模糊圖像處理技術(shù)在安防領(lǐng)域的應(yīng)用

1、模糊圖像產(chǎn)生的原因分析

圖像的呈現(xiàn)是整個(gè)系統(tǒng)合作的結(jié)果，一個(gè)完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，是一個(gè)非常龐大而且復(fù)雜的系統(tǒng)，從前端到后端各個(gè)環(huán)節(jié)都可能會(huì)導(dǎo)致視頻圖像信號(hào)損失進(jìn)而使圖像變模糊。具體可以從以下這么幾個(gè)方面來(lái)分析。

1.1 系統(tǒng)自身因素

一個(gè)完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng)從前到后由這么幾部分組成。在全模擬監(jiān)控系統(tǒng)中，從前端到后端由圖像采集、圖像傳輸、圖像存儲(chǔ)、圖像顯示等幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。在每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生視頻信息損失，也就是讓圖像質(zhì)量變差或者變模糊。

從前端鏡頭、攝像機(jī)、視頻BNC接頭、傳輸線纜、監(jiān)視器圖像呈現(xiàn)等幾個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)引起圖像模糊。鏡頭，影響進(jìn)入攝像機(jī)的光線和成像的精確性，會(huì)直接導(dǎo)致圖像模糊。攝像機(jī)內(nèi)的感光Sensor，影響光信號(hào)的采集和光電轉(zhuǎn)換效果，會(huì)直接導(dǎo)致圖像模糊。視頻傳輸電纜兩端的BNC接頭，因信號(hào)屏蔽的縫隙會(huì)造成信號(hào)損失，視頻傳輸電纜經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸，傳輸線纜的電阻、屏蔽、阻抗匹配等問(wèn)題，都會(huì)引起信號(hào)的衰減，直接導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差變模糊，監(jiān)視器圖像呈現(xiàn)端也有一定的信號(hào)損失。所以在整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)和環(huán)節(jié)，都有可能會(huì)導(dǎo)致圖像模糊。

在一個(gè)全數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，采用網(wǎng)絡(luò)傳輸，傳輸線路上的視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化編碼，數(shù)字信號(hào)的傳輸和存儲(chǔ)可以有效避免因信號(hào)衰減造成圖像損傷。但是，在鏡頭、圖像采集以及后端呈現(xiàn)時(shí)的圖像信號(hào)耗損仍然無(wú)法避免。另外，在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，又增加了視頻信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、視頻編碼壓縮環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)也會(huì)導(dǎo)致的信息的直接損失。現(xiàn)有的視頻壓縮編碼算法都是有損壓縮，會(huì)直接導(dǎo)致視頻信息的丟失，影響視頻清晰度。

1.2 自然環(huán)境

除系統(tǒng)本身的因素以外，自然環(huán)境對(duì)視頻圖像清晰度影響也非常大。若遇到刮風(fēng)、下雨、下雪、大霧等自然天氣，都會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量急劇下降或模糊不清。

除此以外，還有照度不足、背光、逆光、溫度過(guò)低或過(guò)高等，都會(huì)對(duì)圖像還原系統(tǒng)造成影響，影響圖像清晰度。在光線不足的條件下，攝像機(jī)的Sensor成像會(huì)產(chǎn)生很多噪聲，這些噪聲會(huì)影響圖像清晰度，而且會(huì)使圖像編碼的碼流大幅增加。

1.3 人為環(huán)境

供電系統(tǒng)的電源不“干凈”，即竄入比較強(qiáng)的干擾信號(hào)，具體是指在50Hz的正弦波上疊加有干擾信號(hào)。如果本電網(wǎng)中有大功率可控硅調(diào)頻調(diào)速裝置、可控硅整流裝置、可控硅交直流變換裝置等，都會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生污染。

電視監(jiān)控系統(tǒng)附近有很強(qiáng)的電磁干擾源或電磁輻射。電磁干擾源，如電焊、無(wú)線電發(fā)射、大電機(jī)、大繼電器的干擾等，也會(huì)導(dǎo)致視頻信號(hào)干擾。電磁干擾會(huì)導(dǎo)致圖像有間距相等的豎條或圖像呈規(guī)律性閃爍條文等，從而導(dǎo)致圖像模糊。

還有就是人為破壞導(dǎo)致，比如被弄得難以識(shí)別的車牌等，致使攝像機(jī)無(wú)法攝取車牌號(hào)等。

2、模糊圖像處理技術(shù)的發(fā)展

從20世紀(jì)90年代以來(lái),安防行業(yè)經(jīng)歷了一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期。隨著安防監(jiān)控系統(tǒng)從全模擬到全數(shù)字的發(fā)展，人們對(duì)圖像質(zhì)量要求越來(lái)越高，圖像分辨率也經(jīng)歷了從CIF到標(biāo)清再到高清分辨率的變遷。

