視頻超分辨率算法的研究與實現

天津科技大學電子信息與自動化學院 高英俊

天津市鴻富錦精密電子（天津）有限公司 于 濤

視頻超分辨率算法的研究與實現

天津科技大學電子信息與自動化學院 高英俊

天津市鴻富錦精密電子（天津）有限公司 于 濤

本文采用雙三次插值法對低分辨率的網絡下載視頻進行放大，通過高斯濾波去除噪聲干擾，再進行拉普拉斯銳化，去除因平滑造成的模糊，使邊緣變得清晰。通過主觀與客觀綜合進行評價的結果表明，對視頻的超分辨率重構效果顯著。

超分辨率 雙三次插值 高斯濾波 拉普拉斯銳化

近幾年，隨著手機、電腦等顯示屏幕分辨率的提高，用戶對視頻清晰度的要求也越來越高，超分辨率技術也逐漸走向民用。并且隨著DV、相機等小型手持攝影設備的日漸普及，人們獲取視頻也越來越方便，許多分享達人也會將拍攝的視頻上傳到互聯網。但是，受寬帶和網絡服務器的容量限制，上傳的視頻往往會被壓縮，視頻的分辨率也自然的會被降低。因此，就需要使用視頻超分辨率技術來提高視頻的分辨率。

一、視頻超分辨率重建中的插值算法

模擬圖像f(x,y)經采樣后可以表示為矩陣形式

其中，fij=f(i,j)表示像素值，M*N表示圖像矩陣的大小。進行視頻縮放的任務實際上就是在沒有像素的地方增加像素，像素點的值可以通過周圍相鄰像素點的灰度值計算得出。

在實現圖像縮放的算法中，不基于邊緣的圖像縮放法算法較簡單，便于實現，被廣泛應用在日常生活中。根據大量的實踐數據表明，雙三次插值算法更適合圖像處理。雙三次插值（Bicubic Interpolation）是雙線性插值的改良方法，它的輸出圖像的每個像素都是原圖中16個像素（4X4）推算的結果。

二、圖像銳化處理

經上文處理后的視頻圖像仍存在邊緣輪廓模糊現象。其原因是每一幀的圖像都受到了平均或積分運算，這就需要利用逆運算，如微分運算來使邊緣變得清晰。拉普拉斯圖像銳化法就是一種常用的二階微分銳化法。

在實際的拉普拉斯銳化處理過程中，拉普拉斯算子通常是借助模板來實現的，模板的取樣將影響銳化的效果，常用的模板有：

分辨率為640×480的原始測試網絡視頻圖像和經雙三次插值處理放大、高斯濾波和拉普拉斯銳化后得到的1080×720視頻圖像，由對比可以看出，圖像的清晰度明顯增強，并且在逐幀進行處理時能保證流暢的播放。

三、處理后視頻質量評估

采用峰值信噪比（PSNR）和均方差（MSE）來衡量視頻序列的失真度：

將源視頻（720P）進行縮小（640*480）后，經過本算法進行放大到源視頻大小，隨機提取源視頻和處理后視頻中相同的五幀圖片求取峰值信噪比和均方誤差，結果如表1：

表1

主觀方法進行觀察，發現視頻經放大后圖像的邊緣處相對更加明顯，但會包含少量的條紋細線狀。但與普通的插值方法相比存在著明顯的進步，總體效果令人滿意。

本文通過對視頻超分辨率技術中的各項主要技術的研究對比，選擇了雙三次插值法來對低分辨率網絡下載視頻進行放大，且能夠保證視頻的流暢播放。使用高斯濾波法，除去視頻中的高斯噪聲，再使用拉普拉斯算子對圖像進行銳化，由此得到了邊緣清晰、噪點較少的高分辨率視頻。

[1]徐雨明，文雙春．數字圖像插值算法的分析與實現[J]．福建電腦，2007．01

[2]姜 丹，錢玉美．信息理論與編碼[M]．北京:中國科學技術大學出版社，1992

ISSN2095-6711/Z01-2015-04-0171