一种基于小波分析和伪彩色处理的比赛视频图像增强方法

一种基于小波分析和伪彩色处理的比赛视频图像增强方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及视频处理技术领域，具体地，设及一种基于小波分析和伪彩色处理的 比赛视频图像增强方法。
【背景技术】
[0002] 常用的足球比赛视频图像增强方法及其缺陷
[0003]足球比赛视频图像增强是指针对给定图像的应用场合，有目的地增强足球比赛视 频图像的整体或局部特性，将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，扩大 足球比赛视频图像中不同物体特征之间的差别，抑制不感兴趣的特征，使图像与视觉响应 特性相匹配，改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效果，满足某些图像分析的 需要。
[0004]常用的足球比赛视频图像增强方法可分为频率域法和空间域法。基于频率域的算 法是在足球比赛视频图像的某种变换域内对图像的变换系数值进行某种修正，是一种间接 增强算法。频率域法把足球比赛视频图像看成一种二维信号，对其进行基于二维傅里叶变 换的信号增强方法，其处理过程如图1所示。频率域法先根据具体的增强要求设计适当的 修正函数H(x，y)，然后利用傅里叶变换将足球比赛视频图像变换到频率域F(x，y)，再对足 球比赛视频图像的频谱进行某种滤波修正，即进行F(x，y) ?H(x，y)运算得到G(x，y)，最后 将修正后的图像进行傅里叶反变换到空间域，W此得到增强图像g(x，y)。在此过程中采用 低通滤波法去除图中的噪声；采用高通滤波法增强边缘等高频信号，使模糊的图像变得清 晰。利用频率域法进行足球比赛视频图像增强结果如图2所示。
[0005] 基于空域的算法分为点运算算法和邻域增强算法。点运算算法即灰度级校正、灰 度变换和直方图修正等，目的是使足球比赛视频图像成像均匀，或扩大足球比赛视频图像 动态范围，扩展对比度。邻域增强算法分为图像平滑和锐化两种。平滑一般用于消除图像 噪声，但是也容易引起边缘的模糊。锐化的目的是为了突出物体的边缘轮廓，有利于目标识 另IJ。具有代表性的空间域算法有局部求平均值法和中值滤波法等，它们可用于去除或减弱 噪声。常用算法有梯度法、算子、高通滤波、掩模匹配法、统计差值法等。空间域法是对图像 中的像素点进行卷积运算操作，用公式描述如下：
[0006]g(x,y) =f(x,y)*h(x,y) (4)
[0007] 其中，f(x，y)表示原始足球比赛视频图像函数；h(x，y)表示（低通或高通滤波） 滤波器脉冲响应空间转换函数；g(x，y)表示处理后的足球比赛视频图像函数。利用直方图 修正进行足球比赛视频图像增强结果如图3所示，利用灰度变换进行足球比赛视频图像增 强结果如图4所示。
[0008] 传统的足球比赛视频图像增强算法是基于整幅图像的统计量，因此，在计算整幅 图像的变换时，同时对图像中的低频信息、高频信息W及噪声信息进行了变换，因而增强图 像的同时增强了图像中的噪声，降低了图像的信噪比，导致图像的信息滴下降。不利于对感 兴趣的目标进行后续分析处理，未达到预期的增强目的。
[0009] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在操作过程复杂、花费时 间长和可靠性低等缺陷。

【发明内容】

[0010] 本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于小波分析和伪彩色处理的比赛 视频图像增强方法，W实现操作过程简单、花费时间短和可靠性高的优点。
[0011] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是；一种基于小波分析和伪彩色处理的 比赛视频图像增强方法，包括：
