□ 文/本刊記者 羅 超

圖像處理技術(shù)起源于20世紀(jì)20年代，當(dāng)時(shí)通過(guò)海底電纜從英國(guó)倫敦到美國(guó)紐約采用數(shù)字壓縮技術(shù)傳輸了第一幅數(shù)字照片。許多年過(guò)去，視頻圖像處理技術(shù)被安防行業(yè)大量應(yīng)用，技術(shù)更新日新月異。如果把圖像處理當(dāng)做一個(gè)細(xì)節(jié)的話，那么，細(xì)節(jié)將決定成敗，監(jiān)控行業(yè)亦如此。

隨著計(jì)算機(jī)軟件、硬件技術(shù)的日新月異的發(fā)展和普及，人類(lèi)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)高速發(fā)展的信息化時(shí)代，人類(lèi)大概有80%的信息來(lái)自圖像，科學(xué)研究、技術(shù)應(yīng)用中圖像處理技術(shù)越來(lái)越成為不可缺少的手段。安防行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代，高清、智能與大數(shù)據(jù)和云技術(shù)的廣泛結(jié)合應(yīng)用，成為時(shí)代新的話題。隨著而來(lái)的是，視頻圖像處理技術(shù)也逐漸成熟起來(lái)，只有這樣才能切合行業(yè)技術(shù)發(fā)展，為此，對(duì)于視頻圖像處理技術(shù)的研究成為安防行業(yè)值得重視的領(lǐng)域。

視頻圖像處理技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

視頻圖像處理技術(shù)簡(jiǎn)而言之就是用計(jì)算機(jī)對(duì)視頻數(shù)字圖像進(jìn)行處理，其本質(zhì)是一種信號(hào)處理過(guò)程，而且是離散信號(hào)處理。在視頻監(jiān)控行業(yè)為什么要進(jìn)行圖像處理呢？那我們就需要分析視頻圖像處理后所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)有哪些？

其一，提高圖像的視感質(zhì)量，如進(jìn)行圖像的亮度、彩色變換，增強(qiáng)、抑制某些成分，對(duì)圖像進(jìn)行幾何變換等，以改善視頻圖像的質(zhì)量。

其二，提取視頻圖像中所包含的某些特征或特殊信息，這些被提取的特征或信息往往為計(jì)算機(jī)分析圖像提供便利。提取特征或信息的過(guò)程是計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)視覺(jué)的預(yù)處理。提取的特征可以包括很多方面，如頻域特征、灰度或顏色特征、邊界特征、區(qū)域特征、紋理特征、形狀特征、拓?fù)涮卣骱完P(guān)系結(jié)構(gòu)等。

其三，視頻圖像增強(qiáng)與復(fù)原。圖像增強(qiáng)的目的是將圖像轉(zhuǎn)換為更適合人和機(jī)器的分析的形式。常用的增強(qiáng)方法有：灰度等級(jí)直方圖處理；干擾抵制；邊緣銳化；偽彩色處理。圖像復(fù)原的目的與圖像增強(qiáng)相同，其主要原則是為了消除或減少圖像獲取和傳輸過(guò)程中造成的圖像的損傷和退化，這包括圖像的模糊、圖像的干擾和噪聲等，盡可能的獲得原來(lái)的真實(shí)圖像。無(wú)論是圖像增強(qiáng)還是圖像的復(fù)原，都必須對(duì)整副圖像的所有像素進(jìn)行運(yùn)算，出于圖像像素的大數(shù)量考慮，其運(yùn)算也十分的巨大。編碼的目的是在不改變圖像的質(zhì)量基礎(chǔ)上壓縮圖像的信息量，以滿足傳輸與存儲(chǔ)的要求。編碼多采用數(shù)字編碼技術(shù)對(duì)圖像逐點(diǎn)的進(jìn)行加工。這一點(diǎn)在公安針對(duì)視頻圖像來(lái)還原細(xì)節(jié)中經(jīng)常遇到。

