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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 惡劣環(huán)境視頻增強(qiáng)算法研究及硬件實(shí)現(xiàn)
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 視頻監(jiān)控受環(huán)境影響較大，在煙、霧、水氣、雨、雪、黑暗等環(huán)境會(huì)大大降低成像質(zhì)量，導(dǎo)致使用者很難辨認(rèn)關(guān)鍵物體而惡劣環(huán)境更易誘發(fā)事故。因此，視頻優(yōu)化產(chǎn)品的需求非常巨大。對(duì)此，我們提出了國(guó)際領(lǐng)先的視頻圖像增強(qiáng)算法，在保證處理效果的前提下，將處理速度提高為傳統(tǒng)圖片處理速度的100倍以上，并以此為基礎(chǔ)研發(fā)視頻圖像增強(qiáng)產(chǎn)品，能夠解決惡劣環(huán)境下視頻成像的質(zhì)量問題，具有效果好、速度快、成本低、易部署的特點(diǎn)
- 詳細(xì)介紹：
- 原有的圖像增強(qiáng)方法都是面向靜態(tài)圖像增強(qiáng)而設(shè)計(jì)的，應(yīng)用到動(dòng)態(tài)的視頻圖像時(shí)會(huì)出現(xiàn)處理速度慢、處理效果不佳等問題，難以實(shí)際應(yīng)用。本項(xiàng)目提出的方法能夠有效解決原有方法的不足，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有兩點(diǎn)： （1）利用視頻的時(shí)間冗余性和空間冗余性改進(jìn)算法，將運(yùn)動(dòng)估計(jì)的原理和增強(qiáng)原理結(jié)合得非常緊密，使得處理速度最快可以達(dá)到50幀/秒（普通處理器），達(dá)到實(shí)時(shí)處理的能力。而傳統(tǒng)算法最快的處理時(shí)間也要一幀幾十秒，無法使用在視頻處理上。 （2）重點(diǎn)研究了面向視頻特性的圖像加速算法，將其整合到視頻編解碼器中，成為具有視頻增強(qiáng)功能的新一代視頻播放器。通過將算法整合到視頻編解碼器中，可以有效降低部署成本和器件的體積功耗，擴(kuò)大了適用范圍，尤其是能夠適用對(duì)體積和功耗有苛刻要求的環(huán)境。 目前本算法已經(jīng)分別在PC、FPGA以及iPhone上實(shí)現(xiàn)，效果明顯。以下為體現(xiàn)我們處理效果的一些圖片：（其中FPGA及配套PCB板設(shè)計(jì)系統(tǒng)已達(dá)到批量生產(chǎn)的要求，可以在零下40度到零上70攝氏度的工業(yè)級(jí)環(huán)境下正常工作。iPhone上的實(shí)現(xiàn)已上傳導(dǎo)蘋果的應(yīng)用程序商店供用戶下載。） 技術(shù)通過對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行均衡，邊緣勾勒，增強(qiáng)，壓縮等多種處理來增強(qiáng)視頻圖像；通過對(duì)去霧算法和黑暗增強(qiáng)算法互相移植，產(chǎn)生更好的增強(qiáng)效果并大大拓寬了算法的適用范圍；將運(yùn)動(dòng)估計(jì)的原理和增強(qiáng)原理緊密結(jié)合，利用視頻的時(shí)間冗余性和空間冗余性改進(jìn)算法，減少計(jì)算復(fù)雜度，可以到達(dá)實(shí)時(shí)處理的需求。 市場(chǎng)上現(xiàn)有視頻增強(qiáng)器，基于傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)算法，采用多DSP實(shí)現(xiàn)。其體積和功耗龐大，成本高昂（接近1萬元，基于本項(xiàng)目的類似硬件產(chǎn)品成本在100元左右）。本技術(shù)的圖像增強(qiáng)效果好，除了黑夜增強(qiáng)、去霧的功能之外，還能處理高動(dòng)態(tài)范圍的低光圖像（如開遠(yuǎn)光燈的車輛）。并且針對(duì)不同天氣情況條件，自適應(yīng)運(yùn)用不同算法和參數(shù)提升視頻圖像質(zhì)量，使清晰度大大提升。