[0012] a、利用图像的正交小波变换对足球比赛视频图像进行变换处理；
[0013]b、基于正交小波变换的足球比赛视频图像增强处理；
[0014] C、图像的伪彩色足球比赛视频增强处理。
[0015] 进一步地，所述步骤a,具体包括；
[0016]假设种/为尺度空间任意尺度系数系列，h。和h1分别为正交小波函数的低通滤波 器和高通滤波器系数，该两组系数对任意尺度而言都是恒定的，正交小波变换各系数之间 的关系用（1)表示：
[0017] (1)
[0018] 原始足球比赛视频图像在一个尺度下的边缘轮廓能够分解为更小尺度下的低频 分量、水平高频分量、垂直高频分量和对角分量四个部分，它们是分别经过四个不同滤波器 得到的代表原始足球比赛视频图像的不同信息，其中4是诚1经过行与列两个方向上的低 通滤波器获得的，它对应于鸣在下一尺度上的边缘轮廓信息； 是经过行方向上的 高通滤波器和列方向上的低通滤波器获得的，它对应于切^水平方向上的细节信息在垂直 方向上的概貌；同理，化表示 垂直方向上的细节信息在水平方向上的概貌；括表示诗 对角方向上的细节信息；
[0019] 足球比赛视频图像经二维正交小波变换分解之后，分别得到图像的低频分量、水 平高频分量、垂直高频分量和对角分量。
[0020] 进一步地，所述步骤b，具体包括；
[0021] 首先利用小波分形插值对足球比赛视频图像信号进行去噪处理，得到较好去除噪 声的效果；
[0022] 然后运用正交小波变换将一幅足球比赛视频图像分解为大小、位置和方向都不同 的分量，在进行逆变换之前可W改变小波变换域中某些系数的大小，放大对足球比赛视频 图像中感兴趣的分量而衰减对图像处理结果影响不大的分量；
[0023] 正交小波分析方法是一种空间窗和频率窗都可作自适应改变、空频局部化分析方 法，二维多尺度离散正交小波分析定义为：
(2)[00幼式中f (X，y)为图像信号；Sjf (n，m)是f (X，y)的低频分量；町/的如、WA/、"，'";、 W//(?，"0分别代表f (X，y)的垂直、对角和水平高频分量；[0026] 当式（3)成立时，即高频分量权重较大时，足球比赛视频图像看起来较清晰：
[0024]
[0027] (3)
[002引其中，巧为高频小波系数；G为低频小波系数；k为高频分量权重；j为小波分 解层数。
[0029] 进一步地，所述步骤C，具体包括：
[0030] 采用频率域伪彩色处理增强法对足球比赛视频图像进行伪彩色处理；
[0031] 基于小波分析和伪彩色处理的足球比赛视频图像增强。
[0032] 进一步地，所述采用频率域伪彩色处理增强法对足球比赛视频图像进行伪彩色处 理的操作，进一步包括：
[0033] 先把足球比赛视频图像经傅立叶变换到频率域，在频率域内=个不同传递特性的 滤波器分离成=个独立分量；
[0034] 然后对它们进行逆傅立叶变换，便得到=幅代表不同频率分量的单色图像，接着 对该=幅图像作进一步的处理；
[00巧]最后将它们作为=基色分量分别加到彩色显示器的红、绿、藍显示通道，实现频率 域分段的伪彩色增强。
[0036] 进一步地，所述基于小波分析和伪彩色处理的足球比赛视频图像增强的操作，进 一步包括：
[0037] Step1:使用正交分形小波变换处理足球比赛视频图像，得到去噪后的图像；
[0038]Step2:利用正交小波变换将足球比赛视频图像分解为更小尺度下的低频分量、 水平高频分量、垂直高频分量和对角分量四个部分；
[0039]Step3:对图像中感兴趣的部分进行放大，同时对图像中不重要的信息进行弱化 处理；
[0040]Step4:采用正交小波变换足球比赛视频图像增强算法得到结果图像后，将其转 化为频率域，采用伪彩色处理的图像增强方法对不同频率部分进行处理，获得更好的足球 比赛视频图像增强效果。
