淺析模糊圖像處理技術(shù)在安防領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)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(shí)的提高，實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)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(yīng)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(jiān)控系統(tǒng)自身技術(shù)條件的限制，視頻圖像往往達(dá)不到理想的效果。圖質(zhì)出現(xiàn)退化或模糊不清，進(jìn)而導(dǎo)致對識(shí)別、取證、事件分析等操作造成困難，使系統(tǒng)無法正常應(yīng)用。因此，模糊圖像處理技術(shù)的研究和應(yīng)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(tǒng)自身因素

一個(gè)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)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(jī)的光通量和成像的精確性，會(huì)直接導(dǎo)致圖像模糊;攝像機(jī)感光元件Sensor：影響到光信號的采集和光電轉(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：因信號屏蔽的縫隙會(huì)造成信號損失，視頻傳輸電纜經(jīng)過長距離的傳輸，傳輸線纜的電阻、屏蔽、阻抗匹配等問題，都會(huì)引起信號的衰減，也會(huì)直接導(dǎo)致圖像質(zhì)量變差變模糊，監(jiān)視器圖像呈現(xiàn)端也會(huì)有一定的信號損失。

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，經(jīng)過數(shù)字化編碼的視頻信號的傳輸和存儲(chǔ)相對于模擬系統(tǒng)，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(xiàn)時(shí)的圖像信號耗損仍然無法避免。另外，在數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，又增加了視頻信號的A/D轉(zhuǎn)換、視頻編碼壓縮環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)仍會(huì)導(dǎo)致圖像信息的損失。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。

自然環(huán)境

除系統(tǒng)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(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、溫度過低或過高等，都會(huì)對圖像還原系統(tǒng)造成影響，影響到圖像清晰度。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。

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，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(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、無線電發(fā)射、大電機(jī)、大繼電器的干擾等，也會(huì)導(dǎo)致對視頻信號干擾。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)律性閃爍條紋等，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)無法攝取車牌號等。

模糊圖像處理技術(shù)的發(fā)展

從20世紀(jì)90年代以來，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，人們對圖像質(zhì)量要求越來越高，圖像分辨率也經(jīng)歷了從CIF到標(biāo)清再到高清的變遷。

早期傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)采用模擬信號傳輸方式，稱為第一代全模擬監(jiān)控時(shí)代，那時(shí)的視頻文件通過磁帶錄像機(jī)進(jìn)行錄制和保存。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)備隨著使用時(shí)間的延長，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(shù)字圖像進(jìn)行處理的技術(shù)，所以在純模擬年代，其還沒有被引入到安防領(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)字存儲(chǔ)方式逐漸取代了模擬磁帶存儲(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。在視頻圖像數(shù)字化以后，圖像處理技術(shù)開始派上了用場，模糊圖像處理技術(shù)逐步被引入到安防領(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)的全數(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)域便得到了廣泛的應(yīng)用。

模糊圖像處理技術(shù)屬于圖像處理技術(shù)的一種，其利用計(jì)算機(jī)，對圖像信息中的數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算或處理，以期提高圖像的質(zhì)量，使達(dá)到預(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(qiáng)處理、對失真的圖像進(jìn)行幾何校正等。近年，隨著人們安全防范意識(shí)越來越高和社會(huì)對安保需求的越來越強(qiáng)烈，監(jiān)控圖像處理技術(shù)也將在這樣的市場需求和規(guī)律中不斷演進(jìn)，并發(fā)揮出越來越明顯的作用。

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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并利用計(jì)算機(jī)對其進(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、遙測技術(shù)、醫(yī)療器械、工業(yè)自動(dòng)化檢測、安全識(shí)別等各大領(lǐng)域。每一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都有其特殊性要求，在安防監(jiān)控行業(yè)應(yīng)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(jiān)控現(xiàn)場，公安機(jī)關(guān)往往需要通過監(jiān)控錄像來辨認(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，交警需要通過監(jiān)控圖像來識(shí)別車牌、違章行為、駕駛?cè)说纫螅：龍D像在這種場合根本無法應(yīng)用。

2、不同行業(yè)的監(jiān)控，對圖像要求具有差異性。比如醫(yī)療監(jiān)控，對圖像的色彩還原性要求比較高。智能交通監(jiān)控，對攝像機(jī)夜間照度和抓拍速度要求比較高，要求能清晰辨別車牌。在無人值守監(jiān)控，需要設(shè)備在無人監(jiān)管的條件下能長期穩(wěn)定工作。

3、戶外安裝，無人看守。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。電子設(shè)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(jī)、鏡頭、傳輸線路等設(shè)施的老化會(huì)導(dǎo)致圖像越來越模糊。

4、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)到上萬路，甚至更多。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，從而降低對帶寬和存儲(chǔ)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)用要求都會(huì)導(dǎo)致圖像清晰度的下降，反過來又對圖像清晰度有很高的要求，勢必會(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。

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(yīng)用環(huán)境等因素影響，圖像模糊問題還無法得到徹底解決。

圖像從采集、傳輸、存儲(chǔ)到顯示，任何一個(gè)環(huán)節(jié)對圖像質(zhì)量都很關(guān)鍵，任何一個(gè)步驟出問題都會(huì)影響圖像質(zhì)量，而且這種影響是不可逆的。所以說，徹底解決圖像模糊問題，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)致的圖像模糊問題，不過要實(shí)現(xiàn)這種算法效果，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都造成了算法應(yīng)用的障礙。所以在未來的很多年，關(guān)于圖像處理的算法和模型也還有很長的路要走。

發(fā)展趨勢及展望

廣義上說，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)域也許只需要一幅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一段視頻來分析某人的嘴部動(dòng)作，從而分析他在說什么，這樣的話會(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)分析和處理。隨著模糊圖像處理技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，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。