□　文/王玥

模糊圖像處理刑事偵查利器

□文/王玥

目前，監(jiān)控錄像系統(tǒng)在“平安城市”、“金盾工程”等各大項(xiàng)目中均已被廣泛地應(yīng)用，這類系統(tǒng)的安裝在增加了社會(huì)安全性的同時(shí)，也為警方提供了大量的破案線索。犯罪分子只要出現(xiàn)在這類監(jiān)控范圍內(nèi)，系統(tǒng)就會(huì)客觀、真實(shí)地記錄下它所能觀察到的所有信息，這些信息往往在案件的偵破中發(fā)揮重要作用，也可以作為強(qiáng)有力的法庭證據(jù)加以利用。用基層民警的話來(lái)說(shuō)：以前辦案都是往地上看（找足跡等），現(xiàn)在辦案則是往天上看（找攝像頭）。但在實(shí)際使用中，由于各種原因，警方獲得的圖像有一部分是模糊不清的。為了能夠最大限度利用好監(jiān)控資源，性能佳、效果好的模糊圖像處理分析系統(tǒng)和成熟的圖像去模糊實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用技巧就成為了輔助基層民警辦案的有力工具。

模糊圖像的存在是客觀現(xiàn)實(shí)

目前公安在案件視頻的分析偵查過(guò)程中，存在著“能調(diào)閱、看不清、分析不了”等突出問(wèn)題，造成這些問(wèn)題的原因很多，如鏡頭聚焦不當(dāng)、攝像機(jī)故障；傳輸太遠(yuǎn)、視頻線老化、環(huán)境電磁干擾；攝像機(jī)護(hù)罩視窗或鏡頭臟污、受遮擋；大霧、沙塵、雨雪等惡劣環(huán)境影響；由視頻壓縮算法和傳輸帶寬等原因而導(dǎo)致的圖像模糊；攝像機(jī)分辨率低，欠采樣成像；光學(xué)鏡頭的極限分辨率和攝像機(jī)不匹配導(dǎo)致的模糊；運(yùn)動(dòng)目標(biāo)處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)模糊等。因此模糊圖像處理的應(yīng)用是不可避免的。

去模糊的原理

模糊圖像分類

按照模糊形成的原因來(lái)說(shuō)，常見(jiàn)的模糊圖像可分為：運(yùn)動(dòng)模糊、散焦模糊、抖動(dòng)模糊等。

運(yùn)動(dòng)模糊是指由于拍攝時(shí)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)造成的模糊。其圖像特征是某些細(xì)節(jié)處（比如邊緣等）會(huì)有明顯的單方向拖尾。其中車輛運(yùn)動(dòng)造成的模糊，尤其是車牌模糊不清，在刑偵實(shí)戰(zhàn)中是一種比較常見(jiàn)的情況且清晰化處理的需求強(qiáng)烈。

散焦模糊：拍攝圖像時(shí)相機(jī)沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)焦距，導(dǎo)致圖像模糊。這種模糊是各向同性的，也就是在每個(gè)方向上模糊的程度是相同的。從圖像上看，邊緣細(xì)節(jié)等地方不會(huì)有明顯的單方向拖尾，只是成像比較虛。

抖動(dòng)模糊：在拍攝物體時(shí)由于相機(jī)發(fā)生了抖動(dòng)而產(chǎn)生的圖像模糊。這種模糊往往是由于拍攝瞬間相機(jī)位置不穩(wěn)，產(chǎn)生微小不規(guī)則運(yùn)動(dòng)造成的。由于監(jiān)控設(shè)備都是固定在支架上，這種情況相對(duì)較少。只有在監(jiān)控?cái)z像頭安裝不穩(wěn)，外部震動(dòng)比較大時(shí)才偶爾見(jiàn)到。

以上三種模糊，從更大的分類來(lái)說(shuō)，都是空間一致模糊。就是在圖像上各點(diǎn)模糊程度一致（模糊核在空間上一致的）。這種空間一致模糊，在數(shù)學(xué)上可以用卷積模型來(lái)描述。

