模糊圖像處理解決方案 - 全文

　　造成圖像模糊的原因有很多，且不同原因?qū)е碌哪：龍D像需要不同的方法來進(jìn)行處理。從技術(shù)方面來講，模糊圖像處理方法主要分為三大類，分別是圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原和超分辨率重構(gòu)。本文將從這三方面切入剖析。

　　智能化設(shè)備管理技術(shù)是利用系統(tǒng)管理平臺(tái)軟件的設(shè)備管理服務(wù)，對(duì)所有的監(jiān)控設(shè)備包括攝像機(jī)、云臺(tái)、編碼器和系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行不間斷的實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)能及時(shí)通過各種方式告警，提示維護(hù)人員及時(shí)處置。一個(gè)系統(tǒng)可以按照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)部署多臺(tái)設(shè)備管理服務(wù)器，分區(qū)域?qū)υO(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的巡檢，這樣可以大大提高系統(tǒng)的維護(hù)效率，盡可能做到在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，在不超過10分鐘的時(shí)間內(nèi)被監(jiān)測到并告警。

　　建設(shè)目標(biāo)

　　本方案擬應(yīng)用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，仿真人類的視覺系統(tǒng)，針對(duì)某市公共安全圖像資源前端攝像頭出現(xiàn)的雪花、滾屏、模糊、偏色、畫面凍結(jié)、增益失衡和云臺(tái)失控等常見攝像頭故障以及惡意遮擋和破壞監(jiān)控設(shè)備的不法行為做出準(zhǔn)確判斷，并自動(dòng)記錄所有的檢測結(jié)果，生成報(bào)表。以便用戶輕松維護(hù)市公共安全圖像資源系統(tǒng)。

　　技術(shù)路線

　　將視頻故障分成視頻信號(hào)缺失、視頻清晰度異常、視頻亮度異常、視頻噪聲、視頻雪花、視頻偏色、畫面凍結(jié)、PTZ運(yùn)動(dòng)失控八種類型。其中視頻信號(hào)缺失、隨著“平安城市”的廣泛建設(shè)，各大城市已經(jīng)建有大量的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，雖然監(jiān)控系統(tǒng)己經(jīng)廣泛地存在于銀行、商場、車站和交通路口等公共場所，但是在公安工作中，由于設(shè)備或者其他條件的限制，案情發(fā)生后的圖像回放都存在圖像不清晰，數(shù)據(jù)不完整的問題，無法為案件的及時(shí)偵破提供有效線索。經(jīng)常出現(xiàn)嫌疑人面部特征不清晰、難以辨認(rèn)、嫌疑車輛車牌模糊無法辨認(rèn)等問題，這給公安部門破案、法院的取證都帶來了極大的麻煩。隨著平安城市的推廣、各地各類監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，此類問題將會(huì)越來越凸顯。

　　模糊圖像產(chǎn)生的原因

　　造成圖像模糊的原因很多，聚焦不準(zhǔn)、光學(xué)系統(tǒng)的像差、成像過程中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、大氣湍流效應(yīng)、低光照、環(huán)境隨機(jī)噪聲等都會(huì)導(dǎo)致圖像模糊。另外圖像的編解碼、傳輸過程都可能導(dǎo)致圖像的進(jìn)一步模糊?？傮w來說，造成圖像模糊的主要原因如下：

　　· 鏡頭聚焦不當(dāng)、攝像機(jī)故障等;

　　· 傳輸太遠(yuǎn)、視頻線老化、環(huán)境電磁干擾等;

　　· 攝像機(jī)護(hù)罩視窗或鏡頭受臟污、受遮擋等;

　　· 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原因?qū)е碌哪：?