技術(shù)降低增強(qiáng)算法的復(fù)雜性，可以實(shí)現(xiàn)視頻圖像在PC、移動(dòng)設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)上的實(shí)時(shí)處理。 將圖像增強(qiáng)算法整合到視頻編解碼器中，合二為一，降低時(shí)間空間開銷，在普通硬件平臺(tái)上就可實(shí)現(xiàn)，降低成本，方便部署。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 隨著平安城市、智能交通等工程的全面建設(shè)，視頻監(jiān)控市場(chǎng)正處于高速增長(zhǎng)期， 2010年產(chǎn)值已過千億，廣泛應(yīng)用在公共安全、交通、電信、金融等行業(yè)。但是，視頻監(jiān)控受環(huán)境影響較大，在煙、霧、水氣、雨、雪、黑暗等環(huán)境會(huì)大大降低成像質(zhì)量，導(dǎo)致使用者很難辨認(rèn)關(guān)鍵物體（如車牌、行人等）。而惡劣環(huán)境更易誘發(fā)事故。因此，用戶迫切需要一種能夠在惡劣環(huán)境下保證圖像質(zhì)量的視頻優(yōu)化產(chǎn)品。針對(duì)此需求，我們提出了國(guó)際領(lǐng)先的視頻圖像增強(qiáng)算法，在保證處理效果的前提下，將處理速度提高為傳統(tǒng)圖片處理速度的100倍以上，并以此為基礎(chǔ)研發(fā)視頻圖 像增強(qiáng)產(chǎn)品，能夠解決惡劣環(huán)境下視頻成像的質(zhì)量問題，具有效果好、速度快、成本低、易部署的特點(diǎn)，受到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注和一致認(rèn)可。 原有的圖像增強(qiáng)方法都是面向靜態(tài)圖像增強(qiáng)而設(shè)計(jì)的，應(yīng)用到動(dòng)態(tài)的視頻圖像時(shí)會(huì)出現(xiàn)處理速度慢、處理效果不佳等問題，難以實(shí)際應(yīng)用。本項(xiàng)目提出的方法能夠有效解決原有方法的不足，主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有兩點(diǎn)： 利用視頻的時(shí)間冗余性和空間冗余性改進(jìn)算法，將運(yùn)動(dòng)估計(jì)的原理和增強(qiáng)原理結(jié)合得非常緊密，使得處理速度最快可以達(dá)到50幀/秒達(dá)到實(shí)時(shí)處理的能力。傳統(tǒng)算法最快的處理時(shí)間也要一幀幾十秒，無法使用在視頻處理上； 重點(diǎn)研究了面向視頻特性的圖像加速算法，將其整合到視頻編解碼器中，成為具有視頻增強(qiáng)功能的新一代視頻播放器。通過將算法整合到視頻編解碼器中，可以有效降低部署成本和器件的體積功耗，擴(kuò)大了適用范圍。 目前本算法已經(jīng)分別在PC、FPGA以及iPhone上實(shí)現(xiàn)，效果明顯。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性： 通過對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行均衡，邊緣勾勒，增強(qiáng)，壓縮等多種處理來增強(qiáng)視頻圖像；通過對(duì)去霧算法和黑暗增強(qiáng)算法互相移植，產(chǎn)生更好的增強(qiáng)效果并大大拓寬了算法的適用范圍；將運(yùn)動(dòng)估計(jì)的原理和增強(qiáng)原理緊密結(jié)合，利用視頻的時(shí)間冗余性和空間冗余性改進(jìn)算法，減少計(jì)算復(fù)雜度，可以到達(dá)實(shí)時(shí)處理的需求。 先進(jìn)性： 市場(chǎng)上現(xiàn)有視頻增強(qiáng)器，基于傳統(tǒng)的圖像增強(qiáng)算法，采用多DSP實(shí)現(xiàn)。