基于分布式計(jì)算的視頻去霧系統(tǒng)及視頻去霧方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于分布式計(jì)算的視頻去霧系統(tǒng)及視頻去霧方法，本發(fā)明系統(tǒng)包括部署在分布式計(jì)算架構(gòu)上的輸入節(jié)點(diǎn)、透射率估計(jì)模塊、大氣光照估計(jì)模塊、無霧圖像生成模塊，輸出節(jié)點(diǎn)，每個(gè)模塊均有多臺(tái)計(jì)算機(jī)以分布式架構(gòu)的方式負(fù)責(zé)執(zhí)行，本發(fā)明方法將輸入的有霧視頻將被分拆成幀流，透射率估計(jì)模塊同時(shí)計(jì)算數(shù)幀的透射率，大氣光照度估計(jì)模塊計(jì)算出對(duì)應(yīng)幀的大氣光照度，無霧圖像生成模塊產(chǎn)生有霧幀所對(duì)應(yīng)的無霧圖像，并按照幀的正確序列順序輸出。本發(fā)明擁有更高的處理速度，具備實(shí)時(shí)處理能力。
【專利說明】
基于分布式計(jì)算的視頻去霧系統(tǒng)及視頻去霧方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及到一種基于分布式計(jì)算的視頻去霧 系統(tǒng)及視頻去霧方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 霧靈天氣致使視頻設(shè)備所攝取的視頻數(shù)據(jù)模糊不清，嚴(yán)重降低了數(shù)據(jù)的質(zhì)量。目 標(biāo)跟蹤系統(tǒng)、目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)等高度依賴于視頻數(shù)據(jù)清晰度的應(yīng)用將因此而無法正常運(yùn)作。 視頻去霧能夠W低清晰度的有霧視頻作為輸入，經(jīng)一系列處理后，輸出無霧的視頻數(shù)據(jù)。因 此，視頻去霧對(duì)視頻數(shù)據(jù)的分析和處理具有極其重要的意義。
[0003] 目前視頻去霧的方法均只針對(duì)去霧效果，并不著重于其性能，因而普遍存在著效 率瓶頸，無法達(dá)到實(shí)時(shí)處理的要求。然而，大部分的視頻數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，在視頻數(shù)據(jù)的清晰 度上有特殊要求的同時(shí)，往往還需要具備實(shí)時(shí)處理的能力。過于緩慢的視頻去霧處理速度， 將無法滿足各大視頻處理系統(tǒng)的性能指標(biāo)，導(dǎo)致其實(shí)用性不高，推廣和應(yīng)用也受到了局限。 另一方面，由于大部分視頻去霧算法所設(shè)及的一些固有的基本的運(yùn)算步驟，其本身在計(jì)算 時(shí)具有較高的時(shí)間復(fù)雜度，嘗試從視頻去霧算法本身出發(fā)提高整體效率也在一定程度上存 在著困難。如何進(jìn)一步提高視頻去霧方法的處理效率是一個(gè)關(guān)鍵且有現(xiàn)實(shí)意義的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于進(jìn)一步提高視頻去霧的處理速度，W使其達(dá)到實(shí)時(shí)處理的要 求。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了基于分布式計(jì)算的視頻去霧系統(tǒng)，采用Apache Storm作為分布式計(jì)算的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，包括部署在分布式計(jì)算架構(gòu)上輸入節(jié)點(diǎn)、透射率估計(jì)模 塊、大氣光照估計(jì)模塊、無霧圖像生成模塊，輸出節(jié)點(diǎn)，各模塊分5層部署:第1層為輸入節(jié) 點(diǎn)，讀取視頻帖流;第2層為透射率估計(jì)模塊，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都部署有一個(gè)獨(dú)立 的透射率估計(jì)單元，用W估計(jì)單個(gè)圖像帖所對(duì)應(yīng)的透射率，并將結(jié)果輸出到第3層;第3層為 大氣光照估計(jì)模塊，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都部署有一個(gè)獨(dú)立的大氣光照估計(jì)單元，用 W接收第2層的透射率并估計(jì)對(duì)應(yīng)的大氣光照度，將結(jié)果輸出到第4層;第4層為無霧圖像生 成模塊，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都部署有一個(gè)獨(dú)立的無霧圖像生成單元，用W接收第3 層輸出的大氣光照度，同時(shí)生成無霧圖像帖，并輸出到第5層;第5層為輸出節(jié)點(diǎn)，用于輸出 視頻流。