　　· 攝像機(jī)分辨率低，欠采樣成像;

　　· 光學(xué)鏡頭的極限分辨率和攝像機(jī)不匹配導(dǎo)致的模糊;

　　· 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)模糊等;

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　　模糊圖像常用解決方案

　　對(duì)于模糊圖像處理技術(shù)，國內(nèi)大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)在多年以前就在研究這些理論和應(yīng)用，相關(guān)文獻(xiàn)也發(fā)布了不少，已經(jīng)取得了一些很好的應(yīng)用。美國 Cognitech軟件是相當(dāng)成熟的一套模糊圖像恢復(fù)應(yīng)用軟件，在美國FBI及其他執(zhí)法機(jī)構(gòu)中已有多年實(shí)際應(yīng)用，其恢復(fù)出的圖像可以直接當(dāng)作法庭證據(jù)使用，可見模糊圖像處理技術(shù)已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)膶?shí)際應(yīng)用。

　　前面提到，造成圖像模糊的原因有很多，要取得比較好的處理效果，不同原因?qū)е碌哪：枰煌奶幚矸椒?。從技術(shù)方面來講，模糊圖像處理方法主要分為三大類，分別是圖像增強(qiáng)、圖像復(fù)原和超分辨率重構(gòu)。

　　圖像增強(qiáng)

　　很多傳統(tǒng)圖像算法都可以減輕圖像的模糊程度，比如圖像濾波、幾何變換、對(duì)比度拉伸、直方圖均衡、空間域銳化、亮度均勻化、形態(tài)學(xué)、顏色處理等。就單個(gè)來講，這些算法都比較成熟，相對(duì)簡單。但是對(duì)于一個(gè)具體的模糊圖像，往往需要上面的一種或者多種算法組合，配合不同的參數(shù)才能達(dá)到理想的效果。這些算法和參數(shù)的組合進(jìn)一步發(fā)展成為具體的增強(qiáng)算法，比如“圖像去霧”算法、“圖像去噪”算法、“圖像銳化”算法、“圖像暗細(xì)節(jié)增強(qiáng)”算法等等。這些算法都不同程度提高了圖像清晰度，很大程度改善了圖像質(zhì)量。

　　綜合使用形態(tài)學(xué)、圖像濾波和顏色處理等算法可以實(shí)現(xiàn)圖像去霧的算法，圖1是一個(gè)去霧算法的實(shí)際使用效果，類似的圖像增強(qiáng)算法還有很多，不再一一列舉。

　　圖像復(fù)原

　　圖像復(fù)原與圖像增強(qiáng)技術(shù)一樣，也是一種改善圖像質(zhì)量的技術(shù)。圖像復(fù)原是根據(jù)圖像退化的先驗(yàn)知識(shí)建立一個(gè)退化模型，然后以此模型為基礎(chǔ)，采用各種逆退化處理方法逐步進(jìn)行恢復(fù)，從而達(dá)到改善圖像質(zhì)量的目的。

　　圖像復(fù)原和圖像增強(qiáng)是有區(qū)別的，兩者的目的都是為了改善圖像的質(zhì)量。但圖像增強(qiáng)不考慮圖像是如何退化的，只有通過試探各種技術(shù)來增強(qiáng)圖像的視覺效果，而圖像復(fù)原就完全不同，需要知道圖像退化過程的先驗(yàn)知識(shí)，據(jù)此找出一種相應(yīng)的逆過程方法，從而得到復(fù)原的清晰圖像。圖像復(fù)原主要取決于對(duì)圖像退化過程的先驗(yàn)知識(shí)所掌握的精確程度。

　　對(duì)由于離焦、運(yùn)動(dòng)、大氣湍流等原因引起的圖像模糊，圖像復(fù)原的方法效果較好，常用的算法包括維納濾波算法、小波算法、基于訓(xùn)練的方法等。圖3是使用維納濾波解決運(yùn)動(dòng)模糊圖像的例子，取得了很好的復(fù)原效果。在知道退化模型的情況下，相對(duì)圖像增強(qiáng)來說，圖像復(fù)原可以取得更好的效果。

　　圖像超分辨率重構(gòu)

　　現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)主要目標(biāo)為宏觀場景的監(jiān)視，一個(gè)攝像機(jī)，覆蓋一個(gè)很大的范圍，導(dǎo)致畫面中目標(biāo)太小，人眼很難直接辨認(rèn)。這類由于欠采樣導(dǎo)致的模糊占很大比例，對(duì)于由欠采樣導(dǎo)致的模糊需要使用超分辨率重構(gòu)的方法。