其四，圖像的分析。從圖像中抽取某些有用的度量、數(shù)據(jù)和信息，以的到某種數(shù)值結(jié)果。圖像分析用圖像分割方法抽取圖像的特征然后對(duì)圖像進(jìn)行符號(hào)化的描述，這種描述不僅能對(duì)圖像是否存在某一特定的對(duì)象進(jìn)行回答，還能對(duì)圖像內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的描述。

其五，能使圖像再現(xiàn)性。數(shù)字圖像處理與模擬圖像處理的根本不同在于，它不會(huì)因圖像的存儲(chǔ)、傳輸或復(fù)制等一系列變換操作而導(dǎo)致圖像質(zhì)量的退化，只要圖像在數(shù)字化時(shí)準(zhǔn)確地表現(xiàn)了原稿，則數(shù)字圖像處理過(guò)程始終能保持圖像的再現(xiàn)。

其六，靈活多變的處理功能。針對(duì)模擬技術(shù)而言，我們現(xiàn)在的視頻監(jiān)控圖像處理技術(shù)可以把監(jiān)控畫(huà)面分割為任意大小的二維數(shù)組，這意味著圖像的數(shù)字化精度可以達(dá)到滿足任一應(yīng)用需求，符合行業(yè)高清化趨勢(shì)。

其七，適用面寬。視頻監(jiān)控圖像可以來(lái)自多種信息源，比如可以是銀行畫(huà)面，也可以是機(jī)場(chǎng)或者海事等遠(yuǎn)距離監(jiān)控，不論是來(lái)自哪個(gè)行業(yè)的信息源的圖像只要被變換為數(shù)字編碼形式后，均是用二維數(shù)組表示的灰度圖像組合而成，

其八，靈活性高。數(shù)字圖像處理不僅能完成線性運(yùn)算，而且能實(shí)現(xiàn)非線性處理，即凡是可以用數(shù)學(xué)公式或邏輯關(guān)系來(lái)表達(dá)的一切運(yùn)算均可用數(shù)字圖像處理實(shí)現(xiàn)。

不過(guò)，視頻圖像處理技術(shù)占用的頻帶較寬，，所以在成像、傳輸、存儲(chǔ)、處理、顯示等各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)上，技術(shù)難度較大，成本也高，這就需要我們了解制約視頻圖像處理技術(shù)的因素。

視頻圖像處理技術(shù)的主流技術(shù)

視頻圖像處理就技術(shù)而言涉及的知識(shí)面十分廣闊，具體方法種類(lèi)繁多，應(yīng)用也極為普遍，但如果在安防行業(yè)角度分析，該技術(shù)的主要內(nèi)容包括三大部分：圖像壓縮；增強(qiáng)和復(fù)原；匹配、描述和識(shí)別。由于超高清的要求，在圖像壓縮方面H.265自然優(yōu)勢(shì)最大，由于關(guān)于H.265的技術(shù)專(zhuān)題已經(jīng)闡述了和視頻圖像處理的關(guān)系，本文就不在這方面做具體介紹。為此，在剩下的兩部分我們目前主要關(guān)注的視頻圖像處理技術(shù)有以下幾個(gè)方面：

智能分析處理技術(shù)

智能分析處理技術(shù)是目前中國(guó)安防行業(yè)最為關(guān)注的圖像處理技術(shù)，該技術(shù)簡(jiǎn)而言之，就是發(fā)現(xiàn)圖像中運(yùn)動(dòng)的物體，并對(duì)其進(jìn)行跟蹤、分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常行為，觸發(fā)報(bào)警并采取其他措施進(jìn)行干預(yù)。智能分析處理技術(shù)是基于監(jiān)控圖像處理軟件包而開(kāi)發(fā)的，主要有以下幾種圖像處理形式：

