摘 要

隨著科技的發展和時代的不斷進步，視頻和圖像數據處理技術逐漸成熟起來，對人們的生活和工作起著重要的作用。視頻和圖像是現代生活中必備的元素，被廣泛的運用在各個領域，在電影電視、視頻監控、醫學檢查等方面具有至關重要的作用。但視頻和圖像處理技術屬于先進的科技領域，其中涵蓋了較為先進的技術和理論的應用，再加上高新設備的使用等，給圖像和視頻處理帶來了一定的困難。所以要想提高處理技術的水平和質量就需要加大對該技術的研究和探討。文章主要針對視頻和圖像處理技術的應用和發展問題進行研究和探討，并根據存在的問題提出合理化的建議。

隨著經濟的發展和人們生活水平的提高，視頻和圖像處理技術在生活中應用的范圍越來越廣，所以人們對新形勢下圖像和視頻處理技術的應用和發展問題較為關注。數字視頻和數字圖像比傳統的圖像和視頻分辨率要高，處理方便，易于操作和整理。但在應用視頻圖像處理技術時由于操作技術問題或者客觀因素等都會給視頻圖像處理技術的應用帶來一些負面影響，降低了處理技術的水平和質量。所以需要加大研究力度，提高處理技術水平。

視頻圖像處理技術的發展

視頻圖像處理過程中會涉及到對視頻圖像數據的獲取、傳輸、整理、顯示和回放等過程，其中這些過程共同形成了一個系統的整體周期，可以連續性的運作。在視頻圖像處理技術范圍內最主要的就是包括了視頻圖像的處理技術和圖像的壓縮技術等。

1.1 圖像壓縮技術

圖像壓縮技術是視頻圖像處理技術中最為重要的一個環節，需要高度重視，首先要明確圖像處理依靠的是圖像處理算法和處理的效果。圖像處理方式決定了圖像處理技術的質量和水平，在一定程度上影響了整體的運行效率。目前在圖像處理技術的應用中主要采用的是JPEG、M-JPEG、MPEG4和H.264等技術類型，在這幾種類型中都包括了自身的性能和優勢，所以需要根據處理器的性能和系統的性能指標來確定選擇何種技術方式。

1）JPEG，該方式不適應于網絡運輸過程，因為是在DCT基礎上建立的，所以該壓縮算法當壓縮比例在20：1的情況時圖像的質量最佳，超出了范圍將導致質量下降。在靜態的圖像處理上應用較廣，對流媒體的處理很少參與。

2）M-JPEG，該技術可以將連續運動的圖像轉變為靜止圖像使用，可以很好的采用各種分辨率和速率的圖像，應用范圍較廣，但由于數據量較大，所以在處理上存在一定的局限性。在PC視頻監控方面應用的較廣。

3）MPEG4，該方式雖然不是一種具體的計算方式，但可以通過對象編碼和對不同數據編碼的識別來組成需要的音視頻，屬于一種統一的數據格式，可是實現視覺要求和比特率較低的場合的運用，節省了儲存的空間，但圖像較容易失真，但應用范圍較廣，其中在高清的數字電視、數字廣播電視、交互式的存儲媒體和有線電視領域具有廣泛的應用。

4）H.264，該技術可以很好的實現IP報的編碼處理，通常來說由網絡層和視頻編碼層來構成，在網絡處理方面適應性較強，可以實現高質量圖像的壓縮等。

1.2 視頻圖像處理技術

雖然現在的視頻圖像處理技術已經有了很大的改善和發展，但在后期的處理技術中對獲得質量較差的圖像難以改變其質量。在很多情況下，視頻的獲取設備（攝像機、照相機、攝像頭等）分辨率較低，采集的圖像并不清晰，所以在處理上就很難彌補這一缺陷。現在索尼公司生產的HDR-SRl2E/SRllE攝像機，其中包括了CMOS影像傳感器在的應用，能夠在排列傳統像素基礎上選裝45度，可以得到質量較好的圖像。而松下公司生產的HDC-HS9GK攝像機中采用了三個獨立式的CCD傳感器，能夠很好的處理射光中的不同色彩，其中包括了紅、綠、藍等顏色的成分。

