一種基于運(yùn)動檢測的智能視頻序列降噪算法

　　(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，江蘇省江陰市214433)

　　0 引 言

　　目前圖像去噪的方法大致分為空域濾波和時域濾波兩類。空域濾波有中值濾波、基于小波變換的濾波、系數(shù)自適應(yīng)濾波等經(jīng)典濾波方法，都取得較好的圖像處理效果，但在視頻應(yīng)用中，由于空域濾波沒有充分利用時域的信息，不能取得最佳效果。時域濾波由于考慮了幀間圖像的相關(guān)性，具有更好的效果，但是此類方法只適用于靜止目標(biāo)，對運(yùn)動目標(biāo)會產(chǎn)生偽影等時域模糊現(xiàn)象。對于微位移目標(biāo)，該方法會引起目標(biāo)邊緣的虛像甚至偽像；對于大運(yùn)動目標(biāo)，可能導(dǎo)致目標(biāo)圖像不可識別。在后兩種情況下，圖像的信噪比會降低。

　　本文提出一種基于運(yùn)動檢測的智能時域、空域視頻濾波降噪算法，該方法能夠有效地區(qū)分每幀圖像的運(yùn)動區(qū)域和靜止區(qū)域，并對每幀運(yùn)動區(qū)域和靜止區(qū)域的像素采用不同的濾波策略，每一策略又進(jìn)一步根據(jù)當(dāng)前像素的局部特性自適應(yīng)地進(jìn)行處理。實驗結(jié)果表明，由于該方法結(jié)合了運(yùn)動檢測算法、時域自適應(yīng)算法、空域自適應(yīng)算法，所以能夠使圖像去噪的效果達(dá)到單個算法所不能達(dá)到的效果。 1基于運(yùn)動檢測的自適應(yīng)濾波算法

　　1．1算法原理

　　整個算法的流程如圖1所示。由于時域均值濾波能對視頻序列的靜止區(qū)域產(chǎn)生更好的結(jié)果，算法應(yīng)盡可能使用時域均值濾波。為此，算法降低了對靜止區(qū)域的判決標(biāo)準(zhǔn)：除了前后幀沒有差別的區(qū)域被認(rèn)為是靜止區(qū)域之外，那些只有前面少量幀檢測到運(yùn)動的位置依然被認(rèn)為是靜止區(qū)域(這種情況的例子很多，如靜止背景中有快速運(yùn)動物體劃過、靜止不動的物體偶爾地運(yùn)動等)。對于運(yùn)動區(qū)域，為了避免偽影等時域模糊現(xiàn)象，算法只使用空間處理。其中閾值Tt用于判斷在時域上兩個像素之間的差別是由運(yùn)動造成的還是由噪聲造成的；閾值Ts用來判斷空域上兩個像素間的差別是由噪聲造成的還是由圖像邊緣或紋理等空間細(xì)節(jié)造成的，這兩個閾值與噪聲的方差成正比。

　　1．2運(yùn)動區(qū)域檢測算法

　　運(yùn)動區(qū)域檢測在本算法中居于核心地位，決定整個算法的性能。為了降低噪聲對檢測準(zhǔn)確性的干擾，本算法先將輸入幀劃分為小塊，計算小塊的均值來判斷前后幀是否有運(yùn)動出現(xiàn)，這實際t是先進(jìn)行空間濾波后進(jìn)行判斷，而區(qū)域的運(yùn)動性質(zhì)判斷則以子塊為單位。

　　將當(dāng)前幀劃分成4×4大小的子快，首先計算塊內(nèi)的平均值，然后進(jìn)行比較，若兩子塊差值小于閾值Tt，則將計數(shù)Count(記為c)加1。如果c大于80％，也就是說，當(dāng)前幀的前L幀中絕大多數(shù)(大于80％)的當(dāng)前位置處沒有運(yùn)動，則為靜止區(qū)域，可以進(jìn)行時域均值濾波，否則判斷為運(yùn)動區(qū)域。為進(jìn)一步保證檢測的準(zhǔn)確性，本算法還加入對檢測結(jié)果的空間約束，亦即若某一子塊被發(fā)現(xiàn)是運(yùn)動子塊，那么它的所有相鄰子塊都被判定是運(yùn)動子塊。