[0006] 進(jìn)一步地，所述的第1層的輸入節(jié)點(diǎn)WApache storm中的Spout實(shí)現(xiàn)，第2~5層的 所有節(jié)點(diǎn)WApache Storm中的Blot實(shí)現(xiàn)。
[0007] 其中，所述的輸出節(jié)點(diǎn)將無霧圖像帖按照視頻序列的正確順序排序后輸出視頻 流。
[000引優(yōu)選地，所述的輸入節(jié)點(diǎn)、透射率估計(jì)模塊、大氣光照估計(jì)模塊、無霧圖像生成模 塊，輸出節(jié)點(diǎn)，平均配到若干臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。
[0009] 本發(fā)明還公開了的基于分布式計(jì)算的視頻去霧方法，包括W下步驟：
[0010] SI.將有霧視頻W帖流的形式作為輸入，W每秒n帖的速率，通過輸入節(jié)點(diǎn)輸入圖 像帖Iti，It2，…，Itn至化edis緩沖池中；
[0011] S2.輸入節(jié)點(diǎn)不斷從Redis緩沖池中讀取有霧的圖像帖，并輸出到透射率估計(jì)模塊 中；
[001 ^ S3.透射率估計(jì)模塊同時(shí)估計(jì)n帖圖像的透射率Tti，Tt2，…，Ttn，并將結(jié)果輸入到大 氣光照度估計(jì)模塊中；
[001引S4 .大氣光照度估計(jì)模塊根據(jù)圖像帖Itl，It2，…，Itn的透射率Ttl，Tt2，. .，Ttn，同時(shí) 估計(jì)出其對(duì)應(yīng)的大氣光照度Atl, At2,…，Atn,并將結(jié)果輸出到無霧圖像生成模塊中；
[0014] S5 .無霧圖像生成模塊根據(jù)Itl，It2，…，Itn和Ttl，Tt2，. .，Ttn W及Atl，At2，…，Atn，生 成無霧帖 Jtl，Jt2，? ? ?，Jtn ;
[001引S6.對(duì)無霧帖…，Jtn按照正確的序列順序進(jìn)行排序，得到排好序的無霧帖 ,Jt+n-l，其中Jt表不,Jta中序則頓序最前的無霧帖；
[0016] S7.將排好序的無霧帖Jt，Jtu，…，Jt+n-1輸出到Redis緩沖池；
[0017] S8.從Redis緩沖池中不斷讀取無霧帖，重新合成視頻流并通過輸出節(jié)點(diǎn)輸出。
[0018] 其中，所述步驟S3中的透射率估計(jì)模塊，由多個(gè)透射率估計(jì)單元組成，每個(gè)透射率 估計(jì)單元的實(shí)現(xiàn)方式均相同，其具體實(shí)現(xiàn)如下：
[0019] 給定一帖有霧圖像I，透射率估計(jì)單元計(jì)算其對(duì)應(yīng)的透射率：
[0020]
[0021] 其中，t是I所對(duì)應(yīng)的透射率，Q (X)是尺寸為15 X 15的Wx為中屯、的局部塊，0是大 氣散射系數(shù)，e=l.Ojva哺rat分別是HSV顏色空間下的亮度及飽和度，a日、ai和日2為線性系 數(shù)，a〇 = 〇. 1893,日1二 1.0267，日2 = -1.2966。
[0022] 其中，步驟S4中大氣光照度估計(jì)模塊，由多個(gè)大氣光照度估計(jì)單元組成，每個(gè)估 計(jì)單元的實(shí)現(xiàn)方式均相同，其具體實(shí)現(xiàn)如下：
[0023]
[0024] 其中，A表示圖像帖I所對(duì)應(yīng)的大氣光照度。
[0025] 其中，步驟S5中無霧圖像生成模塊，由多個(gè)無霧圖像生成單元，每個(gè)單元均采用同 樣的方法復(fù)原無霧圖像，具體的復(fù)原方法如下：
[0026] 根據(jù)有霧圖像I、透射率t、大氣光照度A，結(jié)合大氣散射模型，可由下式計(jì)算無霧帖 J，從而復(fù)原1中無霧閣像：
[0027]
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0029] 1)結(jié)合分布式計(jì)算技術(shù)，可并行對(duì)多帖有霧視頻進(jìn)行處理，解決了視頻去霧的處 理效率瓶頸。大幅度縮短了對(duì)視頻的處理時(shí)間，具備實(shí)時(shí)處理的能力。
[0030] 2)具有更高的可擴(kuò)展性，通過不斷擴(kuò)展計(jì)算機(jī)的數(shù)量，可進(jìn)一步提高視頻處理的 效率，且沒有上限限制，其效率主要取決于計(jì)算機(jī)的平均性能及其數(shù)量。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明的方法中所設(shè)及各模塊在分布式架構(gòu)中的部署形式。