1、將（運(yùn)動(dòng)）目標(biāo)從視頻圖像中分離出來(lái)。2、對(duì)目標(biāo)進(jìn)行行為分析，判定其運(yùn)動(dòng)的方向、方式，并能發(fā)現(xiàn)和告警異常的行為；產(chǎn)生目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并能進(jìn)行目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤。3、實(shí)現(xiàn)視頻語(yǔ)義的解析，圖像處理分析的最高層次。通過(guò)對(duì)一個(gè)圖像序列作出分析，得出其包含的真實(shí)信息，可以與話音的語(yǔ)義解析結(jié)合起來(lái)，逐步實(shí)現(xiàn)視頻語(yǔ)義的解析。4、在復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的分離、行為分析和運(yùn)動(dòng)跟蹤，特別是實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的跟蹤。

上述幾點(diǎn)早已有實(shí)際應(yīng)用（比如，單絆線入侵檢測(cè)、多絆線、圍欄入侵、進(jìn)入/退出區(qū)域檢測(cè)、徘徊檢測(cè)、遺留物檢測(cè)、物體搬移檢測(cè)、物體出現(xiàn)檢測(cè)、物體消失檢測(cè)、人群密度、人群突變、奔跑檢測(cè)、逆向檢測(cè)、人流量、火焰檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、場(chǎng)景變化、單球機(jī)PTZ自動(dòng)跟蹤等），但基本上是在簡(jiǎn)單環(huán)境下，針對(duì)少數(shù)目標(biāo)進(jìn)行智能化的圖像處理。在復(fù)雜環(huán)境視頻監(jiān)控環(huán)境（多人流、多移動(dòng)、惡劣天氣）下實(shí)現(xiàn)這些功能，是圖像智能分析處理技術(shù)真正價(jià)值所在。要解決多個(gè)圖像的綜合分析，圖像間目標(biāo)的關(guān)聯(lián)，目標(biāo)跟蹤的連續(xù)性，這都是市場(chǎng)應(yīng)用的迫切需要，也是我們亟待解決的問(wèn)題。

寬動(dòng)態(tài)技術(shù)

寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是松下第一個(gè)在監(jiān)控行業(yè)嘗試，那是1977年它的寬動(dòng)態(tài)范圍是40倍，引入國(guó)內(nèi)受到業(yè)界追捧是在2005年的深圳安博會(huì)。兩年后，美國(guó)PIXIM方案也在市場(chǎng)上廣為流行，成為寬動(dòng)態(tài)的另一種選擇。

寬動(dòng)態(tài)視頻圖像處理技術(shù)主要是用來(lái)解決攝像機(jī)在寬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中采集的圖像出現(xiàn)亮區(qū)域過(guò)曝而暗區(qū)域曝光不夠的現(xiàn)象。簡(jiǎn)而言之，寬動(dòng)態(tài)技術(shù)可以使場(chǎng)景中特別亮的區(qū)域和特別暗的區(qū)域在最終成像中同時(shí)看清楚。這種技術(shù)是安防行業(yè)應(yīng)為最為普遍的視頻圖像處理技術(shù)，經(jīng)過(guò)十多年的市場(chǎng)洗禮和技術(shù)提升，目前還是存在一些不足。一是源自它在高亮區(qū)域短曝特征，會(huì)導(dǎo)致在日光燈場(chǎng)景下亮區(qū)域出現(xiàn)橫條紋閃爍，這是常見(jiàn)的日光燈工頻引起的閃爍現(xiàn)象，因?yàn)樵诹羺^(qū)域的曝光時(shí)間非常短，沒(méi)有達(dá)到抗閃所需的最低曝光時(shí)間;二是源自它在暗區(qū)域長(zhǎng)曝特征，當(dāng)物體進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)因過(guò)長(zhǎng)的曝光時(shí)間而產(chǎn)生拖影現(xiàn)象。

