一、 視頻增強的背景
視覺信息是人類獲得外界信息的主要來源，因為大約有70%的信息是通過人眼獲得的。隨著多媒體技術飛速發展，視頻圖像得到了廣泛重視和應用,其應用領域遍及廣播電視、醫學、保安監控、車場管理、軍事及生命科學等方面。視頻采集技術與顯示技術的提升，使得人們對畫質的要求越來越高，但是在各類圖像系統中圖像的傳送和轉換(如成像、復制、掃描、傳輸以及顯示等)總要在一定程度上造成圖像質量的降低。例如一些戶外監控系統往往只能在晴天下才能正常工作，在大霧、沙塵等惡劣天氣或者低光照情況下圖像對比度大大降低，人們無法從中得到有用信息。不僅如此，長期觀看品質低下的視頻可能會加重人們眼睛的負擔，容易產生視覺疲勞，甚至會頭暈目眩。在出現大霧、大雨、沙塵等惡劣天氣時，戶外景物圖像的對比度和顏色都會被改變或退化，圖像中蘊含的許多特征都被覆蓋或模糊，得到的是退化圖像，對于各類監控都造成了極大的困難，因此，要充分發揮監視視頻的效能，就必須對監視視頻圖像進行增強處理。在軍事偵察、監視方面，為了實施正確指揮，取得作戰勝利，現代戰爭對軍事偵察提出了更高的要求，廣泛應用先進科學技術，進一步擴大偵察的范圍，提高偵察的時效性和準確性。因此，軍事偵察、監視中用到的視頻圖像的品質尤為重要，退化的視頻圖像對信息的識別與處理會造成偏差，而這種偏差的后果是非常嚴重的，因此視頻增強技術應運而生。
二、 視頻增強算法（Retinex算法）的基本原理
Retinex算法簡介
Retinex（視網膜”Retina”和大腦皮層”Cortex”的縮寫）理論是一種建立在科學實驗和科學分析基礎上的基于人類視覺系統（Human Visual System）的圖像增強理論。該算法的基本原理模型最早是由Edwin Land（埃德溫?蘭德）于1971年提出的一種被稱為的色彩的理論，并在顏色恒常性的基礎上提出的一種基于理論的圖像增強方法。Retinex 理論的基本內容是物體的顏色是由物體對長波（紅）、中波（綠）和短波（藍）光線的反射能力決定的，而不是由反射光強度的絕對值決定的；物體的色彩不受光照非均性的影響，具有一致性，即Retinex 理論是以色感一致性（顏色恒常性）為基礎的。
不同于傳統的圖像增強算法，如線性、非線性變換、圖像銳化等只能增強圖像的某一類特征，如壓縮圖像的動態范圍，或增強圖像的邊緣等，Retinex可以在動態范圍壓縮、邊緣增強和顏色恒常三方面達到平衡，因此可以對各種不同類型的圖像進行自適應性地增強。正因為Retinex諸多良好的特性，使Retinex算法在很多方面得到了廣泛的應用。
在諸多以Retinex為核心的算法中，單尺度（Single-Scale Retinex, SSR） 算法，多尺度（Multi-Scale Retinex, MSR）算法是最具有代表性和最成熟的算法。
單尺度（Single-Scale Retinex, SSR）算法原理 根據Land提出的理論，一幅給定的圖像S(x,y)分解成兩幅不同的圖像：反射物體圖像R(x,y)和入射光圖像L(x,y)，其原理示意圖如下：
圖1：Retinex原理示意圖
對于觀察圖像S中的每個點(x,y)，用公式可以表示為：
S(x,y)=R(x,y)﹒L(x,y) （1）
據Retinex 理論，物體的顏色是由物體對光線的反射能力決定的，而物體對光線的反射能力是物體本身固有的屬性，與光源強度的絕對值沒有依賴關系。因此通過計算各個像素間的相對明暗關系，可以對圖像中的每個像素點做校正，從而確定該像素點的顏色。
單尺度（Single-Scale Retinex, SSR）算法在對數域中則表示為：
根據上面（2）式的原理，Retinex理論進行圖像增強的關鍵是從原圖像中有效的信息計算出亮度圖像L(x,y)。但是從原圖像計算亮度圖像在數學上是一個奇異問題，因此只能通過數學上近似估計的方式估算亮度圖像。在Retinex算法的發展史中，曾經出現過平方反比的環繞形式、指數形式以及高斯指數形式，但在單尺度Retinex增強算法中，杰泊森(Jobson)論證了高斯卷積函數可以對源圖像提供更局部的準確處理，因而可以更好地增強圖像，其可以表示為：