其體積和功耗龐大，成本高昂（接近1萬元，基于本項(xiàng)目的類似硬件產(chǎn)品成本在100元左右）；圖像增強(qiáng)效果好，除了黑夜增強(qiáng)、去霧的功能之外，還能處理高動(dòng)態(tài)范圍的低光圖像（如開遠(yuǎn)光燈的車輛）；針對(duì)不同天氣情況條件，自適應(yīng)運(yùn)用不同算法和參數(shù)提升視頻圖像質(zhì)量，使清晰度大大提升；降低增強(qiáng)算法的復(fù)雜性，可以實(shí)現(xiàn)視頻圖像在PC、移動(dòng)設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)上的實(shí)時(shí)處理。 將圖像增強(qiáng)算法整合到視頻編解碼器中，合二為一，降低時(shí)間空間開銷，在普通硬件平臺(tái)上就可實(shí)現(xiàn)，降低成本，方便部署。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 1、獲得2010年“贏在常熟－全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)大賽”一等獎(jiǎng)。本次大賽由中共江蘇省委組織部、科技廳、教育廳、人資社保廳、團(tuán)省委、中國(guó)網(wǎng)絡(luò)電視臺(tái)（CNTV）共同主辦。清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)，以及美國(guó)耶魯大學(xué)、德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)等100多所海內(nèi)外知名高校共提交1128個(gè)創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目，我們的項(xiàng)目脫穎而出，榮獲一等獎(jiǎng)。 2、本項(xiàng)目在校內(nèi)“挑戰(zhàn)杯”中獲得了特等獎(jiǎng)。 3、本項(xiàng)目的創(chuàng)新成果得到國(guó)際學(xué)術(shù)界認(rèn)可，相關(guān)論文發(fā)表在圖像處理國(guó)際頂級(jí)會(huì)議SIGGRAPH 2010（poster）以及ICME 2011，并投稿IEEE相關(guān)期刊。 4、本項(xiàng)目中的相關(guān)技術(shù)和已申請(qǐng)的專利受到了產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注，眾多國(guó)內(nèi)安防公司（如中國(guó)安防技術(shù)有限公司CSST“明景電子”、江蘇億通高科技股份有限公司、深圳市天和榮視頻技術(shù)有限公司等）正在積極推動(dòng)將該技術(shù)應(yīng)用到自身的產(chǎn)品當(dāng)中。我們的樣機(jī)效果已獲得這些廠家的認(rèn)可。 5、本項(xiàng)目于2011年4月通過中國(guó)科學(xué)院國(guó)家科學(xué)圖書館文獻(xiàn)服務(wù)部查新，在國(guó)內(nèi)查新過程中發(fā)現(xiàn)技術(shù)上沒有與本項(xiàng)目相關(guān)性非常高的項(xiàng)目，只有用類似想法做去霧的項(xiàng)目。
作品所處階段
- 生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 將算法以專利權(quán)轉(zhuǎn)讓方式給相關(guān)公司，或者由公司開發(fā)軟件硬件產(chǎn)品或模塊。
作品可展示的形式
- 實(shí)物產(chǎn)品、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以方便集成在現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)中。產(chǎn)品形式可以是軟件模塊也可以硬件固化在FPGA及專用芯片上。一般部署在攝像頭視頻采集的前端，也可以部署在顯示器端。 本項(xiàng)目的視頻圖像增強(qiáng)技術(shù)，能夠自適應(yīng)地實(shí)時(shí)處理不同環(huán)境的視頻圖像，包括黑夜增強(qiáng)、去霧，高動(dòng)態(tài)范圍的低光圖像增強(qiáng)。在成像效果、處理速度等方面大大優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)，還具有成本低，部署容易的優(yōu)勢(shì)。 