操作,偏移量为得到偏移后的图像步骤5,对所有反偏移后的图像进行求和取平均,获得增强图像IE,其中第1幅图像的偏移量为0。利用本发明专利技术的方法,能够得到高质量的视频图像。

【技术实现步骤摘要】
亚像素级图像偏移定位及叠加方法和装置以及视频设备
本专利技术涉及图像及视频数据处理领域,特别涉及一种亚像素级图像偏移定位及叠加方法和装置以及视频设备。
技术介绍
对于视频数据来说,由于要求高速连续拍摄,因此每帧图像的积分时间很短,大约在10~100毫秒之间。由此引起的一个后果是每帧图像的噪声比较大,信噪比比较低。另外,视频摄像头的图像采集器件CCD(或CMOS)的读出带宽有限,为了保证足够的帧频率,每帧图像的像素数相对比较少,通常只有640x480像素,或者更少的320x200像素,图像分辨率比较差,画质粗糙。基于视频数据的图像增强技术的目标在于从一段视频中提取一幅噪声低、分辨率好的清晰图像。要实现这个目标,精确计算两帧图像中目标场景的位置差是一项关键技术。一旦位置差确定,就可以固定某一帧图像,移动其它帧图像,使得所有帧中的目标场景完全对齐,然后把对齐后的帧图像叠加平均。因场景目标的强度是相干的,而每帧图像的背景噪声是随机不相干的,故叠加平均之后,场景强度不变,而背景噪声降低了倍,其中N为帧数。也就是说,对准、叠加平均之后的图像的质量得到显著改善,即噪声降低、对比度增强、清晰度提高。在实际的摄像,尤其是手持式摄像过程中,摄像机的位置、指向是不断变化着的。对于监控摄像头来说,镜头位置、指向可能是固定不变的,但场景目标往往是运动的。如果我们把每帧图像直接叠加平均,得到的结果是模糊的,原因是场景目标并没有对齐。如何精确对齐场景目标?一种直接的方法是计算场景目标的形心位置,称为重心法。具体公式如下(细节可以参考论文“Zhai,C.etal.,2011,Micro-pixelaccuracycentroiddisplacementestimationanddetectorcalibration,Proc.R.Soc.A,467,3550-3569”):其中(xmn,ymn)为像素(m,n)的坐标,Imn为像素(m,n)的强度,(xc,yc)为场景目标的形心坐标。这种方法的缺点是对于噪声比较强的图像,其定位精度很差。如果已知场景目标的强度分布,可以用最小二乘法去拟合实测图像,从而获得比较高的定位精度(见参考文献“Stone,R.C.,1989,Acomparisonofdigitalcenteringalgorithms.Astrophys.J.97,1227.”)。遗憾的是这种方法对于实际的视频数据几乎没有什么应用价值。原因很简单,在实际的视频数据中,我们对场景目标一无所知。当摄像头的像素数目比较少,分辨率比较低时,可以通过抖动(Dithering)观测技术来提高成像的分辨率。相关算法的描述可以参考论文“Lauer,T.R.1999a,CombiningUndersampledDitheredImages,PASP,111,227”和“Hook,R.N.,Fruchter,A.S.,2000,Dithering,SamplingandImageReconstruction,AstronomicalDataAnalysisSoftwareandSystemIX,ASPConferenceSeries,Vol.216”。在该方法中,为了实现超分辨率图像重建,也需要对图像中场景目标的偏移进行精确定位。由此可见,亚像素级图像偏移定位技术是视频图像叠加增强的基础。目前常用的几种技术都不适合用来对整幅图像进行亚像素级偏移定位。重心法比较适合于在天文观测图像中对比较致密的目标源(如恒星、星系等)进行精确定位,前提是图像的信噪比较高。对于整幅图像来说,由于无法划定一致的计算区域,因而该方法就完全适用了。