早期傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)采用模擬信號(hào)傳輸方式，稱為第一代全模擬監(jiān)控時(shí)代。模擬監(jiān)控主導(dǎo)安防市場(chǎng)十幾年時(shí)間，那時(shí)的視頻文件通過(guò)磁帶錄像機(jī)進(jìn)行錄像和保存。在模擬監(jiān)控時(shí)代，因?yàn)橐曨l圖像的存儲(chǔ)都是采用模擬設(shè)備，模擬存儲(chǔ)設(shè)備隨著時(shí)間延長(zhǎng)，圖像會(huì)有一定的信息損失。但是模糊圖像處理技術(shù)是針對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理的技術(shù)，所以那個(gè)年代還沒(méi)有被引入到安防領(lǐng)域。

因模擬監(jiān)控系統(tǒng)固有的缺陷，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化存儲(chǔ)方式逐漸取代了模擬的磁帶存儲(chǔ)。隨之進(jìn)入了第二代準(zhǔn)數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng),以數(shù)字硬盤錄像DVR為主,替代了模擬錄像機(jī),跨出數(shù)字監(jiān)控的第一步。對(duì)視頻圖像數(shù)字化以后，圖像處理技術(shù)開始派上了用場(chǎng)，模糊圖像處理技術(shù)逐步被引入安防領(lǐng)域。

隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,目前視頻監(jiān)控已經(jīng)發(fā)展到了基于IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜珨?shù)字監(jiān)控時(shí)代。這樣就進(jìn)入了第三代全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控時(shí)代,這個(gè)時(shí)代的代表產(chǎn)品以IPC、NVR為主。視頻圖像數(shù)字化以后，模糊圖像處理技術(shù)在安防領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

模糊圖像處理技術(shù)屬于圖像處理技術(shù)的一種，所謂圖像處理技術(shù)，就是利用計(jì)算機(jī)或高速、大規(guī)模的集成數(shù)字硬件，對(duì)從圖像信息中的數(shù)字電信號(hào)進(jìn)行某些數(shù)字運(yùn)算或處理，以期提高圖像的質(zhì)量或達(dá)到人們所預(yù)期的結(jié)果，因此也稱為計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)。如對(duì)被噪聲污染的圖像除去噪聲，對(duì)信息微弱的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，對(duì)失真的圖像進(jìn)行幾何校正，從犯罪現(xiàn)場(chǎng)提供指紋特征等。過(guò)去幾年，受國(guó)際恐怖事件的推動(dòng)，人們的安全防范意識(shí)越來(lái)越高，社會(huì)對(duì)安保的需求也越來(lái)越多，監(jiān)控圖像處理技術(shù)也將在這樣的市場(chǎng)需求和規(guī)律中不斷演進(jìn)，發(fā)揮越來(lái)越多的作用。

3、安防行業(yè)的特殊要求

計(jì)算機(jī)圖像處理是將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理。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)別車牌、違章行為、駕駛?cè)说纫?，模糊的圖像在這種場(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。

安防領(lǐng)域的這些特殊應(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。

4、模糊圖像處理技術(shù)的局限性

目前受硬件水平、傳輸帶寬以及應(yīng)用環(huán)境等因素影響，圖像模糊問(wèn)題還無(wú)法得到徹底解決。

圖像從采集到傳輸?shù)酱鎯?chǔ)顯示的任何一個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)于圖像質(zhì)量都很關(guān)鍵，任何一個(gè)步驟出問(wèn)題都會(huì)影響圖像質(zhì)量，而且這種影響是不可逆的，所以說(shuō)徹底解決圖像模糊問(wèn)題，需要一個(gè)全方位的技術(shù)更新。比如，在當(dāng)前的數(shù)字圖像技術(shù)的背景下，編碼技術(shù)是影響圖像質(zhì)量的瓶頸之一，如果出現(xiàn)一種壓縮比高、圖像損失小的編碼算法，當(dāng)然會(huì)一定程度解決因?yàn)閴嚎s導(dǎo)致的圖像模糊問(wèn)題，不過(guò)要實(shí)現(xiàn)這種算法，通常需要更高的運(yùn)算代價(jià)，所以還需要硬件技術(shù)的更新來(lái)滿足這樣的算法。

類似超分辨重構(gòu)的模糊圖像處理技術(shù)由于其算法的復(fù)雜性，目前的常規(guī)設(shè)備還很難做到實(shí)時(shí)處理高清圖像，所以算法的效率還是目前的模糊圖像處理的不足之一，這就需要從算法和硬件兩方面入手，提高算法效率，同時(shí)也需要提升硬件性能。

另外，目前各種針對(duì)模糊圖像處理的算法，都是基于某種特定場(chǎng)景應(yīng)用而產(chǎn)生的解決方法，各種算法存在的局部性和局限性，造成了算法應(yīng)用的障礙。所以在未來(lái)的很多年，我們關(guān)于圖像處理的算法和模型也有很長(zhǎng)的路要走。

5、天地偉業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新

天地偉業(yè)一直被譽(yù)為安防超市，其產(chǎn)品覆蓋安防領(lǐng)域的各種場(chǎng)所和行業(yè)，擁有一整套完整的行業(yè)解決方案。我們的產(chǎn)品除了盡量提供更合理的采集條件和采集環(huán)境之外，還在編碼和圖像處理上也做了很多工作。我們?cè)趫D像處理上采用了從前端到后端綜合優(yōu)化的多種處理方案。