[0041] 本发明各实施例的基于小波分析和伪彩色处理的比赛视频图像增强方法，由于包 括；a、利用图像的正交小波变换对足球比赛视频图像进行变换处理；b、基于正交小波变换 的足球比赛视频图像增强处理；C、 图像的伪彩色足球比赛视频增强处理；从而可W克服现 有技术中操作过程复杂、花费时间长和可靠性低的缺陷，W实现操作过程简单、花费时间短 和可靠性高的优点。
[0042] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
[0043] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0044] 附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实 施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0045] 图1为本发明中频率域法足球比赛视频图像增强原理图；
[0046] 图2为本发明中频率域法足球比赛视频图像增强，（a)、化）、（C)依次为原图像、 FFT2变换图像和增强图像；
[0047] 图3为本发明中直方图修正图像增强，（a)为原图像，化）为（a)的直方图，（C)为 增强图像，（d)为（C)的直方图；
[004引图4为本发明中灰度线性变换图像增强，（a)为原图像，化）为增强图像；
[0049] 图5为本发明中基本小波分解示意图（多级分解示意图）；
[0050]图6为本发明中S层小波分解示意图；
[005。图7为本发明中正交小波变换足球比赛视频图像增强，（a)为原图像，化）为增强 图像；
[0052]图8为本发明中频域滤波法实现伪彩色处理的示意图；
[005引图9为本发明技术方案提出方法的图像增强，（a)为原图像的低灰度级增强图像， 化）为原图像的高灰度级增强图像；
[0054] 图10为本发明中模糊足球比赛视频图像增强，（a)为模糊图像，化）为增强图像。
【具体实施方式】
[0055]W下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实 施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0056] 根据本发明实施例，如图1-图10所示，提供了一种基于小波分析和伪彩色处理的 比赛视频图像增强方法。
[0057] 基于小波分析和伪彩色处理的足球比赛视频图像增强
[005引 2. 2. 2. 1足球比赛视频图像的正交小波变换
[0059] 本发明技术方案为了实现足球比赛视频图像增强，利用图像的正交小波变换对足 球比赛视频图像进行变换处理。
[0060]假设巧为尺度空间任意尺度系数系列，h。和h1分别为正交小波函数的低通滤波 器和高通滤波器系数，该两组系数对任意尺度而言都是恒定的，该样，正交小波变换的快速 分解可用图5来表示。正交小波变换各系数之间的关系用（1)表示。
[0061] (1)
[0062] 由图4可知，原始足球比赛视频图像在一个尺度下的边缘轮廓可W分解为更小尺 度下的低频分量、水平高频分量、垂直高频分量和对角分量四个部分，它们是分别经过四个 不同滤波器得到的代表原始足球比赛视频图像的不同信息，其中是咕1经过行与列两个 方向上的低通滤波器获得的，它对应于在下一尺度上的边缘轮廓信息；是诗-I姪过 行方向上的高通滤波器和列方向上的低通滤波器获得的，它对应于水平方向上的细节 信息在垂直方向上的概貌；同理，表示片/垂直方向上的细节信息在水平方向上的概貌； 的表示诗对角方向上的细节信息。足球比赛视频图像经二维正交小波变换分解之后，分 别得到图像的低频分量、水平高频分量、垂直高频分量和对角分量。图6为足球比赛视频 图像经过=层正交小波分解图，其中C3为图像的低频部分，图像的大部分能量都集中在该 一区域，〇;?(./ = 1，2,3;^ =A，v，，則分别为水平、垂直与对角分量，它们都是图像的细节信息部 分。