最小二乘法的适用前提是场景目标的强度分布已知。该方法可以获得亚像素级定位精度,并且有很好的噪声抑制能力。不过,对于实际的视频图像来说,真实的场景目标的强度分布是未知的,该方法也不能用来对整幅图像作亚像素级定位。交叉相关方法适用于整幅图像的偏移定位,有很好的噪声抑制能力。然而,其定位精度最多也只能达到像素级。当图像以大场景目标为主时,该方法的定位精度就更差了。因此,该方法也满足亚像素级的图像偏移定位及叠加的要求。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺陷,本专利技术提出了一种亚像素级图像偏移定位及叠加方法、装置及摄像设备。本专利技术提供的亚像素级图像偏移定位及叠加方法包括步骤:步骤1,获得一组视频图像Ik,k=1,2,...,K,K是大于等于1的整数;步骤2,将第1幅图像I1(m,n)作为参考图像;步骤3,对于第2至第K幅图像中的每一幅图像Ik(1<k≤K),求出该幅图像与第1幅图像的形心偏移量,其中对于第k(2≤k≤K)幅图像,与第1幅图像的形心偏移量表示为步骤4,对第k(2≤k≤K)幅图像Ik进行亚像素级精度的反偏移操作,偏移量为得到偏移后的图像步骤5,对所有反偏移后的图像进行求和取平均,获得增强图像IE,其中第1幅图像的偏移量为0。本专利技术还提供了一种亚像素级图像偏移定位及叠加装置,该装置包括:视频图像获取单元,用于获得一组视频图像Ik,k=1,2,...,K,K是大于等于1的整数;偏移量确定单元,用于将第1幅图像I1(m,n)作为参考图像,对于第2至第K幅图像中的每一幅图像,求出该幅图像与第1幅图像的形心偏移量,其中对于第k(2≤k≤K)幅图像,与第1幅图像的形心偏移量表示为偏移单元,对第k(2≤k≤K)幅图像Ik进行亚像素级精度的反偏移操作,偏移量为得到偏移后的图像增强图像获取单元,对所有反偏移后的图像进行求和取平均,获得增强图像IE,其中第1幅图像的偏移量为0。本专利技术还提供了一种视频设备,其包括上述的亚像素级图像偏移定位及叠加装置,还包括:CCD/CMOS摄像装置,用于感知目标图像;视频数据读取装置,用于读取摄像装置的图像数据,并将读取的图像数据传送到亚像素级图像偏移定位及叠加装置进行处理;图像在线显示装置,用于显示亚像素级图像偏移定位及叠加装置生成的图像结果;图像离线显示装置,用于显示亚像素级图像偏移定位及叠加装置生成的图像结果。利用本专利技术的方案,可以获得高分辨率、高灵敏度的视频图像。特别是本专利技术提出的亚像素级图像偏移定位及叠加装置,可以作为嵌入式设备融入现有的视频产品,可以从视频数据流中提取、合成高分辨率、高灵敏度图像。亚像素级图像偏移定位及叠加装置可以通过计算机软件来实现,也可以是专用的ASIC芯片,它从视频设备的读出单元获取视频数据,处理后的高分辨率、高灵敏度图像可以在线显示在视频设备的显示单元上,也可以离线显示在其它设备上。应用本专利技术的方案,还可以实现亚像素级的图像偏移定位精度。当噪声信号比为1.0e-7时,可以实现微像素级定位精度,远远高于现有的其它图像偏移定位技术。利用本专利技术的方案在获得高精度的偏移后,可以实现超高分辨率成像。叠加平均后的图像包含了其频谱的很多高频成分。配合以适当的反卷积技术,如维纳滤波,最大熵方法,Lucy迭代等等,可以获得一幅超高分辨率的图像。理论上讲,对于M幅图像,处理之后图像的有效像素数目可以增加M倍。3)可以实现防抖摄像。在光线比较弱的情况下,相机、手机等拍照设备需要设置比较长的曝光时间来获得足够灵敏度的照片。如果没有三脚架的固定,这些拍照设备很难保持稳定,因而获得照片是模糊的。有了本文档来自技高网
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亚像素级图像偏移定位及叠加方法和装置以及视频设备