　　上述運(yùn)動檢測(輸入當(dāng)前幀的當(dāng)前子塊B(i，j，k)時)的步驟如下：

　　a)完成初始設(shè)置，置C=0。

　　b)若當(dāng)前子塊的標(biāo)記M(i，j)已被標(biāo)記為運(yùn)動或靜止，則不作處理，直接轉(zhuǎn)步驟^。

　　c)計算子塊的平均值S(i，j,k)，即

　　d)比較．s與第k一l幀對應(yīng)子塊平均值．s(i,j，k一l)，若差值小于閾值T1時，轉(zhuǎn)步驟e，否則轉(zhuǎn)步驟f。其中，閾值T1=(1．3σv)2。

　　e)C=C+1。

　　f)若全部幀已經(jīng)比較完畢，轉(zhuǎn)步驟g，否則l=l+l，轉(zhuǎn)步驟d。

　　g)若C／L>80％，置當(dāng)前子塊的標(biāo)記M(j,j)為靜止塊，否則為運(yùn)動塊，并置當(dāng)前塊的所有相鄰塊為運(yùn)動塊。

　　h)當(dāng)前子塊的檢測結(jié)束。

　　1．3時域自適應(yīng)濾波算法

　　如前所述，對于靜止區(qū)域的像素，簡單的時域均值濾波能得到原始信號的最優(yōu)估計，因而本算法中采用下式所示的自適應(yīng)時域濾波器：

　　1．4空域自適應(yīng)濾波算法

　　空域濾波比時域濾波復(fù)雜得多，這是因為視頻圖像的每一幀都包含豐富的空間信息，幾乎不可能出現(xiàn)靜止區(qū)域像素在時域上組成一個常數(shù)信號的情況。在使用空間濾波器濾除噪聲時，容易對每幀的細(xì)節(jié)產(chǎn)生明顯的模糊，降低視頻圖像的視覺質(zhì)量。因而，空域的濾波要求更高的靈活性，在降噪的同時要盡可能保留圖像中的邊緣、紋理等細(xì)節(jié)信息。

　　本算法采用的空域自適應(yīng)濾波的原理如下式：

　　式中：S1j為空間濾波器的范圍；T=(1．8σv)2。

　　由式(2)和式(3)可見，本算法的空域自適應(yīng)濾波為避免毀壞圖像各幀中的邊緣、紋理等細(xì)節(jié)，當(dāng)前像素的濾波值只由濾波器范圍內(nèi)彼此相近的像素決定，當(dāng)某像素與當(dāng)前像素差別較大時，其權(quán)值很小，因而對當(dāng)前點(diǎn)的濾波值的影響也很小。同時，與當(dāng)前像素空間位置越接近的點(diǎn)對當(dāng)前像素的濾波值影響越大，這進(jìn)一步減輕了空間濾波過程對圖像的空間細(xì)節(jié)的毀壞。

　　2實驗結(jié)果分析

　　本文只對加了高斯噪聲的"Foreman"測試序列進(jìn)行了處理。處理結(jié)果如圖2所示。

　　3種濾波器進(jìn)行處理后的圖像的信噪比見表1。

　　經(jīng)過分析可以發(fā)現(xiàn)，使用空域濾波器得到的效果最差，時域濾波器得到的效果比較好，但是在圖像運(yùn)動部分效果一般。用本文提出的基于運(yùn)動檢測的算法處理時，得到的效果最好，其信噪比有很大的提高，同時，主觀上可以看出明顯的區(qū)別。

　　3結(jié)束語

　　本文提出的算法結(jié)合了時域、空域視頻濾波降噪算法，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)，同時能夠避免使用單個算法的缺點(diǎn)，所以得到了最佳的效果，試驗結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。