1.3 數字圖像寬度動態的算法

數字圖像處理中寬動態范圍是一個基本特征，在圖像和視覺恢復中占據了重要的位置，關系著最終圖像質量的壓縮效率和壓縮質量。其動態的范圍主要受保護信號量和平均噪聲比值來決定的，其中動態范圍可以從光能的角度來定義。

式中：α-數字圖像的動態范圍；Imax-傳感器線性檢測到的入射光強的最大值；Imin-傳感器線性檢測到的入射光強的最小值；Emax-圖像傳感像素上的光照度最大值；Enin-圖像傳感像素上的光照度最小值。

數字的信號處理會受到曝光量中曝光效果、光照度和強度的影響和作用。動態范圍跟圖案的深度息息相關，如果圖像動態范圍寬，則在圖像處理時亮度變化較為明顯，但如果動態范圍較窄，在亮度轉化時，亮暗程度的變化并不明顯。目前圖像的寬動態范圍在視頻監控、醫療影像等領域應用較為廣泛。

1.4 物理方法

采用半導體部件來提高CCD/CMOS圖像的傳感器的感光度，可以在電流的飽和度增加和較小背景噪音中發揮作用；同時還可以在視頻傳感器的基礎上進行改進和創新，例如在系統中設置一個液晶的控制單元，實現系統光的自動反饋和處理。

數字圖像處理技術的應用和發展

1）視頻圖像處理技術在體育運動項目中具有很高的作用，例如在奧運會的自由泳項目中采用視頻圖形處理技術，利用攝像設備將運動員的游泳動作錄制下來，從各個角度來分析運動員的動作和姿態，看是否犯規等。并用圖形和視頻處理軟件來分析出運動員創造成績的好壞等。

2）視頻圖像處理技術在視頻監控中具有很好的效果，例如在交通視頻、銀行視頻、倉庫視頻監控中發揮著重要作用，一旦出現事故等，監管人員可以利用監控的圖像進行分析和處理，得到想要的數據。

3）在航空航天設備上安裝圖形視頻收錄設備，時刻把握航空設備的動態情況，利用圖像和視頻處理軟件來分析收錄設備的獲得的信息，然后經過分析和整理，得到需要探查的氣象、地理環境、資源等要素。

視頻圖像是現代生活中必備的元素，被廣泛的運用在各個領域，在電影電視、視頻監控、醫學檢查等方面具有至關在重要的作用。但視頻和圖像處理技術屬于先進的技術領域，其中涵蓋了較為先進的技術和理論應用，再加上設備的使用等，給圖像和視頻處理帶來了一定的困難。所以要想提高處理技術的水平和質量就需要加大對該技術的研究。

圖像處理技術在視頻監視中的應用

1．視頻跟蹤技術

自動視頻跟蹤是通過圖像處理算法，實時計算出選定的目標（如人、車輛等）在圖像中的精確位置，并控制狀態轉動，從而保持目標始終處在視頻窗口中的一個指定位置。電子穩像演示視頻一.mpg

系統框圖如下：

1：監視器，用于監視跟蹤視頻

2：手柄，用于攝像機轉臺控制和跟蹤操作

3：自動視頻跟蹤模塊

4：轉臺

跟蹤演示視頻：跟蹤.mpg

正因為使用自動跟蹤技術能夠自動控制轉臺運動，從而保持選定的目標始終處于屏幕（或圖像）中特定的位置（這個位置可以是圖像中心，也可以是屏幕的其它位置）。因而，給我們帶來如下意義：