去模糊原理

卷積是一個(gè)數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)，通俗地說(shuō)，就是我們可以認(rèn)為這三種模糊圖像中，每一個(gè)像素點(diǎn)的值都是該模糊圖像對(duì)應(yīng)的清晰圖像中某些像素值的加權(quán)和，也就是模糊圖像的一個(gè)點(diǎn)包含了原始清晰圖像中的許多點(diǎn)的信息。加權(quán)像素的范圍和權(quán)重，可以寫(xiě)成一個(gè)模糊核（矩陣）。對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的模糊圖像而言，模糊核是遠(yuǎn)小于圖像尺寸的。反映到圖像上，就是模糊區(qū)域是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖像尺寸的。

既然空間一致模糊可以建模為一個(gè)二維卷積問(wèn)題，那么去除空間一致模糊就是一個(gè)二維反卷積問(wèn)題。

圖像的反卷積算法大致分為兩類，一是圖像的非盲目反卷積。也就是圖像的模糊核是已知的，問(wèn)題就在于如何更好地恢復(fù)原始圖像，并且抑制噪聲對(duì)結(jié)果的影響；二是盲目反卷積，即無(wú)需用戶介入，算法內(nèi)部自動(dòng)或迭代地估計(jì)出模糊核，再對(duì)圖像做非盲目反卷積，主要問(wèn)題在于如何更準(zhǔn)確地估計(jì)圖像的模糊核。

我們知道，卷積在經(jīng)過(guò)傅里葉變換后在頻域表現(xiàn)為乘法，所以在已知圖像退化方程PSF（對(duì)應(yīng)模糊核）時(shí)，用退化后的圖像I和點(diǎn)擴(kuò)散方程f分別進(jìn)行傅里葉變換后相除便可得到最終的原始圖像。原理大致如此，但如果直接這樣處理，缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，其一就是在這個(gè)去卷積過(guò)程中沒(méi)有考慮到圖像噪聲的影響。為此，發(fā)展出了各種各樣的去模糊算法。

常見(jiàn)的非盲目反卷積算法有：直接逆濾波法、維納濾波法、RL算法。這些都屬于經(jīng)典算法，還有近年發(fā)展起來(lái)、現(xiàn)在依然不斷更新的基于變分模型的正則化方法。

目前能實(shí)現(xiàn)去模糊功能的圖像處理產(chǎn)品還是比較多的，比如美國(guó)的識(shí)慧、荷蘭的影博士等，其原理大都是基于非盲目反卷積的，即需要用戶預(yù)先估計(jì)出模糊核，才可以進(jìn)行去模糊處理。比如去運(yùn)動(dòng)模糊，需用戶估計(jì)出運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)距離。散焦模糊，則需估計(jì)出散焦半徑。但還有些公司的產(chǎn)品可以提供一些自動(dòng)化處理功能，比如東方網(wǎng)力的“警用圖像處理系統(tǒng)”，支持一鍵去模糊。只需框選出圖像需要處理的部分，算法就可自動(dòng)給出去模糊后的運(yùn)算結(jié)果，無(wú)需任何參數(shù)設(shè)置。這樣的功能，無(wú)疑大大方便了用戶的使用。

在使用軟件圖像去模糊功能時(shí)，通常都需要在判定模糊類型的基礎(chǔ)上判定運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)距離。實(shí)戰(zhàn)中常見(jiàn)的就是運(yùn)動(dòng)模糊和散焦模糊，目前也只有這兩種類型才能達(dá)到比較好的處理效果。這二者的區(qū)別還是比較明顯的：運(yùn)動(dòng)模糊經(jīng)常發(fā)生在快速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)上，且在圖像細(xì)節(jié)上可看到各像素點(diǎn)有明顯的拖尾現(xiàn)象，比如行駛中的汽車等；散焦模糊經(jīng)常發(fā)生在鏡頭聚焦不當(dāng)、攝像機(jī)故障等情況下，可看到各像素點(diǎn)呈發(fā)散狀向四周擴(kuò)散。