高清高幀率實(shí)時(shí)透霧處理

這個(gè)技術(shù)在2010年隨著高清的到來(lái)開(kāi)始在國(guó)內(nèi)應(yīng)用，當(dāng)時(shí)日立推出的機(jī)芯產(chǎn)品就主打透霧功能。該技術(shù)是可實(shí)時(shí)處理各種霧霾天氣中的視頻圖像，去除由霧霾造成的景象朦朧、模糊、看不清或看不見(jiàn)的情況，能夠顯著增強(qiáng)視頻圖像的細(xì)節(jié)信息，使原來(lái)被遮隱的圖像細(xì)節(jié)得以充分展現(xiàn)，并保持了原有的色彩色調(diào)，使視頻圖像變得極其明亮、通透和清晰，因而獲得了良好的圖像質(zhì)量與視覺(jué)感受。

無(wú)損實(shí)時(shí)放大處理

可實(shí)時(shí)對(duì)視頻圖像進(jìn)行各種倍率的放大，放大的視頻圖像沒(méi)有任何模糊和馬賽克，并能夠?qū)υ曨l圖像的細(xì)節(jié)部分予以充分的保留。

強(qiáng)光抑制處理

可實(shí)時(shí)對(duì)視頻圖像中的強(qiáng)光亮點(diǎn)或區(qū)域進(jìn)行抑制，使強(qiáng)光范圍和亮度減小，恢復(fù)被強(qiáng)光散射遮掩的目標(biāo)景物的輪廓和色彩，獲得清晰的視頻圖像。

去除模糊處理

可處理圖像中的散焦模糊和運(yùn)動(dòng)模糊等，使被觀察景物圖像變得清晰。

前三種可以說(shuō)是目前安防行業(yè)最為關(guān)注的三種視頻圖像處理技術(shù)，后三者的圖像處理由于各個(gè)廠家大多采用市面上幾個(gè)主流的產(chǎn)品方案，以至于在產(chǎn)品性能表現(xiàn)時(shí)都沒(méi)有多大優(yōu)劣區(qū)別。

視頻圖像處理技術(shù)在安防的要求特殊

由于計(jì)算機(jī)的處理速度極快，且數(shù)字信號(hào)具有失真小、易保存、易傳輸、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因而計(jì)算機(jī)圖像處理的應(yīng)用十分廣泛，包括航空航天、遙測(cè)技術(shù)、醫(yī)療器械、工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)、安全識(shí)別、安防監(jiān)控、娛樂(lè)媒體等各大領(lǐng)域。每一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都有其領(lǐng)域的特殊性要求，安防監(jiān)控行業(yè)應(yīng)用也有其固有的特殊性。

對(duì)圖像清晰度要求較高。在治安監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，公安機(jī)關(guān)往往需要通過(guò)監(jiān)控錄像來(lái)辨認(rèn)嫌疑人、證據(jù)等。一般清晰度不高的視頻都達(dá)不到這種要求。在交通監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，交警需要通過(guò)監(jiān)控圖像來(lái)識(shí)別車(chē)牌、違章行為、駕駛?cè)说纫螅：膱D像在這種場(chǎng)合根本無(wú)法應(yīng)用。

不同的行業(yè)監(jiān)控，對(duì)圖像要求的差異性。比如醫(yī)療監(jiān)控，對(duì)圖像的色彩還原性要求比較高。智能交通監(jiān)控，對(duì)攝像機(jī)夜間照度和抓拍速度要求比較高，要求能清晰辨別車(chē)牌。在無(wú)人值守監(jiān)控，需要設(shè)備在無(wú)人看管的條件下能長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。

戶外安裝，無(wú)人看守。在安防領(lǐng)域，大多情況設(shè)備需要安裝在室外，設(shè)備需要經(jīng)受常年的風(fēng)吹日曬。要經(jīng)歷常年溫度、濕度、鹽度、輻射等自然條件的影響。電子設(shè)備自身的老化的速度會(huì)比其他領(lǐng)域要相對(duì)快一些。攝像機(jī)鏡頭、電子設(shè)備、傳輸線路等設(shè)施的老化會(huì)導(dǎo)致圖像越來(lái)越模糊。