（1） 減輕人工負擔。可以自動對運動目標進行連續的觀察監視。

（2） 目標指示。由于自動跟蹤維持目標始終處于屏幕的指定位置，因此：

a） 當我們知道轉臺的方位角和俯仰角時，就可以獲得目標的方位角和俯仰角等位置信息。

b） 我們可以用處于不同位置的兩套跟蹤設備對同一目標進行跟蹤，構成立體視覺系統，可以獲得目標的距離、高度、方位角、俯仰角等信息。

c） 如果我們把激光器與攝像機固定安放在在同一平臺上的時候，那么通過自動跟蹤技術就可以維持目標始終處于激光光斑位置，也即保持激光能夠始終打在運動目標上，這樣就可以實現激光制導、測距等功能。

由此可見，自動跟蹤技術在視頻監視領域具有很重要的意義，可應用于下面一些領域：

（1）機載光電觀瞄系統

（2）車載光電跟蹤系統

（3） 艦船光電跟蹤系統

（4） 火箭發射、飛機起降、實時炮彈自動視頻跟蹤系統

（5） 監視，如邊防監視跟蹤系統

（6） 炸彈等武器系統目標指示

（7） 武器系統評估

（8） 模擬器系統

（9） 軌跡分析

（10）圖像匹配

（11）跟蹤系統自動校準

（12）激光系統對齊

（13）目標空間測量

（14）生物分析

2．視頻拼接技術

視頻拼接是通過圖像處理算法，對一組視頻畫面進行矯正配準無縫拼接成一個更大視場的視頻畫面。這一組視頻，可能是來自由多個小視場攝像機組成的對一個大視場的完整監視，這稱為多鏡頭視頻拼接；也可能是來自單個攝像機，這個攝像機通過轉動實現對一個大視場的掃描監視，這稱為單鏡頭視頻拼接。

多鏡頭拼接示意圖：

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圖2 多鏡頭拼接示意圖

1：監視器

2：多鏡頭視頻拼接設備

3：轉動攝像機

單鏡頭拼接示意圖：

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圖3 單鏡頭拼接

1：監視器

2：單鏡頭視頻拼接設備

3：轉動攝像機

多鏡頭拼接演示視頻：多鏡頭視頻拼接.mp4，多鏡頭視頻拼接二.mpg

單鏡頭拼接演示視頻：單鏡頭視頻拼接.mpg

視頻拼接技術將多個較小視場的畫面拼接成更大的視場的畫面，使得我們看得更廣。它給我們帶來如下好處：

（1） 增強對監視區域或周圍態勢的視覺感知能力。超寬監視視角，360度的全景視頻盡收眼底，全局感、方位感大為增強，并消滅了監視死角。

（2） 虛擬PTZ技術。采用虛擬PTZ技術，可以放大或放大監視視場內的圖像區域，當改變方向觀察另一個圖像區域時，不會發出任何噪音，隱秘且不易察覺。由于沒有機械移動部件，不需要時刻進行機械轉動，無磨損，結實耐用，壽命長。與機械PTZ不同，虛擬PTZ可以同時觀察多個不同的區域。

（3） 相對于由魚眼鏡頭實現的全景視頻，通過拼接技術構建的全景視頻，克服了魚眼鏡頭只能看近距離（一般用于室內）的缺陷，可以看得更遠更清楚，且沒有像素限制，更不會存在中間與邊緣分辨率差距巨大的問題。

視頻拼接可應用于：

（1）軍事上，飛機、裝甲車、艦船等周圍態勢的視覺感知。

（2）公安領域，警車、巡邏車、反恐、押運等特種車輛。

（3）邊海防視頻監視

（4）廣場、運動場等大范圍公共場所監視

（5）交通樞紐、港口碼頭、停車場、銀行、加油站等視頻監視。

3．視頻增強技術

在惡劣氣象條件下，如霧霾、雨雪、光線昏暗、煙、水氣、沙塵等，攝像機產生的視頻圖像質量會嚴重下降，圖像模糊不清，視頻增強技術是通過圖像處理算法，對這類劣質視頻圖像進行有效處理，從而顯著改善視覺效果，提高畫面清晰度，提高攝像機的探測能力。

