模糊圖像處理技術(shù)在安防領(lǐng)域的應用

1、模糊圖像產(chǎn)生的原因分析

圖像的呈現是整個(gè)系統合作的結果，一個(gè)完整的視頻監控系統，是一個(gè)非常龐大而且復雜的系統，從前端到后端各個(gè)環(huán)節都可能會(huì )導致視頻圖像信號損失進(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 系統自身因素

一個(gè)完整的視頻監控系統從前到后由這么幾部分組成。在全模擬監控系統中，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、視頻BNC接頭、傳輸線(xiàn)纜、監視器圖像呈現等幾個(gè)環(huán)節，每個(gè)環(huán)節都會(huì )引起圖像模糊。鏡頭，影響進(jìn)入攝像機的光線(xiàn)和成像的精確性，會(huì )直接導致圖像模糊。攝像機內的感光Sensor，影響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，直接導致圖像質(zhì)量變差變模糊，監視器圖像呈現端也有一定的信號損失。所以在整個(gè)監控系統中的每一個(gè)節點(diǎn)和環(huán)節，都有可能會(huì )導致圖像模糊。

在一個(gè)全數字視頻監控系統中，采用網(wǎng)絡(luò )傳輸，傳輸線(xiàn)路上的視頻信號經(jīng)過(guò)數字化編碼，數字信號的傳輸和存儲可以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)節也會(huì )導致的信息的直接損失?，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。

1.2 自然環(huán)境

除系統本身的因素以外，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。

1.3 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。如果本電網(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文等，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。

2、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到標清再到高清分辨率的變遷。

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。模擬監控主導安防市場(chǎng)十幾年時(shí)間，那時(shí)的視頻文件通過(guò)磁帶錄像機進(jìn)行錄像和保存。在模擬監控時(shí)代，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)時(shí)間延長(cháng)，圖像會(huì )有一定的信息損失。但是模糊圖像處理技術(shù)是針對數字圖像進(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，數字化存儲方式逐漸取代了模擬的磁帶存儲。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。對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 )傳輸的全數字監控時(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)域得到廣泛的應用。

模糊圖像處理技術(shù)屬于圖像處理技術(shù)的一種，所謂圖像處理技術(shù)，就是利用計算機或高速、大規模的集成數字硬件，對從圖像信息中的數字電信號進(jìn)行某些數字運算或處理，以期提高圖像的質(zhì)量或達到人們所預期的結果，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，從犯罪現場(chǎng)提供指紋特征等。過(guò)去幾年，受?chē)H恐怖事件的推動(dòng)，人們的安全防范意識越來(lái)越高，社會(huì )對安保的需求也越來(lái)越多，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)，發(fā)揮越來(lái)越多的作用。

3、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、安防監控、娛樂(lè )媒體等各大領(lǐng)域。每一個(gè)應用領(lǐng)域都有其領(lǐng)域的特殊性要求，安防監控行業(yè)應用也有其固有的特殊性。

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，模糊的圖像在這種場(chǎng)合根本無(wú)法應用。

不同的行業(yè)監控，對圖像要求的差異性。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)人看管的條件下能長(cháng)期穩定的工作。

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。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、電子設備、傳輸線(xiàn)路等設施的老化會(huì )導致圖像越來(lái)越模糊。

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，甚至更多路。如此海量的視頻路數，對網(wǎng)絡(luò )帶寬、存儲設備都提出了很高的要求。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)域的這些特殊應用場(chǎng)所，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。

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。

圖像從采集到傳輸到存儲顯示的任何一個(gè)環(huán)節對于圖像質(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，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，造成了算法應用的障礙。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(cháng)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。我們在圖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)編碼參數調節

我們的產(chǎn)品會(huì )根據網(wǎng)絡(luò )帶寬情況，動(dòng)態(tài)調整壓縮編碼方案，在帶寬條件好的時(shí)候傳輸高分辨率或低壓縮比畫(huà)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

我們還根據具體的應用場(chǎng)景進(jìn)行視頻采集參數的調節，比如自動(dòng)亮度、動(dòng)態(tài)對比度、色彩補償等技術(shù)。并應用各種頻域的濾波技術(shù)，增強圖像紋理和去除各種噪聲；對于某些特殊應用場(chǎng)景，我們會(huì )采用超分辨重構技術(shù)來(lái)提高某些幀的清晰度，獲取關(guān)鍵信息。

動(dòng)態(tài)對比度的視線(xiàn)原理主要是根據圖像的統計信息，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，提高該范圍的對比度，同時(shí)適當調整亮度，使之更符合人眼的感受范圍。

實(shí)現過(guò)程主要是通過(guò)對圖像的直方圖統計分析圖像的亮度范圍，對低亮度的圖像適當拉伸低亮度范圍的對比度，并適當調高亮度范圍。對于高亮度的圖像拉伸高亮度范圍的對比度，降低亮度。這種方法對于低照度導致的圖像模糊有較好的校正效果，效果圖見(jiàn)5-1。

　　圖5-1 動(dòng)態(tài)對比度調整前后效果圖

5.3 智能銳化

銳度增強的原理主要是在把圖像分成三個(gè)頻帶：低頻，中頻，高頻。低頻分量主要對應圖像中較大的物體的輪廓，中頻分量對應一般的輪廓和紋理，高頻分量對應圖像中的細節信息。分別提取圖像中三個(gè)頻段的信息，根據需求對三個(gè)頻段的信息乘上一個(gè)增益系數，再疊加到原始圖像上，達到銳度增強的效果。

實(shí)現過(guò)程主要是通過(guò)設置三個(gè)對應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，疊加到原始圖像。這種方法對于壓縮編碼損失導致的模糊有一定效果。

天地偉業(yè)把銳度增強和智能分析結合在一起，比如只對圖像中運動(dòng)變化的部分也就是監控感興趣的部分圖像進(jìn)行銳度增強，而對其他相對靜止的部分，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比圖

6、發(fā)展趨勢及展望

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(zhù)人們需求的提升而有新的表現。比如目前的監控領(lǐng)域也許只需要一副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)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)分析即處理。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。