提高视频图像分辨率的方法探究

提高视频图像分辨率的方法探究

蓝宗长

蓝宗长

广东省工业设备安装有限公司广东广州510080

摘要：由于软硬件各方面因素的限制，视频监控系统在关键技术方面，存在着一些不足之处，在监控图像的采集与处理过程中，由于各种因素影响，会导致图像分辨率的下降，视频监控录像回放分辨率往往不能达到使用要求，其主要表现为模糊、噪声和变形，达不到监控的要求，影响系统功能。

关键词：图像；分辨率；格式

一、提高数字视频图像分辨率原理分析

要提高图像的分辨率，首先要认真分析自己的视频监控需求，结合标清网络摄像机、HDTV网络摄像机和百万像素网络摄像机，通过平衡需求，一个监控解决方案，可以具有最佳的成本效益和满足所需图像的可用性。其次是对视频图像分辨率不高的原因进行分析，对视频图像成像储存的环节进行分析，才能根据不同的原因采取不同的解决方案。

视频图像的应用分为4个步骤：图像采集、图像传输、图像储存、图像回放。

1、图像采集：图像采集就是利用摄像机中电子传感器把光学影像转换成电信号（数字信号），以便与传输及储存。传感器的形状和尺寸、光学部件性能的好坏直接影响图像的分辨率。

2、图像传输：图像传输就是利用光缆、电缆、无线等方式将采集来的图像传输到显示或者储存设备。在传输过程中，会引入不同类型的噪声，而且噪声的引入方式也不同，加性噪声和乘性噪声都会直接影响到图像的分辨率。

3、图像储存：目前模拟录像机已基本淘汰，应用最广是数字硬盘录像机，基本原理是将模拟的音视频信号通过数据压缩形式转变为MPEG数字信号存储在硬盘上。数字化采集过程也会降低图像分辨率。

4、图像回放：图像回放就是重现存储在系统中的视频图像资料。随着网络的延伸，视频监控规模不断扩大，使得智能化的视频成为监控的必要选择。根据研究，在一个4分屏的监视器前，一个操作员最多只能聚精会神地观察20分钟，就会开始错失重要事件。因此，智能化是视频监控发展的必然方向。

二、图像质量优化控制方案

根据视频监控系统的工作原理，针对视频图像应用的各个环节，主要有硬件和软件两大类，本文采用优化摄像机、存储图像处理、优化录像机、优化录像格式、存储图像处理5种方案。

1、优化摄像机

传感器固有的采样频率限制了图像的空间分辨率，提高分辨率最直接的方法是降低像素尺寸，提高单位面积的像素数目。

2、优化传输系统

图像传输过程中引进的噪声会直接影响到图像的分辨率。对传输系统进行优化，如更新为先进的光缆传输系统、增加长距离补偿器、增加视频抗干扰器等可以提高图像的信噪比，相应提高图像分辨率。采用中央监控和分区监控相结合的方式，利用办公及智能化网把整个校区的安全防范连为一个整体。

3、优化录像机

考虑到录像资料储存时间的限制，摄像机采集到的图像在储存时采用压缩的格式，去除了不必要的高频部分，相应的视频图像则损失了图像细节，即降低了分辨率。如果更换硬盘录像机，减少压缩比例，则可以明显提高图像分辨率。基于网络的视频监控系统基本上采用中心录像服务器来存储录像。

4、优化录像格式

针对视频图像储存的步骤：采样、量化、编码。由于硬盘录像机直接影响监控系统的分辨率，如果对储存过程的参数进行调整，例如改变编码格式，提高录像文件所含信息量，也可以提高视频图像的分辨率。目前的HDTV有三种显示分辨率格式，分别是：720p（1280×720，逐行）、1080i（1920×1080，隔行）和1080p（1920×1080，逐行）。

5、存储图像处理

视频监控主要功能之一就是在发生突发事件时能进行图像回放，往往在需要监控的区域可能事先没有考虑到高清录像，回放效果不尽如人意，这时候再进行设备更新来不及，只能在现有的图像资料的基础上进行软件处理，利用软件的办法提高视频图像分辨率。