[0032] 圖2為本發(fā)明的方法執(zhí)行步驟示意圖。
[0033] 圖3為本發(fā)明方法的處理效率統(tǒng)計(jì)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不限于此。
[0035] 如圖1所示，本發(fā)明公開了基于分布式計(jì)算的視頻去霧系統(tǒng)，采用Apache Storm作 為分布式計(jì)算的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，包括部署在分布式計(jì)算架構(gòu)上輸入節(jié)點(diǎn)、透射率估計(jì)模塊、大氣 光照估計(jì)模塊、無霧圖像生成模塊，輸出節(jié)點(diǎn)。
[0036] 圖1中每個(gè)圓表示分布式框架中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)代表著一個(gè)獨(dú)立線程。各模塊分 5層部署，具體如下詳述。
[0037] 第1層作為輸入節(jié)點(diǎn)，讀取視頻帖流，該節(jié)點(diǎn)WApache Storm中的Spout實(shí)現(xiàn)，其余 所有節(jié)點(diǎn)都WApache Storm中的Bolt實(shí)現(xiàn)。
[0038] 第2層是透射率估計(jì)模塊，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均部署有一個(gè)獨(dú)立的透射率 估計(jì)單元，用W估計(jì)單個(gè)圖像帖所對(duì)應(yīng)的透射率，并將結(jié)果輸出到第3層，不同節(jié)點(diǎn)之間的 估計(jì)單元的相互獨(dú)立。
[0039] 第3層為大氣光照度估計(jì)模塊，與第2層類似，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)部署一個(gè) 獨(dú)立的大氣光照度估計(jì)單元，節(jié)點(diǎn)間的單元同樣相互獨(dú)立，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)接收第2層輸 出的透射率，估計(jì)出對(duì)應(yīng)的大氣光照度，并輸出到第4層。
[0040] 第4層為無霧圖像生成模塊，可分解成多個(gè)無霧圖像生成單元，每個(gè)單元獨(dú)立地部 署在一個(gè)單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)上，負(fù)責(zé)接收第3層輸出的大氣光照度，同時(shí)生成無霧圖像，輸出到第5 層。
[0041] 第5層為單個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，用于對(duì)輸出的無霧圖像帖按照視頻序列的正確順序重新 排序，并輸出視頻流。
[0042] 給定m臺(tái)物理計(jì)算機(jī)，所有獨(dú)立線程(包括各輸入節(jié)點(diǎn)、透射率估計(jì)模塊中的估計(jì) 單元、大氣光照度估計(jì)模塊中的估計(jì)單元、無霧圖像生成模塊中的生成單元W及輸出節(jié)點(diǎn)） 將平均分配到運(yùn)m臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。如圖3所示，獨(dú)立線程分配到3臺(tái)物理計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)， 在同樣的分辨率時(shí)，其帖率顯著大于1臺(tái)計(jì)算機(jī)，極大的提高了處理效率，能滿足實(shí)時(shí)處理 的要求。
[0043] 基于上述系統(tǒng)，本發(fā)明還公開了視頻去霧的處理方法，其執(zhí)行步驟如附圖2所示， 具體包括如下步驟：
[0044] S1 .將有霧視頻W帖流的形式作為輸入，W每秒n帖的速率，輸入圖像帖I ti， It2，...，Itn 到Redi S 緩沖池中。
[0045] S2.輸入節(jié)點(diǎn)從Redis緩沖池中讀取有霧的圖像帖，并且輸出到透射率估計(jì)模塊；
[0046] S3.透射率估計(jì)模塊由多個(gè)透射率估計(jì)單元組成，每個(gè)透射率估計(jì)單元均根據(jù)有 霧圖像I計(jì)算其各圖像帖的透射率，計(jì)算公式如公式1所示。
[0047]
[004引具甲，t是i所刈化的透斯準(zhǔn)，U U;是尺了刃化A化的Wx為中屯、的局部塊，0是大 氣散射系數(shù)，e=l.Ojva哺rat分別是HSV顏色空間下的亮度及飽和度，a日、ai和日2為線性系 數(shù)，a0 = 0.1893，日1二 1.0267，日2 = -1.2966。
