□　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”等各大項目中均已被廣泛地應用，這類系統(tǒng)的安裝在增加了社會安全性的同時，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，系統(tǒng)就會客觀、真實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，也可以作為強有力的法庭證據(jù)加以利用。用基層民警的話來說：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戰(zhàn)應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

目前公安在案件視頻的分析偵查過程中，存在著“能調閱、看不清、分析不了”等突出問題，造成這些問題的原因很多，如鏡頭聚焦不當、攝像機故障；傳輸太遠、視頻線老化、環(huán)境電磁干擾；攝像機護罩視窗或鏡頭臟污、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致的圖像模糊；攝像機分辨率低，欠采樣成像；光學鏡頭的極限分辨率和攝像機不匹配導致的模糊；運動目標處于高速運動狀態(tài)導致的運動模糊等。因此模糊圖像處理的應用是不可避免的。

去模糊的原理

模糊圖像分類

按照模糊形成的原因來說，常見的模糊圖像可分為：運動模糊、散焦模糊、抖動模糊等。

運動模糊是指由于拍攝時目標運動造成的模糊。其圖像特征是某些細節(jié)處（比如邊緣等）會有明顯的單方向拖尾。其中車輛運動造成的模糊，尤其是車牌模糊不清，在刑偵實戰(zhàn)中是一種比較常見的情況且清晰化處理的需求強烈。

散焦模糊：拍攝圖像時相機沒有對準焦距，導致圖像模糊。這種模糊是各向同性的，也就是在每個方向上模糊的程度是相同的。從圖像上看，邊緣細節(jié)等地方不會有明顯的單方向拖尾，只是成像比較虛。

抖動模糊：在拍攝物體時由于相機發(fā)生了抖動而產(chǎn)生的圖像模糊。這種模糊往往是由于拍攝瞬間相機位置不穩(wěn)，產(chǎn)生微小不規(guī)則運動造成的。由于監(jiān)控設備都是固定在支架上，這種情況相對較少。只有在監(jiān)控攝像頭安裝不穩(wěn)，外部震動比較大時才偶爾見到。

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

去模糊原理

卷積是一個數(shù)學術語，通俗地說，就是我們可以認為這三種模糊圖像中，每一個像素點的值都是該模糊圖像對應的清晰圖像中某些像素值的加權和，也就是模糊圖像的一個點包含了原始清晰圖像中的許多點的信息。加權像素的范圍和權重，可以寫成一個模糊核（矩陣）。對實際應用中的模糊圖像而言，模糊核是遠小于圖像尺寸的。反映到圖像上，就是模糊區(qū)域是遠遠小于圖像尺寸的。

既然空間一致模糊可以建模為一個二維卷積問題，那么去除空間一致模糊就是一個二維反卷積問題。

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，問題就在于如何更好地恢復原始圖像，并且抑制噪聲對結果的影響；二是盲目反卷積，即無需用戶介入，算法內部自動或迭代地估計出模糊核，再對圖像做非盲目反卷積，主要問題在于如何更準確地估計圖像的模糊核。

我們知道，卷積在經(jīng)過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（對應模糊核）時，用退化后的圖像I和點擴散方程f分別進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，缺點也是顯而易見的，其一就是在這個去卷積過程中沒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、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，比如美國的識慧、荷蘭的影博士等，其原理大都是基于非盲目反卷積的，即需要用戶預先估計出模糊核，才可以進行去模糊處理。比如去運動模糊，需用戶估計出運動方向和運動距離。散焦模糊，則需估計出散焦半徑。但還有些公司的產(chǎn)品可以提供一些自動化處理功能，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，算法就可自動給出去模糊后的運算結果，無需任何參數(shù)設置。這樣的功能，無疑大大方便了用戶的使用。

在使用軟件圖像去模糊功能時，通常都需要在判定模糊類型的基礎上判定運動方向和運動距離。實戰(zhàn)中常見的就是運動模糊和散焦模糊，目前也只有這兩種類型才能達到比較好的處理效果。這二者的區(qū)別還是比較明顯的：運動模糊經(jīng)常發(fā)生在快速運動的目標上，且在圖像細節(jié)上可看到各像素點有明顯的拖尾現(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、攝像機故障等情況下，可看到各像素點呈發(fā)散狀向四周擴散。