去模糊的應(yīng)用

去運(yùn)動(dòng)模糊，最重要的是判定運(yùn)動(dòng)方向。自動(dòng)化程度比較高的東方網(wǎng)力“警用圖像處理系統(tǒng)V2.0”可以根據(jù)圖像特點(diǎn)一鍵給出推薦參數(shù)，自動(dòng)獲取正確的運(yùn)動(dòng)方向和距離參數(shù)。

這里我們將通過(guò)兩個(gè)真實(shí)的案例來(lái)展示一下模糊圖像處理的神奇效果。

自動(dòng)去模糊

從視頻生成的序列圖像中選取一幀清晰的圖片生成快照，再進(jìn)行去運(yùn)動(dòng)模糊處理。

在去運(yùn)動(dòng)模糊的過(guò)程中，主要依靠改變關(guān)注區(qū)域的范圍、形狀等，再根據(jù)系統(tǒng)計(jì)算的推薦參數(shù)來(lái)觀察預(yù)覽效果，反復(fù)嘗試直到獲取滿意結(jié)果，再輔以 “運(yùn)動(dòng)方向”、“噪聲強(qiáng)度”等參數(shù)的微調(diào)，最后實(shí)現(xiàn)應(yīng)用效果。

如上圖，由于系統(tǒng)給出的推薦參數(shù)很準(zhǔn)確，我們只需要再適當(dāng)?shù)卦鰪?qiáng)處理，即可達(dá)到進(jìn)一步改善視覺(jué)效果的目的。如下圖即是采用不同的圖像增強(qiáng)功能獲取的處理效果。

▲直方圖調(diào)整

▲彩色轉(zhuǎn)灰度

▲反色

手動(dòng)去模糊

在自動(dòng)去模糊不能奏效的情況下，就必須進(jìn)行手工處理，具體操作步驟如下。

確定處理方法

單幀還是多幀，超分辨還是去模糊，或者聯(lián)合使用。

實(shí)戰(zhàn)中除了很明顯易于判斷的情況外，通常都得逐一進(jìn)行嘗試，以求得到最好的處理效果。具體步驟可以從簡(jiǎn)單的開(kāi)始，先處理單幀去模糊，效果不好再嘗試多幀超分辨、去模糊處理。

單幀處理

挑出質(zhì)量最好的一幀，再去運(yùn)動(dòng)模糊。

挑幀方法：目標(biāo)離鏡頭比較近、成像尺寸較大的；目標(biāo)運(yùn)動(dòng)幅度小，成像比較穩(wěn)定的（慢比快好，直線比拐彎好）；目標(biāo)邊緣規(guī)則、色差明顯、看起來(lái)更清晰的。

如下圖所示，很明顯是單一的運(yùn)動(dòng)模糊，除了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)（三輪車）外，其它部分（地面、飲料瓶等）都很清晰。

在確定為去運(yùn)動(dòng)模糊的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)給出推薦參數(shù)，如下圖可以看到處理效果并不理想，其中上圖為處理后，下圖為原圖。

與原圖相比，處理后文字反而變得更模糊了，這說(shuō)明推薦的參數(shù)存在一定誤差，需手工量出運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行補(bǔ)充校正。

這里有個(gè)小技巧，所選區(qū)域（紅色選擇框）的位置、大小不同，得到的推薦參數(shù)也會(huì)不同，可以通過(guò)反復(fù)嘗試在不同的位置、框選不同大小的區(qū)域來(lái)觀察預(yù)覽效果。

如果調(diào)整框選區(qū)域得不到更好的結(jié)果，則需手工指定參數(shù)。

首先使用角度測(cè)量工具，量出目標(biāo)三輪車的運(yùn)動(dòng)方向在175度左右，測(cè)量時(shí)主要須保證角度為所測(cè)方向與車體平行方向的夾角。如果車的運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，比如左右晃動(dòng)或拐彎，運(yùn)動(dòng)角度就不容易測(cè)量，會(huì)出現(xiàn)較大誤差。