[0063] 2. 2. 2. 2基于正交小波变换的足球比赛视频图像增强处理
[0064] 由于图像信号在各层相应位置上的小波系数之间往往具有很强的相关性，而噪声 的小波系数则具有弱相关或不相关的特点。首先利用小波分形插值对足球比赛视频图像信 号进行去噪处理，可W得到较好去除噪声的效果。然后运用正交小波变换将一幅足球比赛 视频图像分解为大小、位置和方向都不同的分量，在进行逆变换之前可W改变小波变换域 中某些系数的大小，该样就可W有选择地放大对足球比赛视频图像中感兴趣的分量而衰减 对图像处理结果影响不大的分量。正交小波分析方法是一种空间窗和频率窗都可作自适应 改变、空频局部化分析方法，它与传统的傅里叶分析方法相比，具有更好的空频窗口特性。
[0065] 二维多尺度离散正交小波分析定义为：
[0066] (2)
[0067]式中f (X，y)为图像信号；Sjf(n，m)是f (X，y)的低频分量；w;./、。，'")、吟八"，'")、 分别代表f(X，y)的垂直、对角和水平高频分量。
[0068] 由此可见，经过二维离散正交小波分析后，足球比赛视频图像被分为低频分量和 垂直、对角和水平=个高频分量。由于低对比度图像主要表现在=个高频分量偏小，造成图 像细节模糊，因此适当增加=个高频分量，可W增强图像细节信息。于是，当式（3)成立时， 即高频分量权重较大时，足球比赛视频图像看起来较清晰。
[0069]
(3)
[0070] 其中，Cf为高频小波系数；为低频小波系数；k为高频分量权重；j为小波分 解层数。利用正交小波变换足球比赛视频图像增强方法得到的实验结果如图7所示。但 采用本方法后，由于增强了高频分量，因而所得足球比赛视频图像常常会偏亮，其对比度较 差，所W还需用伪彩色处理来进一步增加足球比赛视频图像的分辨率。
[0071] 2. 2. 2. 3图像的伪彩色足球比赛视频增强处理
[0072] 本发明技术方案采用频率域伪彩色处理增强法对足球比赛视频图像进行伪彩色 处理，先把足球比赛视频图像经傅立叶变换到频率域，在频率域内=个不同传递特性的滤 波器分离成=个独立分量，然后对它们进行逆傅立叶变换，便得到=幅代表不同频率分量 的单色图像，接着对该=幅图像作进一步的处理（如直方图均衡化），最后将它们作为=基 色分量分别加到彩色显示器的红、绿、藍显示通道，从而实现频率域分段的伪彩色增强。其 框图如图8。
[0073] 2. 2. 2. 4基于小波分析和伪彩色处理的足球比赛视频图像增强
[0074] 为了克服基于正交小波分析足球比赛视频图像增强算法及伪彩色处理的足球比 赛视频图像增强算法的缺陷，本发明技术方案提出了基于正交小波分析和伪彩色处理的足 球比赛视频图像增强算法。该算法既可W克服采用正交小波分析足球比赛视频图像增强算 法处理的图像偏亮及对比度较差等缺陷，又可克服伪彩色处理的足球比赛视频图像增强算 法不能够充分处理图像中某些细节信息的缺陷。算法的具体实施步骤如下：
[00巧]Step1:使用正交分形小波变换处理足球比赛视频图像，得到去噪后的图像。
[0076]Step2:利用正交小波变换将足球比赛视频图像分解为更小尺度下的低频分量、 水平高频分量、垂直高频分量和对角分量四个部分。
[0077]Step3:为了达到足球比赛视频图像增强的目的，有选择性地对图像中感兴趣的 部分进行放大，同时对图像中不重要的信息进行弱化处理。
[0078] Step 4:采用正交小波变换足球比赛视频图像增强算法得到结果图像后，将其转 化为频率域，采用伪彩色处理的图像增强方法对不同频率部分进行处理，获得更好的足球 比赛视频图像增强效果。
[0079] 利用本发明技术方案提出的基于正交小波分析和伪彩色处理的足球比赛视频图 像增强方法处理的结果如图9所示。由于视频图像在摄制及播放的过程中可能会产生模糊 图像，可W利用本发明技术方案提出的方法来增强模糊图像，如图10所示。