5.1 動(dòng)態(tài)編碼參數(shù)調(diào)節(jié)

我們的產(chǎn)品會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整壓縮編碼方案，在帶寬條件好的時(shí)候傳輸高分辨率或低壓縮比畫質(zhì)較高的圖像，在帶寬條件較差的時(shí)候，選擇壓縮比高或低分辨率的圖像，盡量充分利用帶寬。在帶寬條件較差的情況下根據(jù)行業(yè)特殊需求也會(huì)動(dòng)態(tài)降低視頻幀率，來(lái)提高圖像質(zhì)量。

5.2 動(dòng)態(tài)場(chǎng)景自適應(yīng)

我們還根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行視頻采集參數(shù)的調(diào)節(jié)，比如自動(dòng)亮度、動(dòng)態(tài)對(duì)比度、色彩補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)。并應(yīng)用各種頻域的濾波技術(shù)，增強(qiáng)圖像紋理和去除各種噪聲；對(duì)于某些特殊應(yīng)用場(chǎng)景，我們會(huì)采用超分辨重構(gòu)技術(shù)來(lái)提高某些幀的清晰度，獲取關(guān)鍵信息。

動(dòng)態(tài)對(duì)比度的視線原理主要是根據(jù)圖像的統(tǒng)計(jì)信息，分析圖像的亮度值分布情況，自動(dòng)分析主要的圖像信息可能的分布范圍，把該亮度范圍進(jìn)行拉伸，提高該范圍的對(duì)比度，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整亮度，使之更符合人眼的感受范圍。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要是通過(guò)對(duì)圖像的直方圖統(tǒng)計(jì)分析圖像的亮度范圍，對(duì)低亮度的圖像適當(dāng)拉伸低亮度范圍的對(duì)比度，并適當(dāng)調(diào)高亮度范圍。對(duì)于高亮度的圖像拉伸高亮度范圍的對(duì)比度，降低亮度。這種方法對(duì)于低照度導(dǎo)致的圖像模糊有較好的校正效果，效果圖見5-1。

　　圖5-1 動(dòng)態(tài)對(duì)比度調(diào)整前后效果圖

5.3 智能銳化

銳度增強(qiáng)的原理主要是在把圖像分成三個(gè)頻帶：低頻，中頻，高頻。低頻分量主要對(duì)應(yīng)圖像中較大的物體的輪廓，中頻分量對(duì)應(yīng)一般的輪廓和紋理，高頻分量對(duì)應(yīng)圖像中的細(xì)節(jié)信息。分別提取圖像中三個(gè)頻段的信息，根據(jù)需求對(duì)三個(gè)頻段的信息乘上一個(gè)增益系數(shù)，再疊加到原始圖像上，達(dá)到銳度增強(qiáng)的效果。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要是通過(guò)設(shè)置三個(gè)對(duì)應(yīng)不同頻段的高通濾波器，通過(guò)卷積原始圖像提取三個(gè)不同頻帶的信息，將提取的信息乘上增益系數(shù)，疊加到原始圖像。這種方法對(duì)于壓縮編碼損失導(dǎo)致的模糊有一定效果。

天地偉業(yè)把銳度增強(qiáng)和智能分析結(jié)合在一起，比如只對(duì)圖像中運(yùn)動(dòng)變化的部分也就是監(jiān)控感興趣的部分圖像進(jìn)行銳度增強(qiáng)，而對(duì)其他相對(duì)靜止的部分，不容易產(chǎn)生模糊的部分不做處理，這樣既可以提高處理速度，也可以有效解決圖像模糊問(wèn)題。

　　圖5.2 智能銳化前后效果對(duì)比圖

6、發(fā)展趨勢(shì)及展望

從廣義上說(shuō)，獲取不到足夠信息的圖像都可以叫做模糊圖像，所以圖像模糊問(wèn)題會(huì)隨著人們需求的提升而有新的表現(xiàn)。比如目前的監(jiān)控領(lǐng)域也許只需要一副有一定分辨率的圖像能滿足人臉識(shí)別的需求即可，隨著社會(huì)的發(fā)展也許我們需要通過(guò)一段視頻來(lái)分析某人的嘴部動(dòng)作，從而分析他在說(shuō)什么，這樣的話我們會(huì)需要更高分辨率更清晰的圖像。這將是我們的一個(gè)永恒不變的追求方向，所以模糊圖像處理的問(wèn)題將會(huì)被一直研究下去。

視頻監(jiān)控作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，最終將會(huì)朝著智能化的方向發(fā)展，圖像模糊的自動(dòng)分析即成為系統(tǒng)自檢應(yīng)用的技術(shù)之一，通過(guò)智能分析，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)識(shí)別圖像的幾何形狀、色彩、噪聲、模糊、融合以及超分辨等圖像效果進(jìn)行自動(dòng)分析即處理。隨著模糊圖像處理技術(shù)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，模糊圖像處理技術(shù)和智能分析的完美結(jié)合必然成為發(fā)展趨勢(shì)。