1）图像处理原理

视频图像处理方案，其核心思想是用时间带宽（获取同一场景的多帧图像序列）通过运算合成得到高分辨率图像，实现时间分辨率向空间分辨率的转换，使得重建后图像的视觉效果超过任何一帧低分辨率图像。

下图表示了高、低分辨率图像像素之间的关系。图中左边三帧Y1，Y2，Y3具有相对位移的低分辨率图像，通过对录像过程中图像变化规律即运动的估计，进行相应的插值运算，可以合成得到如图所示的高空间分辨率图像X。

2）采用空域方法中的混合MAP/POCS方法对区域已储存录像中的片段通过软件方法进行合成，还原现场真实环境。

3）影响图像重建效果主要有三个因素：运动估计精度、插值运算算法和图像重建次数。

运动估计精度：即是测定低分辨率图像和参考帧之间的像素位移参数，若是针对每一个像素进行测定，则易受噪声影响，估计不够可靠，而且运算量增加。一般来说，基于块的运动估计，当前帧被划分为图像块，以块为单位进行测定。块的大小直接影响重建效果和计算复杂度。

插值运算算法：常用的插值函数有最近邻点函数（1维）、双线性函数（2维）和双三次插值函数（3维）等等。算法越复杂则图像质量相应提高，若是复杂到一定程度，则在明显加重了计算负担的同时，图像质量提高并不显著。因此合适的算法对重建效果影响很大。

图像重建次数：即参与图像重建的低分辨率图像帧数，根据超分辨率图像重建理论，图像重建次数越多则重建效果越好，但是计算复杂度也越高，实用性和经济性会下降，因此选择一个适中的重建次数参数显得极为重要。

值得一提的是图像在软件方面存储图像处理一般经过三个步骤：确定各项图像处理参数，并初步合成需重建低分辨率图像，对图像进行模转数处理；对图像进行配准，对参考帧进行运动估计，即对多帧图像的数字模型进行叠加处理；对图像进行数字模型复核运算，保证重建图像后的视觉效果；

考虑到录像机是工程实践中视频监控系统的瓶颈，一旦录像机上分辨率有提高，则可明显提高录像资料的分辨率。硬件方法首选优化录像机的方法，一方面明显提高图像分辨率，另一方面可操作性较好。软件方面首选储存图像处理的方法，采用基于信号处理的软件方法对图像的空间分辨率进行提高的优势在于应用范围广，属于事后弥补，实用性强；基本没有硬件投资，在原有基础上进行软件处理，经济性很好；立足安装好的设备，安装好设备都可以得到利用，以极低的投入提高监控系统图像质量。

三、提高视频监控系统视频图像回放分辨率效果

采用尽可能低的经济代价提高视频监控系统视频图像回放分辨率。网络摄像机的优势之一就是使视频监控能够超越传统的PAL/NTSC制式的分辨率和帧速率限制，带来极高图像细节的高清晰度视频。即使是100万像素网络摄像机，也提供了接近3倍于模拟CCTV摄像机的分辨率，高端网络摄像机，可以提供高达500万像素、甚至更大的分辨率。将原先图像分辨率270视频线（360*270）提高到300电视线（400*300）以上；回放图像清晰度峰值信噪比≥28；回放图像还原度平均绝对差≤0.1；回放图像视觉信噪比改善因子≥7。实现了更好的视频图像质量，全面的网络智能视频，开放的网络视频监控系统更好地保护了用户投资，满足用户日益发展的需要。

四、结语

本文采用硬件和软件相结合的方法，全面提高视频图像分辨率；联合采用优化摄像机、存储图像处理、优化录像机、优化录像格式、存储图像处理5种方法全过程（图像采集、图像传输、图像储存、图像回放）提高视频图像质量；采用频域和空域两大类视频图像处理方法，基本没有硬件投资，在原有基础上进行软件处理，经济性很好；立足安装好的设备，安装好设备都可以得到利用，以极低的投入提高监控系统图像质量；采用基于信号处理的软件方法对图像的空间分辨率进行提高的优势在于应用范围广，属于事后弥补，实用性强。总之，采用了尽可能低的经济代价提高电视监控系统视频图像回放分辨率。