[0080] 实验对比
[0081] 本发明技术方案通过计算增强后的足球比赛视频图像的均值、信息滴和清晰度来 对足球比赛视频图像增强效果进行定量方面评价。利用式（5)来计算图像的均值。
[0082]
(5)
[0083] 其中，I。为增强后的结果图像，狂，Y)为图像大小。对于一幅图像来说，均值反映 了图像的平均亮度。如果均值适中（灰度值128在附近），则表明视觉效果良好。
[0084] 信息滴的计算定义如下：
[0085]
(()
[008引其中，Pi为图像的灰度级G化拥应的概率；L为灰度级总数；i G(0,1，...心2, kl)。滴值越大，反映了图像携带的信息量越多，因此信息滴是衡量图像 信息丰富程度的一个重要指标。
[0087] 足球比赛视频图像的清晰度可W用式（7)来计算：
[0088] 清晰度可W反映出足球比赛视频图像中的微小细节反差和纹理变换特征。清晰度 值越大，说明对应的足球比赛视频图像越清晰。3种算法增强后足球比赛视频图像的均值， 信息滴和清晰度如表1所示。3种算法增强后足球比赛视频图像的RGB各个通道的均值，信 息滴和清晰度如表2所示。
[0089]
(7)
[0090] 表1增强后的图像的均值、信息滴和清晰度
[0091]
[009引表2增强后的图像的均值、信息滴和清晰度
[0093]
[0094] 本部分介绍了足球比赛视频图像预处理技术。首先介绍了均值滤波去噪、中值滤 波去噪、基于PDE的图像去噪、全变分图像去噪和分形小波变换去噪五种常用图像去噪方 法及其缺陷。提出了基于多元统计模型的分形小波自适应图像去噪算法。在去噪过程中， 首先建立了一个多元统计模型，该模型能够更准确地估计各种相关信息，且模型参数改善 比较灵活。然后通过与分形小波去噪方法结合可W选择高品质的图像空间。在适度的噪声 方差下可W根据拼贴距离在最好的子树域中找到近优父子树。最后通过从噪声图像中预测 出无噪声的图像分形小波编码，从而达到优化去噪的目的。该方法在去除噪声的同时，能有 效地保持图像的边缘及纹理特征，很好地保留图像的精细结构，取得了良好的去噪效果。由 于采用了预测小波分形编码，优化了算法结构，算法的处理速度比较快。其次介绍了常用的 频率域足球比赛视频图像增强和空间域足球比赛视频图像增强方法及其缺陷。提出了基于 正交小波分析和伪彩色处理的足球比赛视频图像增强算法，该算法既可W克服采用正交小 波分析足球比赛视频图像增强算法处理的图像偏亮及对比度较差等缺陷，又可克服伪彩色 处理的足球比赛视频图像增强算法不能够充分处理图像中某些细节信息的缺陷。
[0095] 最后应说明的是；W上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明， 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可 W对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。 凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于小波分析和伪彩色处理的比赛视频图像增强方法，其特征在于，包括： a、 利用图像的正交小波变换对足球比赛视频图像进行变换处理； b、 基于正交小波变换的足球比赛视频图像增强处理； c、 图像的伪彩色足球比赛视频增强处理。2. 