[0049] 根據(jù)公式1得至Ijn帖圖像的透射率Tti，Tt2,…，Ttn,并將結(jié)果輸入到大氣光照度估計(jì) 模塊中。
[0050] S4.大氣光照度估計(jì)模塊由多個(gè)大氣光照度估計(jì)單元組成，根據(jù)圖像帖Iti, It2，...，Itn的透射率Ttl，Tt2, . .，Ttn，每個(gè)大氣光照度估計(jì)單元按公式2計(jì)算圖像帖對(duì)應(yīng)的 大氣光照度Atl，At2，…，Atn。并將結(jié)果輸出到無霧圖像生成模塊中。
[0化1]
)
[0052] 其中，A表示圖像帖I所對(duì)應(yīng)的大氣光照度。
[0053] S5.無霧圖像生成模塊由多個(gè)無霧圖像生成單元組成，根據(jù)Iti, It2,…，Itn和Tti, Tt2, . . ,TtnW及Atl，At2，，'，，Atn，每個(gè)無霧圖像生成單元根據(jù)公式3計(jì)算生成的無霧帖Jtl, ,Jta。
[0化4]
(公式3)
[00對(duì) S6 .輸出節(jié)點(diǎn)對(duì)無霧帖Jtl，Jt2，…，Jtn按照正確的序列順序進(jìn)行排序，得到排好序 的無霧帖Jt, Jt+1, ? ? ? , Jt+n-1，其中Jt表不Jtl, Jt2 , ? ? ? , Jtn中序列順序最前的無霧帖；
[0056] S7.輸出節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步將排好序的無霧帖JtJt+i，…，Jt+n-i輸出到Redis緩沖池；
[0057] S8.從Redis緩沖池中不斷讀取無霧帖，重新合成視頻流并通過輸出節(jié)點(diǎn)輸出。
[005引綜上，本發(fā)明方法將輸入的有霧視頻將被分拆成帖流，W每秒數(shù)帖的形式傳入透 射率的計(jì)算模塊，該模塊同時(shí)計(jì)算數(shù)帖的透射率，并將結(jié)果輸出到大氣光照度的估計(jì)模塊， 大氣光照度估計(jì)模塊同時(shí)計(jì)算出對(duì)應(yīng)帖的大氣光照度，把結(jié)果輸出到無霧圖像的生成模 塊，無霧圖像生成模塊產(chǎn)生有霧帖所對(duì)應(yīng)的無霧圖像，輸出節(jié)點(diǎn)按照帖的正確序列順序輸 出。本發(fā)明系統(tǒng)和方法可用于復(fù)原遠(yuǎn)景及近景，復(fù)原后遠(yuǎn)景的輪廓明顯，色彩自然逼真，近 景的圖像文字清晰可見，本發(fā)明每個(gè)模塊均有多臺(tái)計(jì)算機(jī)W分布式架構(gòu)的方式負(fù)責(zé)執(zhí)行， 流水線式運(yùn)作，擁有更高的處理速度，具備實(shí)時(shí)處理能力，適于推廣應(yīng)用。
[0059] W上所述的本發(fā)明的實(shí)施方式，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā) 明的精神原則之內(nèi)所作出的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù) 范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于分布式計(jì)算的視頻去霧系統(tǒng)，采用Apache storm作為分布式計(jì)算的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)， 其特征在于：包括部署在分布式計(jì)算架構(gòu)上輸入節(jié)點(diǎn)、透射率估計(jì)模塊、大氣光照估計(jì)模 塊、無霧圖像生成模塊，輸出節(jié)點(diǎn)，各模塊分5層部署： 第1層為輸入節(jié)點(diǎn)，讀取視頻帖流； 第2層為透射率估計(jì)模塊，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都部署有一個(gè)獨(dú)立的透射率估計(jì) 單元，用W估計(jì)單個(gè)圖像帖所對(duì)應(yīng)的透射率，并將結(jié)果輸出到第3層； 第3層為大氣光照估計(jì)模塊，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都部署有一個(gè)獨(dú)立的大氣光照 估計(jì)單元，用W接收第2層的透射率并估計(jì)對(duì)應(yīng)的大氣光照度，將結(jié)果輸出到第4層； 第4層為無霧圖像生成模塊，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都部署有一個(gè)獨(dú)立的無霧圖像 生成單元，用W接收第3層輸出的大氣光照度，同時(shí)生成無霧圖像帖，并輸出到第5層； 第5層為輸出節(jié)點(diǎn)，用于輸出視頻流。