淺析模糊圖像處理技術(shù)在安防領(lǐng)域的應用

隨著(zhù)計算機圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展、信息化普及度加大，以及人們安防意識的提高，實(shí)時(shí)視頻監控系統已經(jīng)逐步成為人們生活中不可或缺的一部分，已經(jīng)被廣泛應用在生產(chǎn)、交通、社會(huì )安全等方面。但是受惡劣天氣(霧、雨、風(fēng)、光等)和監控系統自身技術(shù)條件的限制，視頻圖像往往達不到理想的效果。圖質(zhì)出現退化或模糊不清，進(jìn)而導致對識別、取證、事件分析等操作造成困難，使系統無(wú)法正常應用。因此，模糊圖像處理技術(shù)的研究和應用在安防領(lǐng)域具有很重要的意義。

模糊圖像產(chǎn)生的原因分析

系統自身因素

一個(gè)全模擬監控系統中，從前端到后端由圖像采集、圖像傳輸、圖像存儲、圖像顯示等幾個(gè)環(huán)節構成。在每一個(gè)環(huán)節或都會(huì )產(chǎn)生視頻信息損失，也就是讓圖像質(zhì)量變差或變模糊。

鏡頭：影響進(jìn)入攝像機的光通量和成像的精確性，會(huì )直接導致圖像模糊;攝像機感光元件Sensor：影響到光信號的采集和光電轉換效果，會(huì )直接導致圖像模糊;視頻傳輸電纜兩端的BNC接頭：因信號屏蔽的縫隙會(huì )造成信號損失，視頻傳輸電纜經(jīng)過(guò)長(cháng)距離的傳輸，傳輸線(xiàn)纜的電阻、屏蔽、阻抗匹配等問(wèn)題，都會(huì )引起信號的衰減，也會(huì )直接導致圖像質(zhì)量變差變模糊，監視器圖像呈現端也會(huì )有一定的信號損失。

在一個(gè)全數字視頻監控系統中，采用網(wǎng)絡(luò )傳輸，經(jīng)過(guò)數字化編碼的視頻信號的傳輸和存儲相對于模擬系統，可以更有效避免因信號衰減造成圖像損傷。但是，在鏡頭、圖像采集以及后端呈現時(shí)的圖像信號耗損仍然無(wú)法避免。另外，在數字視頻監控系統中，又增加了視頻信號的A/D轉換、視頻編碼壓縮環(huán)節，這些環(huán)節仍會(huì )導致圖像信息的損失?，F有的視頻壓縮編碼算法都是有損壓縮，會(huì )直接導致視頻信息的丟失，影響視頻清晰度。

自然環(huán)境

除系統本身因素以外，自然環(huán)境對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 )對圖像還原系統造成影響，影響到圖像清晰度。在光線(xiàn)不足的條件下，攝像機的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。

人為環(huán)境

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

電視監控系統附近有很強的電磁干擾源或電磁輻射。電磁干擾源如電焊、無(wú)線(xiàn)電發(fā)射、大電機、大繼電器的干擾等，也會(huì )導致對視頻信號干擾。電磁干擾會(huì )導致圖像有間距相等的豎條或圖像呈規律性閃爍條紋等，從而導致圖像模糊。還有，就是人為破壞導致，比如被弄得難以識別的車(chē)牌等，致使攝像機無(wú)法攝取車(chē)牌號等。

模糊圖像處理技術(shù)的發(fā)展

從20世紀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(zhù)安防監控系統從全模擬到全數字的發(fā)展，人們對圖像質(zhì)量要求越來(lái)越高，圖像分辨率也經(jīng)歷了從CIF到標清再到高清的變遷。

早期傳統的監控系統采用模擬信號傳輸方式，稱(chēng)為第一代全模擬監控時(shí)代，那時(shí)的視頻文件通過(guò)磁帶錄像機進(jìn)行錄制和保存。因為視頻圖像的存儲都是采用模擬設備，模擬存儲設備隨著(zhù)使用時(shí)間的延長(cháng)，圖像會(huì )有一定的信息損失。但是模糊圖像處理技術(shù)是基于數字圖像進(jìn)行處理的技術(shù)，所以在純模擬年代，其還沒(méi)有被引入到安防領(lǐng)域。

因模擬監控系統固有的缺陷，隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，數字存儲方式逐漸取代了模擬磁帶存儲。隨之進(jìn)入了第二代準數字監控系統，以數字硬盤(pán)錄像DVR為主，替代了模擬錄像機，跨出數字監控的第一步。在視頻圖像數字化以后，圖像處理技術(shù)開(kāi)始派上了用場(chǎng)，模糊圖像處理技術(shù)逐步被引入到安防領(lǐng)域。

隨著(zhù)計算機與網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，目前視頻監控已經(jīng)發(fā)展到了基于IP網(wǎng)絡(luò )的全數字監控時(shí)代，這樣就進(jìn)入了第三代全數字網(wǎng)絡(luò )視頻監控時(shí)代。這個(gè)時(shí)代的代表產(chǎn)品以IPC、NVR為主。視頻圖像數字化以后，模糊圖像處理技術(shù)在安防領(lǐng)域便得到了廣泛的應用。