去模糊的應用

去運動模糊，最重要的是判定運動方向。自動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)圖像特點一鍵給出推薦參數(shù)，自動獲取正確的運動方向和距離參數(shù)。

這里我們將通過兩個真實的案例來展示一下模糊圖像處理的神奇效果。

自動去模糊

從視頻生成的序列圖像中選取一幀清晰的圖片生成快照，再進行去運動模糊處理。

在去運動模糊的過程中，主要依靠改變關注區(qū)域的范圍、形狀等，再根據(jù)系統(tǒng)計算的推薦參數(shù)來觀察預覽效果，反復嘗試直到獲取滿意結果，再輔以 “運動方向”、“噪聲強度”等參數(shù)的微調，最后實現(xiàn)應用效果。

如上圖，由于系統(tǒng)給出的推薦參數(shù)很準確，我們只需要再適當?shù)卦鰪娞幚?，即可達到進一步改善視覺效果的目的。如下圖即是采用不同的圖像增強功能獲取的處理效果。

▲直方圖調整

▲彩色轉灰度

▲反色

手動去模糊

在自動去模糊不能奏效的情況下，就必須進行手工處理，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。

實戰(zhàn)中除了很明顯易于判斷的情況外，通常都得逐一進行嘗試，以求得到最好的處理效果。具體步驟可以從簡單的開始，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

挑出質量最好的一幀，再去運動模糊。

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

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

在確定為去運動模糊的基礎上，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，這說明推薦的參數(shù)存在一定誤差，需手工量出運動方向進行補充校正。

這里有個小技巧，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)也會不同，可以通過反復嘗試在不同的位置、框選不同大小的區(qū)域來觀察預覽效果。

如果調整框選區(qū)域得不到更好的結果，則需手工指定參數(shù)。

首先使用角度測量工具，量出目標三輪車的運動方向在175度左右，測量時主要須保證角度為所測方向與車體平行方向的夾角。如果車的運動不平穩(wěn)，比如左右晃動或拐彎，運動角度就不容易測量，會出現(xiàn)較大誤差。

角度基本確定后，再進行去運動模糊操作，交互式地調整運動距離，可以達到比較好的處理效果。

去運動模糊處理較好結果

但是，運動距離參數(shù)不準確，對處理結果的影響也是很大的。下面是一組運動距離參數(shù)偏小的處理結果示例：

下面是一組運動距離參數(shù)過大的處理結果示例：

從上圖不難看出，運動距離參數(shù)偏小的處理結果仍然有一定程度的模糊；運動距離過大，就會產(chǎn)生過于強烈的振鈴，導致圖像細節(jié)完全丟失，看不清任何東西。

根據(jù)反復的測試和比對后，得到較好地運動距離和噪聲強度范圍，三個參數(shù)（運動方向、距離、噪聲強度）均較滿意后，可進入微調界面，得到如下處理效果。

從本圖效果來看，單幀的結果只能看出一兩個字，效果并不好。下面就介紹一下怎樣進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，見單幀處理的挑幀指標，使所取的幀都能完成目標配準。

這里需要說明一下，多幀配準后，后續(xù)可以使用多幀平均或超分辨，這兩種方法各有特點。如果使用多幀超分辨，則運動距離在單幀的基礎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

模糊圖像處理系統(tǒng)的應用，經(jīng)歷了功能夸大宣傳、用戶需求不切實際，到技術普及、需求理性、精準回歸的過程。

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

其中重點推薦的一鍵去模糊功能已經(jīng)能在許多情況下實現(xiàn)模糊圖像的一鍵處理，降低了此專業(yè)性軟件對于用戶專業(yè)程度和使用經(jīng)驗的要求，同時輔以手動判斷、測量、調整參數(shù)的流程向導，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、去噪、干擾校正等方法，也使得模糊圖像清晰化后的視覺效果有了較大地提升。

從公安用戶的實戰(zhàn)應用中不難發(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重要的作用，為公安機關打擊犯罪、提高破案率、快速掌握案情等提供了一套強有力的武器。

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