技術(shù)主要針對(duì)安防領(lǐng)域視頻監(jiān)控系統(tǒng)，這也是對(duì)圖像增強(qiáng)需求最為迫切的領(lǐng)域。視頻監(jiān)控廠商產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，行業(yè)集中度低。我們的技術(shù)能夠促進(jìn)產(chǎn)品差異化，提高利潤(rùn)率，因此具有廣闊的市場(chǎng)前景和議價(jià)能力。已引起行業(yè)內(nèi)多家廠商關(guān)注，表達(dá)合作意向。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)，目前國(guó)內(nèi)每年視頻監(jiān)控相關(guān)的市場(chǎng)規(guī)模超過1000億，每年僅攝像頭生產(chǎn)就超過1000萬臺(tái)，假使其中100萬的高端攝像頭采用我們的技術(shù)，每個(gè)模塊（或芯片）售價(jià)500元，就可以產(chǎn)生5億元的收入。 此外，我們的技術(shù)還可以應(yīng)用于帶有攝像頭的移動(dòng)終端（手機(jī)、平板電腦、DV）以及汽車輔助駕駛系統(tǒng)中。
同類課題研究水平概述
- 對(duì)于惡劣天氣下視頻不清晰的問題，研究者們提出了不同的解決方法。一方面，人們提出利用紅外攝像機(jī)拍攝視頻。但是，紅外攝像頭成本高、能耗高、壽命短，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的成本要求很高,而且在眾多移動(dòng)平臺(tái)上很難采用,比如手機(jī),平板電腦。另一方面，人們?cè)噲D用視頻圖像增強(qiáng)算法解決這個(gè)問題。但是，現(xiàn)有算法尚存在如下幾個(gè)問題。 現(xiàn)存的增強(qiáng)算法的處理速度很慢，即使應(yīng)用高性能計(jì)算設(shè)備專門優(yōu)化，比如[H. Malm, M. Oskarsson, E. Warrant, P. Clarberg, J. Hasselgren, and C. Lejdfors, “Adaptive Enhancement and Noise Reduction in Very Low Light-Level Video,” Proceedings IEEE International Conference on Computer Vision, Rio de Janeiro, Brazil, Oct. 2007, pp. 1-8.]中的GPU加速方法，也很難達(dá)到實(shí)時(shí)處理。近年發(fā)表在代表視覺信號(hào)處理領(lǐng)域最高水平的國(guó)際會(huì)議SIGGRAPH上較為成熟的算法[E.P. Bennett, and L. McMillan, “Video Enhancement Using Per-Pixel Virtual Exposures,” ACM Trans. Graphics (Proceedings ACM SIGGRAPH), Los Angeles, CA, Jul. 2005 vol.24, no.3, pp.861-868.]，處理一張圖像的時(shí)間就需要超過1分鐘，而實(shí)時(shí)視頻增強(qiáng)需要一秒鐘處理30幀圖像。 現(xiàn)有的針對(duì)不同復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景的視頻增強(qiáng)算法都是相對(duì)獨(dú)立的，如有些算法針對(duì)于霧氣去除，有些算法針對(duì)于低亮度增強(qiáng)等。各算法各自為戰(zhàn)，如都在視頻傳感器中實(shí)現(xiàn)，則大大提高視頻傳感器的體積和成本。如針對(duì)不同的具體應(yīng)用環(huán)境定制具有單個(gè)增強(qiáng)模塊的視頻傳感器，則不能充分利用硬件特別是芯片生產(chǎn)的規(guī)模效應(yīng)，不利于視頻傳感器成本的迅速降低。部署之后也必須對(duì)不同傳感器的部署情況進(jìn)行跟蹤，提高維護(hù)成本。 現(xiàn)有算法的處理效果尚不能滿足用戶需求。比如低亮度增強(qiáng)算法中，大部分現(xiàn)有算法還是基于傳統(tǒng)的直方圖算法進(jìn)行擴(kuò)展，增強(qiáng)結(jié)果差強(qiáng)人意。