角度基本確定后，再進(jìn)行去運(yùn)動(dòng)模糊操作，交互式地調(diào)整運(yùn)動(dòng)距離，可以達(dá)到比較好的處理效果。

去運(yùn)動(dòng)模糊處理較好結(jié)果

但是，運(yùn)動(dòng)距離參數(shù)不準(zhǔn)確，對(duì)處理結(jié)果的影響也是很大的。下面是一組運(yùn)動(dòng)距離參數(shù)偏小的處理結(jié)果示例：

下面是一組運(yùn)動(dòng)距離參數(shù)過(guò)大的處理結(jié)果示例：

從上圖不難看出，運(yùn)動(dòng)距離參數(shù)偏小的處理結(jié)果仍然有一定程度的模糊；運(yùn)動(dòng)距離過(guò)大，就會(huì)產(chǎn)生過(guò)于強(qiáng)烈的振鈴，導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)完全丟失，看不清任何東西。

根據(jù)反復(fù)的測(cè)試和比對(duì)后，得到較好地運(yùn)動(dòng)距離和噪聲強(qiáng)度范圍，三個(gè)參數(shù)（運(yùn)動(dòng)方向、距離、噪聲強(qiáng)度）均較滿意后，可進(jìn)入微調(diào)界面，得到如下處理效果。

從本圖效果來(lái)看，單幀的結(jié)果只能看出一兩個(gè)字，效果并不好。下面就介紹一下怎樣進(jìn)行圖像的多幀序列處理。

多幀處理

第一步重要的仍然是挑幀，見(jiàn)單幀處理的挑幀指標(biāo)，使所取的幀都能完成目標(biāo)配準(zhǔn)。

這里需要說(shuō)明一下，多幀配準(zhǔn)后，后續(xù)可以使用多幀平均或超分辨，這兩種方法各有特點(diǎn)。如果使用多幀超分辨，則運(yùn)動(dòng)距離在單幀的基礎(chǔ)上需要乘以放大系數(shù)；如果使用多幀平均，則不需要，得到的處理效果如下所示：

總結(jié)

模糊圖像處理系統(tǒng)的應(yīng)用，經(jīng)歷了功能夸大宣傳、用戶需求不切實(shí)際，到技術(shù)普及、需求理性、精準(zhǔn)回歸的過(guò)程。

東方網(wǎng)力警用圖像處理系統(tǒng)本著精準(zhǔn)鎖定用戶核心業(yè)務(wù)需求的建設(shè)目標(biāo)，在軟件核心功能（如車牌清晰化）上深入研究、逐步優(yōu)化，配合良好的交互設(shè)計(jì)，形成以視頻偵查圖像處理流程為導(dǎo)向的圖像處理專業(yè)工具；同時(shí)摒棄邊緣功能實(shí)現(xiàn)輕量化，從而達(dá)到與市場(chǎng)大多數(shù)相似系統(tǒng)差異化的目的。

其中重點(diǎn)推薦的一鍵去模糊功能已經(jīng)能在許多情況下實(shí)現(xiàn)模糊圖像的一鍵處理，降低了此專業(yè)性軟件對(duì)于用戶專業(yè)程度和使用經(jīng)驗(yàn)的要求，同時(shí)輔以手動(dòng)判斷、測(cè)量、調(diào)整參數(shù)的流程向?qū)?，極大地提高了模糊圖像清晰化的功能，其給出的多種圖像增強(qiáng)、去噪、干擾校正等方法，也使得模糊圖像清晰化后的視覺(jué)效果有了較大地提升。

從公安用戶的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中不難發(fā)現(xiàn)，警用圖像處理系統(tǒng)多次在辦案民警查找線索，最終破獲案件中起到了至關(guān)重要的作用，為公安機(jī)關(guān)打擊犯罪、提高破案率、快速掌握案情等提供了一套強(qiáng)有力的武器。

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