【技术保护点】
一种亚像素级图像偏移定位及叠加方法,包括步骤:步骤1,获得一组视频图像Ik,k=1,2,...,K,K是大于等于1的整数;步骤2,将第1幅图像I1(m,n)作为参考图像,其中m=1,2,...,N和n=1,2,...,N为图像在X和Y方向的像素排列的序号;步骤3,对于第2至第K幅图像中的每一幅图像Ik(1<k≤K),求出该幅图像与第1幅图像的形心偏移量,其中对于第k(2≤k≤K)幅图像,其与第1幅图像的形心偏移量表示为步骤4,对第k(2≤k≤K)幅图像Ik进行亚像素级精度的反偏移操作,偏移量为得到偏移后的图像I′k;步骤5,对所有反偏移后的图像I′k(1<k≤K)进行求和取平均,获得增强图像II,其中第1幅图像的偏移量为0。

【技术特征摘要】
1.一种亚像素级图像偏移定位及叠加方法,包括步骤:步骤1,获得一组视频图像Ik,k=1,2,...,K,K是大于等于1的整数;步骤2,将第1幅图像I1(m,n)作为参考图像,其中m=1,2,...,N和n=1,2,...,N为图像在X和Y方向的像素排列的序号;步骤3,对于第2至第K幅图像中的每一幅图像Ik(1<k≤K),求出该幅图像与第1幅图像的形心偏移量,其中对于第k(2≤k≤K)幅图像,其与第1幅图像的形心偏移量表示为步骤4,对第k(2≤k≤K)幅图像Ik进行亚像素级精度的反偏移操作,偏移量为得到偏移后的图像I′k;步骤5,对所有反偏移后的图像I′k(1<k≤K)进行求和取平均,获得增强图像II,其中第1幅图像的偏移量为0。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在步骤2之后进一步包括:步骤2’,对第1幅图像I1(m,n)进行亚像素级精度的偏移,得到偏移后的参考图像为偏移量为(xc,yc),其中m=1,2,...,N和n=1,2,...,N为图像在X和Y方向的像素排列的序号,N为X或Y方向的像素数目。3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述步骤2’进一步包括步骤:步骤21’,对I1(m,n)进行傅里叶变换,获得其频谱F1(Kx,Ky);步骤22’,对频谱F1(Kx,Ky)乘以相移因子获得新的频谱F1S(Kx,Kv,xc,yc);步骤23’,对频谱F1S(Kx,Ky,xc,yc)作傅里叶反变换,得到偏移后的参考图像偏移量为(xc,yc),其中kx=0,1,...,N-1和ky=0,1,...,N-1为频谱在X和Y方向的波数,N为大于等于1的整数。4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤3中确定第1幅图像I1与第k幅图像Ik之间的形心偏移量进一步包括:步骤301,确定两幅图像I1(m,n)和Ik(m,n)在X和Y方向偏移量的搜索范围[Xb,Xe]和[yb,ye],xb为X方向的搜索起点,xe为X方向的搜索终点,yb为Y方向的搜索起点,ye为Y方向的搜索终点;步骤302,计算在X和Y方向要搜索的次数分别是Nx和Ny;步骤303,计算X方向第ii步(ii=0,1,...,Nx),Y方向第jj步(jj=0,1,,...,Ny)搜索对应的在X和Y方向的偏移量(xii,yjj);步骤304,对于每次搜索,按照步骤2’获取参考图像I1(m,n)偏移后的图像步骤305,计算图像和Ik(m,n)之间差的绝对值的总和Sij(xii,yjj):步骤306,在所有的Sij(xii,yjj)中,找到数值最小的一个该对应的偏移量就是两幅图像I1(m,n)和Ik(m,n)之间的形心位置偏移量5.一种亚像素级图像偏移定位及叠加装置,该装置包括:视频图像获取单元,用于获得一组视频图像Ik,k=1,2,...,K,K是大于等...

【专利技术属性】
技术研发人员:周建锋苏彦霍卓玺高扬冯真真张茂林
申请(专利权)人:清华大学
类型:发明
国别省市:北京;11

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