其中λ是常量矩陣,c是濾波半徑，并且滿足：
c越小，灰度動態范圍壓縮的越多，c越大，圖像銳化的越厲害。因此亮度圖像最終可以表示為：
單尺度（SSR）可以表示為：
三、 視頻增強的在國內外研究現狀及發展趨勢
視頻圖像增強是視頻圖像處理領域的一個傳統的話題，同時又一直是較為活躍的研究領域，不斷有新方法和新手段引入使該領域保持旺盛的生命力，并不斷有新成果面世。視頻增強技術己經廣泛應用于軍事、醫學、遙感以及視頻檢測等方面。
在軍事方面，由于觀察距離遠及氣候惡劣，獲取的視頻往往存在目標和背景混淆不清，很難區分等，需要進行增強處理才能將感興趣的目標凸顯出來；醫學方面，由于成像的固有特點，醫學圖像往往很暗，模糊不清，很難辨別出病變組織和正常組織，需要圖像增強處理以突出病變組織；遙感方面，如農情遙感監測，進行農作物分類需要應用圖像增強技術以提高分類的精度；在公共安全方面，人像、指紋及其他痕跡的處理和識別，以及跟蹤、事故分析等應用領域，也都需要圖像增強處理來突出圖像的特征。各類視頻監控系統也急需視頻圖像增強功能以彌補現有系統的不足，提高視頻圖像的對比度、提高監控效果與目標識別、改善光照不均勻等現象，得到視覺效果更好、有利于進一步分析和判讀的視頻圖像。隨著科技的發展，現階段各行業對低能見度圖像、視頻增強處理的需求將會越來越多。
從國內外的一些對視頻圖像增強的研究情況可以看出，大都是采用視頻圖像的后續處理方法來進行的，現在的發展趨勢是對動態視頻圖像進行快速實時增強，使得人們可以更有效地利用視頻圖像。視頻增強技術的研究和運用領域，在軍用上特別多，在民用上還主要是用在一些特定場所。但隨著人們生活中數字化程度的提高，視頻技術的不斷發展和更新，視頻將越來越多的得到廣泛應用。
四、 視頻增強能解決的實際問題及應用領域
各種情況下處理效果
?大霧天氣下
?沙層天氣下
?水底環境
?昏暗天氣
?雨天條件下
?陰霾天氣下
視頻增強的應用領域
·搜尋及救援車輛
·電視監控系統
·室外電視轉播
·飛行導航幫助
·公路交通監控
·醫院體檢成像
·機場的調度
·港口調度
·水下偵測
·安防應用
·機器視覺
五、 本公司的產品及其特點
VE9901視頻增強器 特性
·先進的多尺度Retinex圖像增強算法，具有較強的普適性。同時提供優化的對數直方圖均衡處理和多種噪聲濾波算法。
·基于DSP的嵌入式硬件結構，具有尺寸小、功耗低、高性能。
·全實時處理，并具有極低的延遲，延遲時間不超過一幀，即PAL制視頻延遲40ms，NTSC制式視頻延遲33ms。
·自動適應PAL制和NTSC制式視頻圖像。
·支持全屏增強和局部窗口增強，局部增強窗口大小和位置可動態調整。
·支持串口、面板健盤、和
DIP開關的配置和實時控制。配置可以存儲于FLASH中長期保存。
·支持固件的在線升級。
·支持商用級、工業級、軍用級工作環境條件。 技術參數
·輸入視頻制式：自動適應和識別PAL/NTSC制式，輸出視頻制式自動與輸入視頻制式保持一致。
·輸入視頻：輸入阻抗75歐姆，峰峰值為1V。
·輸出視頻：輸出阻抗75歐姆，峰峰值為1V。
·全實時處理。PAL制式25幀/秒；NTSC制式30幀/秒。
·圖像增強算法：自適應多尺度Retinex圖像增強算法、優化的對數直方圖均衡。
·降噪濾波算法：高斯濾波、中值濾波。
·支持全屏增強和局部增強，局部增強窗口位置和尺寸可以隨意動態調整。
·支持RS485/RS232串口通訊，波特率可設置。
·可以通過屏幕菜單和按鍵、串口、
DIP開關三種方式進行靈活方便快速的配置和實時動態控制。配置存儲在FLASH中，斷電不丟失。
·支持固件的在線升級。
·電源：DC12V，≤1.0A。、
·機械尺寸：110X140mm
·工作溫度：0℃～+90℃（商用級）；-45℃～+85℃（擴展溫度）
·存儲溫度：-55℃～+90℃；
·濕度：最大95%，無霜
·震動：正弦：10g（15-2000Hz）；隨機：0.04g2/Hz（15-2000Hz）
·沖擊：>30g，11ms，鋸齒波
