[發(fā)明專利]一種基于卡爾曼濾波和雙邊濾波的視頻實(shí)時(shí)去噪方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310460463.1
• 申請(qǐng)日: 2013-10-01
• 公開（公告）號(hào): CN103533214B
• 公開（公告）日: 2017-03-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張茂軍;王煒;劉煜;左承林;譚樹人;徐瑋;熊志輝;張政;譚鑫;賴世銘
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);湖南源信光電科技有限公司
• 主分類號(hào): H04N5/21
• 分類號(hào): H04N5/21;H04N19/57
• 代理公司: 國防科技大學(xué)專利服務(wù)中心43202
• 代理人: 曹德斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于視頻處理領(lǐng)域，主要涉及視頻去噪，特指一種基于卡爾曼濾波和雙邊濾波的視頻實(shí)時(shí)去噪方法，可用于自然大噪聲視頻的實(shí)時(shí)去噪。

背景技術(shù)

隨著數(shù)字光電成像技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字光電成像設(shè)備已廣泛應(yīng)用于計(jì)算攝影、安防監(jiān)控、機(jī)器人導(dǎo)航以及軍事偵察等領(lǐng)域。通常，數(shù)字光電成像設(shè)備的傳感器都是由CCD或者CMOS構(gòu)成，在成像過程中，受光學(xué)噪聲、電阻和電容等元器件噪聲、傳感器噪聲、電路噪聲等影響，輸出的圖像會(huì)不可避免的包含有許多噪聲，這些噪聲不僅破壞了圖像的真實(shí)信息，還嚴(yán)重影響了圖像的視覺效果。隨著實(shí)際應(yīng)用要求的提高，數(shù)字光電成像設(shè)備也大量應(yīng)用于低照度環(huán)境，典型的應(yīng)用如安防監(jiān)控領(lǐng)域，在夜間等低照度環(huán)境下進(jìn)行監(jiān)控。然而，受低照度環(huán)境的影響，獲取的視頻受到嚴(yán)重的噪聲污染，視頻圖像如圖1所示，這極大地影響了實(shí)際的應(yīng)用。因此，對(duì)于這些包含噪聲的視頻圖像，需要進(jìn)行降噪處理，還原得到清晰的視頻圖像，以便進(jìn)行更高層次的處理操作。

目前，視頻的去噪方法主要按空域、時(shí)域以及變換域來進(jìn)行劃分。空域去噪方法只針對(duì)視頻的各幀圖像進(jìn)行去噪處理，較好的空域?yàn)V波方法有雙邊濾波方法、非局部均值濾波方法、稀疏表示下的去噪方法等，對(duì)各幀圖像均能得到較好的去噪效果。但是，由于空域?yàn)V波沒有充分利用時(shí)域信息，不能得到理想的濾波效果。傳統(tǒng)的時(shí)域?yàn)V波雖然考慮了視頻幀間的相關(guān)性，但只適用于靜止的環(huán)境，對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體會(huì)產(chǎn)生偽影、拖影等現(xiàn)象，新的時(shí)域?yàn)V波在原有算法的基礎(chǔ)上加入了運(yùn)動(dòng)估計(jì)，基于視頻各幀圖像的運(yùn)動(dòng)相關(guān)性，可以有效解決這些現(xiàn)象。在變換域去噪方法中，較好的濾波方法有小波去噪方法、三維塊匹配方法BM3D等。此外，根據(jù)視頻的時(shí)空特性，一些時(shí)空結(jié)合的濾波方法被提了出來，如時(shí)空雙邊濾波方法、視頻三維塊匹配方法VBM3D等，在一定程度上取得了較好的效果。

然而，受算法復(fù)雜度的影響，上述的這些濾波方法大部分都無法進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用，如非局部均值濾波方法、稀疏表示下的去噪方法、BM3D以及VBM3D等。其他能滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用的濾波方法，如時(shí)空雙邊濾波等，受去噪效果的限制，無法滿足大噪聲視頻的去噪要求。因此，針對(duì)安防監(jiān)控等領(lǐng)域的應(yīng)用需求，對(duì)低照度環(huán)境下的大噪聲視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)的降噪處理，已成為急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不能既實(shí)時(shí)又有效地對(duì)大噪聲視頻進(jìn)行降噪處理的問題，本發(fā)明提出了一種基于卡爾曼濾波和雙邊濾波的視頻實(shí)時(shí)去噪方法，能夠?qū)σ曨l進(jìn)行實(shí)時(shí)地降噪處理，并且具有較好的去噪效果。

為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種基于卡爾曼濾波和雙邊濾波的視頻實(shí)時(shí)去噪方法，包括如下步驟：

步驟一：獲取當(dāng)前時(shí)刻待處理圖像幀，以及保存的已完成去噪處理的當(dāng)前幀之前的n幀圖像，n為整數(shù)；所述n為預(yù)先設(shè)置的值；

步驟二：采用均值濾波器對(duì)當(dāng)前時(shí)刻待處理圖像幀進(jìn)行預(yù)濾波處理；

步驟三：將步驟二預(yù)濾波處理后的圖像和保存的已完成去噪處理的當(dāng)前幀之前的n幀圖像分別劃分為若干個(gè)相同大小的塊圖像，將預(yù)濾波處理后的圖像中的每個(gè)塊圖像分別與保存的已完成去噪處理的當(dāng)前幀之前的n幀圖像中相對(duì)應(yīng)的塊圖像進(jìn)行匹配計(jì)算，得到n個(gè)該塊圖像的初始運(yùn)動(dòng)估計(jì)值，再通過對(duì)所述n個(gè)塊圖像的初始運(yùn)動(dòng)估計(jì)值進(jìn)行加權(quán)平均，得到待處理圖像幀中該塊圖像的運(yùn)動(dòng)估計(jì)值；對(duì)于待處理圖像幀中各像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)值，均取值為該像素點(diǎn)所在塊圖像的運(yùn)動(dòng)估計(jì)值；

步驟四：根據(jù)步驟三得到的待處理圖像幀中各像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)值建立卡爾曼濾波的運(yùn)動(dòng)方差矩陣，在時(shí)間域上采用卡爾曼濾波方法對(duì)當(dāng)前時(shí)刻待處理圖像幀進(jìn)行降噪處理，得到卡爾曼濾波后的去噪圖像；

步驟五：在空間域上采用雙邊濾波器對(duì)當(dāng)前時(shí)刻待處理圖像幀進(jìn)行降噪處理，得到雙邊濾波后的去噪圖像；

步驟六：根據(jù)步驟三得到的待處理圖像幀中各像素點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)估計(jì)值計(jì)算其高斯權(quán)重值，結(jié)合步驟四得到的卡爾曼濾波后的去噪圖像以及步驟五得到的雙邊濾波后的去噪圖像，通過加權(quán)獲得最終的去噪圖像，并保存為當(dāng)前幀已完成去噪處理的圖像。

進(jìn)一步地，所述步驟一中保存的已完成去噪處理的當(dāng)前幀之前的n幀圖像的初始值，即對(duì)于視頻圖像的第1幀至第n幀，將每一幀圖像的原始含噪圖像保存為其對(duì)應(yīng)的已完成去噪處理的圖像。

進(jìn)一步地，所述步驟一中保存的已完成去噪處理的當(dāng)前幀之前的n幀圖像的初始值，即對(duì)于視頻圖像的第1幀至第n幀，其對(duì)應(yīng)的已完成去噪處理的圖像采用如下方式確定：

（1）對(duì)于視頻圖像的第1幀，將該第1幀圖像的原始含噪圖像保存為其對(duì)應(yīng)的已完成去噪處理的圖像；