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于分布式計(jì)算的視頻去霧系統(tǒng)，其特征在于:所述的第1層 的輸入節(jié)點(diǎn)WApache Storm中的Spout實(shí)現(xiàn)，第2~5層的所有節(jié)點(diǎn)WApache Storm中的 Blot實(shí)現(xiàn)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于分布式計(jì)算的視頻去霧系統(tǒng)，其特征在于:所述的輸 出節(jié)點(diǎn)將無霧圖像帖按照視頻序列的正確順序排序后輸出視頻流。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于分布式計(jì)算的視頻去霧系統(tǒng)，其特征在于:所述的輸入節(jié) 點(diǎn)、透射率估計(jì)模塊、大氣光照估計(jì)模塊、無霧圖像生成模塊，輸出節(jié)點(diǎn)，平均配到若干臺(tái)計(jì) 算機(jī)上運(yùn)行。5. 權(quán)利要求1~4任一項(xiàng)所述的基于分布式計(jì)算的視頻去霧系統(tǒng)的視頻去霧方法，其特 征在于，包括W下步驟：51. 將有霧視頻W帖流的形式作為輸入，W每秒η帖的速率，輸入圖像帖…，Itn 至化edis緩沖池中；52. 輸入節(jié)點(diǎn)不斷從Redis緩沖池中讀取有霧的圖像帖，并輸出到透射率估計(jì)模塊中；53. 透射率估計(jì)模塊同時(shí)估計(jì)η帖圖像的透射率Tti，Tt2，…，Ttn，并將結(jié)果輸入到大氣光 照度估計(jì)模塊中；54. 大氣光照度估計(jì)模塊根據(jù)圖像帖Itl，It2，…，I化的透射率Ttl，Tt2，. .，Ttn，同時(shí)估計(jì) 出其對(duì)應(yīng)的大氣光照度4*1，4*2，-|，心。，并將結(jié)果輸出到無霧圖像生成模塊中； S5 .無霧圖像生成模塊根據(jù)Itl，It2，…，Itn和Ttl，Tt2，. .，Ttn W及Atl，At2，…，Atn，生成無 霧帖Jtl，Jt2，···，Jtn;56. 對(duì)無霧帖按照正確的序列順序進(jìn)行排序，得到排好序的無霧帖Jt, Jt+1，…，Jt+n-1，其中Jt表示Jtl，Jt2，…，Jtn中序列順序最前的無霧帖；57. 將排好序的無霧帖Jt，Jt+1，…，Jt+n-1輸出到Redis緩沖池；58. 從Redis緩沖池中不斷讀取無霧帖，重新合成視頻流并通過輸出節(jié)點(diǎn)輸出。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于分布式計(jì)算的視頻去霧方法，其特征在于，所述步驟S3中 的透射率估計(jì)模塊，由多個(gè)透射率估計(jì)單元組成，每個(gè)透射率估計(jì)單元的實(shí)現(xiàn)方式均相同， 其具體實(shí)現(xiàn)如下： 給定一帖有霧圖像I，透射率估計(jì)單元計(jì)算其對(duì)應(yīng)的透射率：其中，t是I所對(duì)應(yīng)的透射率，Ω (X)是尺寸為15 X 15的Wx為中屯、的局部塊，β是大氣散 射系數(shù)，β=1.〇，Γ3哺rat分別是HSV顏色空間下的亮度及飽和度，α日、αι和日2為線性系數(shù)，α〇 =0.1893，日1= 1.0267，日2 = -1.2966。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于分布式計(jì)算的視頻去霧方法，其特征在于，所述步驟S4中 大氣光照度估計(jì)模塊，由多個(gè)大氣光照度估計(jì)單元組成，每個(gè)估計(jì)單元的實(shí)現(xiàn)方式均相同， 其具體實(shí)現(xiàn)如下：其中，A表示圖像帖I所對(duì)應(yīng)的大氣光照度。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于分布式計(jì)算的視頻去霧方法，其特征在于，所述步驟S5中 無霧圖像生成模塊，由多個(gè)無霧圖像生成單元，每個(gè)單元均采用同樣的方法復(fù)原無霧圖像， 具體的復(fù)原方法為，根據(jù)有霧圖像I、透射率t、大氣光照度A，結(jié)合大氣散射模型，可由下式 計(jì)算無霧帖J，從而復(fù)原出無霧圖像：
【文檔編號(hào)】H04N5/21GK105979120SQ201610393336
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】王美華, 麥嘉銘, 梁云
【申請人】華南農(nóng)業(yè)大學(xué)