根据权利要求1所述的基于小波分析和伪彩色处理的比赛视频图像增强方法，其特 征在于，所述步骤a，具体包括： 假设为尺度空间任意尺度系数系列，Iitl和h 别为正交小波函数的低通滤波器和 高通滤波器系数，这两组系数对任意尺度而言都是恒定的，正交小波变换各系数之间的关 系用⑴表不：原始足球比赛视频图像在一个尺度下的边缘轮廓能够分解为更小尺度下的低频分量、 水平高频分量、垂直高频分量和对角分量四个部分，它们是分别经过四个不同滤波器得到 的代表原始足球比赛视频图像的不同信息，其中功是经过行与列两个方向上的低通滤 波器获得的，它对应于4在下一尺度上的边缘轮廓信息；是经过行方向上的高通 滤波器和列方向上的低通滤波器获得的，它对应于<广水平方向上的细节信息在垂直方向 上的概貌；同理，及纟表示4垂直方向上的细节信息在水平方向上的概貌；#:表示对 角方向上的细节信息； 足球比赛视频图像经二维正交小波变换分解之后，分别得到图像的低频分量、水平高 频分量、垂直高频分量和对角分量。3. 根据权利要求1或2所述的基于小波分析和伪彩色处理的比赛视频图像增强方法， 其特征在于，所述步骤b，具体包括： 首先利用小波分形插值对足球比赛视频图像信号进行去噪处理，得到较好去除噪声的 效果； 然后运用正交小波变换将一幅足球比赛视频图像分解为大小、位置和方向都不同的分 量，在进行逆变换之前可以改变小波变换域中某些系数的大小，放大对足球比赛视频图像 中感兴趣的分量而衰减对图像处理结果影响不大的分量； 正交小波分析方法是一种空间窗和频率窗都可作自适应改变、空频局部化分析方法， 二维多尺度离散正交小波分析定义为：式中f(x，y)为图像信号；S/km)是f(x，y)的低频分量；</("，"〇、 </("，"〇分别代表f(x，y)的垂直、对角和水平高频分量； 当式（3)成立时，即高频分量权重较大时，足球比赛视频图像看起来较清晰：其中，Cf为高频小波系数；为低频小波系数；k为高频分量权重；j为小波分解层 数。4. 根据权利要求3所述的基于小波分析和伪彩色处理的比赛视频图像增强方法，其特 征在于，所述步骤c，具体包括： 采用频率域伪彩色处理增强法对足球比赛视频图像进行伪彩色处理； 基于小波分析和伪彩色处理的足球比赛视频图像增强。5. 根据权利要求4所述的基于小波分析和伪彩色处理的比赛视频图像增强方法，其特 征在于，所述采用频率域伪彩色处理增强法对足球比赛视频图像进行伪彩色处理的操作， 进一步包括： 先把足球比赛视频图像经傅立叶变换到频率域，在频率域内三个不同传递特性的滤波 器分离成三个独立分量； 然后对它们进行逆傅立叶变换，便得到三幅代表不同频率分量的单色图像，接着对这 三幅图像作进一步的处理； 最后将它们作为三基色分量分别加到彩色显示器的红、绿、蓝显示通道，实现频率域分 段的伪彩色增强。6. 根据权利要求4所述的基于小波分析和伪彩色处理的比赛视频图像增强方法，其特 征在于，所述基于小波分析和伪彩色处理的足球比赛视频图像增强的操作，进一步包括： Step 1:使用正交分形小波变换处理足球比赛视频图像，得到去噪后的图像； Step 2:利用正交小波变换将足球比赛视频图像分解为更小尺度下的低频分量、水平 高频分量、垂直高频分量和对角分量四个部分； Step 3:对图像中感兴趣的部分进行放大，同时对图像中不重要的信息进行弱化处 理； Step 4:采用正交小波变换足球比赛视频图像增强算法得到结果图像后，将其转化为 频率域，采用伪彩色处理的图像增强方法对不同频率部分进行处理，获得更好的足球比赛 视频图像增强效果。
【专利摘要】本发明公开了一种基于小波分析和伪彩色处理的比赛视频图像增强方法，包括：a、利用图像的正交小波变换对足球比赛视频图像进行变换处理；b、基于正交小波变换的足球比赛视频图像增强处理；c、图像的伪彩色足球比赛视频增强处理。本发明所述基于小波分析和伪彩色处理的比赛视频图像增强方法，可以克服现有技术中操作过程复杂、花费时间长和可靠性低等缺陷，以实现操作过程简单、花费时间短和可靠性高的优点。
【IPC分类】G06T5/00
【公开号】CN104881847
【申请号】CN201510186348
【发明人】王智文, 刘美珍, 罗功坤, 阳树洪, 欧阳浩, 蒋联源, 李春贵, 夏冬雪
【申请人】广西科技大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月17日