模糊圖像處理技術(shù)屬于圖像處理技術(shù)的一種，其利用計算機，對圖像信息中的數字信號進(jìn)行運算或處理，以期提高圖像的質(zhì)量，使達到預期的結果，因此也稱(chēng)為計算機圖像處理技術(shù)。如對被噪聲污染的圖像除去噪聲、對信息微弱的圖像進(jìn)行增強處理、對失真的圖像進(jìn)行幾何校正等。近年，隨著(zhù)人們安全防范意識越來(lái)越高和社會(huì )對安保需求的越來(lái)越強烈，監控圖像處理技術(shù)也將在這樣的市場(chǎng)需求和規律中不斷演進(jìn)，并發(fā)揮出越來(lái)越明顯的作用。

安防行業(yè)的特殊要求

計算機圖像處理是將圖像信號轉換成數字信號并利用計算機對其進(jìn)行處理。由于計算機的處理速度極快，且數字信號具有失真小、易保存、易傳輸、抗干擾能力強等特點(diǎn)，因而計算機圖像處理的應用十分廣泛，包括航空航天、遙測技術(shù)、醫療器械、工業(yè)自動(dòng)化檢測、安全識別等各大領(lǐng)域。每一個(gè)應用領(lǐng)域都有其特殊性要求，在安防監控行業(yè)應用也有其固有的特殊性：

1、對圖像清晰度要求較高。在治安監控現場(chǎng)，公安機關(guān)往往需要通過(guò)監控錄像來(lái)辨認嫌疑人、證據等，一般清晰度不高的視頻都達不到這種要求。在交通監控現場(chǎng)，交警需要通過(guò)監控圖像來(lái)識別車(chē)牌、違章行為、駕駛人等要求，模糊圖像在這種場(chǎng)合根本無(wú)法應用。

2、不同行業(yè)的監控，對圖像要求具有差異性。比如醫療監控，對圖像的色彩還原性要求比較高。智能交通監控，對攝像機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)人值守監控，需要設備在無(wú)人監管的條件下能長(cháng)期穩定工作。

3、戶(hù)外安裝，無(wú)人看守。在安防領(lǐng)域，大多情況設備需要安裝在室外，設備需要經(jīng)受常年的風(fēng)吹日曬。電子設備自身的老化的速度會(huì )比其他領(lǐng)域要相對快一些。攝像機、鏡頭、傳輸線(xiàn)路等設施的老化會(huì )導致圖像越來(lái)越模糊。

4、海量視頻路數的要求。在大型平安城市監控項目中，視頻路數會(huì )達到上萬(wàn)路，甚至更多。所以在視頻監控領(lǐng)域都期望視頻編碼的碼率壓縮比達到最高，從而降低對帶寬和存儲容量的要求。這就導致在視頻編碼環(huán)節產(chǎn)生更多的信息丟失，從而導致圖像模糊。

安防領(lǐng)域的這些特殊應用要求都會(huì )導致圖像清晰度的下降，反過(guò)來(lái)又對圖像清晰度有很高的要求，勢必會(huì )導致模糊圖像處理技術(shù)在這里有廣闊的應用前景。

模糊圖像處理技術(shù)的局限性

目前受硬件技術(shù)水平、傳輸帶寬以及應用環(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、傳輸、存儲到顯示，任何一個(gè)環(huán)節對圖像質(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，在當前的數字圖像技術(shù)的背景下，編碼技術(shù)是影響圖像質(zhì)量的瓶頸之一，如果出現一種壓縮比高、圖像損失小的編碼算法，當然會(huì )一定程度解決因為壓縮導致的圖像模糊問(wèn)題，不過(guò)要實(shí)現這種算法效果，通常需要更高的運算代價(jià)，所以還需要硬件技術(shù)的更新來(lái)滿(mǎn)足這樣的算法。

類(lèi)似超分辨重構的模糊圖像處理技術(shù)，由于其算法的復雜性，目前的常規設備還很難做到實(shí)時(shí)處理高清圖像，所以算法的效率仍是目前模糊圖像處理不足的原因之一，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，目前各種針對模糊圖像處理的算法，都是基于某種特定場(chǎng)景應用而產(chǎn)生的解決方法，各種算法存在的局部性和局限性都造成了算法應用的障礙。所以在未來(lái)的很多年，關(guān)于圖像處理的算法和模型也還有很長(cháng)的路要走。

發(fā)展趨勢及展望

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(zhù)人們需求的提升而有新的表現。比如目前的監控領(lǐng)域也許只需要一幅有一定分辨率的圖像能滿(mǎn)足人臉識別的需求即可，隨著(zhù)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(huà)會(huì )需要更高分辨率更清晰的圖像。這將是一個(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。

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