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圖4 視頻增強示意圖

圖5 雪天視頻增強效果圖

圖6 霧天視頻增強效果圖

圖7 霧霾天視頻增強效果圖

圖8 沙塵暴視頻增強效果圖

增強演示視頻：增強演示視頻一.mpg，增強演示視頻二.mpg，增強演示視頻三.mpg，增強演示視頻四.mpg

視頻增強可應用于：

（1）飛機、艦船、車輛等的光電系統

（2）邊海防、交通等安防監視

（3）視頻后期處理

4．電子穩像技術

在很多視頻監視場合，往往存在機械震動，如攝像機安裝在飛機、車、船、空調、PTZ云臺、加熱通風設備等上，還有室外刮風、車輛行駛等都會造成攝像機晃動，尤其是在高倍鏡頭監視情況下，抖動就更為嚴重。通過圖像處理算法，可以有效地去除這些抖動，使得視頻圖像更易于觀察監視。

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圖10 電子穩像示意圖

電子穩像演示視頻：電子穩像演示視頻一.mpg ，電子穩像演示視頻二.avi?，電子穩像演示視頻三.mpg?，電子穩像演示視頻四.wmv。

電子穩像技術的應用可以消除視頻的抖動，而抖動的危害有：

（1）抖動的視頻無法讓人看清細節，從而影響視頻監視的質量。

（2） 抖動的視頻是非常令人生厭的，并極易引起視覺疲勞。

（3）抖動的視頻對后端的壓縮非常不利，并會導致壓縮碼流急劇上升，不利于存儲和網絡傳輸。

（4）抖動的視頻，不利于后端視頻分析設備的處理。

電子穩像的應用：

（1）飛機、車輛、艦船等交通工具上的視頻監視。

（2）邊海防監視，尤其是多風的海邊。

（3）道路交通監視：道路、橋梁、隧道。

（4）有如空調、風機等大型機器震動場合的監視，如廠、礦。

（5）視頻后期處理。

5．視頻融合技術

視頻融合技術是將不同類型的光電成像傳感器獲取的同一景物圖像進行幾何配準，然后采用一定的算法將各圖像中所含信息優勢或互補性有機結合起來，產生新的圖像，提高了光電系統的識別探測能力。

如圖11為熱像儀夜間圖像，由于熱像成像機制是對熱的反應，而對可見光并沒有反應，因此看不到村莊的燈光，將這個熱像圖像，與可見光傳感器如CCD的圖像融合到一起，就可以獲得融合后的圖像如圖12和圖13所示，顯然，融合后的圖像信息大為豐富。

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圖11 熱像儀的夜間圖像

圖12 CCD與熱像儀的圖像融合后的圖像

圖13 CCD與熱像儀的圖像融合后的圖像
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可見，由于增加了圖像的信息量，因此，視頻融合技術可以帶來如下好處：

（1）改善圖像的可視性和可信度，減少圖像信息的模糊不確定性。

（2）提高系統的作用范圍和全天候的工作能力。

視頻融合技術的應用：

（1）機載、車輛、艦船上的光電探測。

（2）邊海防視頻監視。

（3）重點場所的視頻監視。

6．超分辨率技術

超分辨率技術在視頻中的應用，一般是利用多幀視頻圖像，進行配準插值和圖像放大，以獲得更為精細的超高分辨率圖像，以增加探測距離。

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圖13 超分辨率重構示例圖

超分辨率演示視頻：超分辨率演示視頻一.mpg

超分辨率技術的應用：

（1） 機載、車輛、艦船上的光電探測。

（2）邊海防視頻監視系統。

（3） 公安偵查鑒定。

（4）銀行、證券等部門的安全監控系統中

（5） 醫學成像系統。