海量視頻路數(shù)的要求。在大型平安城市監(jiān)控項(xiàng)目中，視頻路數(shù)會(huì)達(dá)到上萬(wàn)路，甚至更多路。如此海量的視頻路數(shù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、存儲(chǔ)設(shè)備都提出了很高的要求。所以在視頻監(jiān)控領(lǐng)域都期望視頻編碼的碼率壓縮比達(dá)到最高，從而降低對(duì)帶寬和容量的要求。這就導(dǎo)致在視頻編碼環(huán)節(jié)產(chǎn)生更多的信息丟失，從而導(dǎo)致圖像模糊。

安防的這些特殊應(yīng)用場(chǎng)所，都會(huì)導(dǎo)致圖像清晰度的下降，反過(guò)來(lái)又對(duì)圖像清晰度有很高的要求，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致模糊圖像處理技術(shù)在這里有廣闊的應(yīng)用前景。

視頻監(jiān)控圖像處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

之前也介紹了智能視頻分析和寬動(dòng)態(tài)在技術(shù)應(yīng)用中還是存在一些不足或者說(shuō)發(fā)展空間，比如在提高精度的同時(shí)著重解決處理速度的問(wèn)題，巨大的信息量和數(shù)據(jù)量和處理速度仍然是一對(duì)主要矛盾。除此之外，視頻監(jiān)控圖像處理技術(shù)由于部分設(shè)備性能不足、客觀條件限制等因素，在實(shí)際的視頻監(jiān)控應(yīng)用中，仍會(huì)出現(xiàn)視頻圖像模糊不清、關(guān)鍵信息捕捉不到等問(wèn)題。而在視頻圖像處理的過(guò)程中，由于操作技術(shù)問(wèn)題或者客觀因素等，給視頻圖像處理技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)一些負(fù)面影響，降低了處理技術(shù)的水平和質(zhì)量。所以，我們?cè)谔骄吭摷夹g(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)就便得十分有意義。有幾個(gè)趨勢(shì)如下：

其一，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，未來(lái)數(shù)據(jù)圖像技術(shù)強(qiáng)調(diào)高清晰度、高速傳輸、實(shí)時(shí)圖像處理、三維成像或多維成像、智能化、自動(dòng)化等方向發(fā)展。

其二，智能化方面，力爭(zhēng)使計(jì)算機(jī)識(shí)別和理解能夠按照人的認(rèn)識(shí)和思維方式工作，能夠考慮到主觀概率和非邏輯思維。這里有一點(diǎn)需要指出，AI在智能化方面可以做圖像數(shù)據(jù)與內(nèi)容的提取與分析，但是并不能在視頻圖像處理方面做文章。

其三，未來(lái)視頻圖像處理技術(shù)強(qiáng)調(diào)操作、運(yùn)用的方便性，圖像處理功能的集中化趨勢(shì)是必然會(huì)存在的。所以，硬件芯片的開(kāi)發(fā)研究十分重要，如Thomson公司采用Systolic結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了把圖像處理的眾多功能固化在芯片上。

結(jié)束語(yǔ)

圖像處理技術(shù)起源于20世紀(jì)20年代，當(dāng)時(shí)通過(guò)海底電纜從英國(guó)倫敦到美國(guó)紐約采用數(shù)字壓縮技術(shù)傳輸了第一幅數(shù)字照片。許多年過(guò)去，視頻圖像處理技術(shù)被安防行業(yè)大量應(yīng)用，技術(shù)更新日新月異。如果把圖像處理當(dāng)做一個(gè)細(xì)節(jié)的話，那么，細(xì)節(jié)將決定成敗，監(jiān)控行業(yè)亦如此。