　　超分辨率復(fù)原是通過信號(hào)處理的方法，在提高圖像的分辨率的同時(shí)改善采集圖像質(zhì)量。其核心思想是通過對(duì)成像系統(tǒng)截止頻率之外的信號(hào)高頻成分估計(jì)來提高圖像的分辨率。超分辨率復(fù)原技術(shù)最初只對(duì)單幅圖像進(jìn)行處理，這種方法由于可利用的信息只有單幅圖像，圖像復(fù)原效果有著固有的局限。序列圖像的超分辨率復(fù)原技術(shù)旨在采用信號(hào)處理方法通過對(duì)序列低分辨率退化圖像的處理來獲得一幅或者多幅高分辨率復(fù)原圖像。由于序列圖像復(fù)原可利用幀間的額外信息，比單幅復(fù)原效果更好，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

　　序列圖像的超分辨率復(fù)原主要分為頻域法和空域法兩大類，頻域方法的優(yōu)點(diǎn)是：理論簡單，運(yùn)算復(fù)雜度低，缺點(diǎn)是：只局限于全局平移運(yùn)動(dòng)和線性空間不變降質(zhì)模型，包含空域先驗(yàn)知識(shí)的能力有限。空域方法所采用的觀測模型涉及全局和局部運(yùn)動(dòng)、空間可變模糊點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)、非理想亞采樣等，而且具有很強(qiáng)的包含空域先驗(yàn)約束的能力。常用的空域法有非均勻插值法、迭代反投影方法（IBP）、凸集投影法（POCS）、最大后驗(yàn)估計(jì)法（MAP）、最大似然估計(jì)法 （ML）、濾波器法等，其中，MAP和POCS二方法研究較多，發(fā)展空間很大。對(duì)于具體的算法，不是本文的重點(diǎn)，這里不做詳細(xì)介紹。圖五是一個(gè)使用多幀低分辨率圖像超分辨率重構(gòu)的例子。

　　模糊圖像處理技術(shù)的關(guān)鍵和不足

　　雖然很多模糊圖像的處理方法在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果，但是當(dāng)前仍然有一些因素制約著模糊圖像處理的進(jìn)一步發(fā)展，主要如下。

　　算法的高度針對(duì)性

　　絕大部分的模糊圖像處理算法只適用于特定圖像，而算法本身無法智能決定某個(gè)算法模塊的開啟還是關(guān)閉。舉例來說，對(duì)于有霧的圖像，“去霧算法”可以取得很好的處理效果，但是作用于正常圖像，反而導(dǎo)致圖像效果下降，“去霧算法”模塊的打開或者關(guān)閉需要人工介入。

　　算法參數(shù)復(fù)雜性

　　模糊圖像處理里面所有的算法都會(huì)包含大量的參數(shù)，這些參數(shù)的選擇需要和實(shí)際的圖像表現(xiàn)相結(jié)合，直接決定最終的處理效果。就目前的算法，還沒有辦法智能地選擇哪些是最優(yōu)的參數(shù)。

　　算法流程的經(jīng)驗(yàn)性

　　由于實(shí)際圖像非常復(fù)雜，需要處理多種情況，這就需要一個(gè)算法處理流程，對(duì)于一個(gè)具體的模糊視頻，采用什么樣的處理流程很難做到自動(dòng)選擇，需要人工選擇一個(gè)合適的方法，只能靠人的經(jīng)驗(yàn)。

　　結(jié)語

　　由于環(huán)境、線路、鏡頭、攝像機(jī)等影響，監(jiān)控系統(tǒng)建成并運(yùn)營一段時(shí)間后，都會(huì)出現(xiàn)一部分的視頻模糊不清的問題。

　　總體來說，雖然模糊圖像處理算法已經(jīng)取得了非常廣泛的應(yīng)用，但是圖像算法畢竟有局限性，不能將所有問題都寄希望于圖像算法，對(duì)于不同種類的模糊問題，要區(qū)別對(duì)待。對(duì)于由鏡頭離焦、灰塵遮擋、線路老化、攝像機(jī)故障等造成的模糊或者圖像質(zhì)量下降，在視頻診斷系統(tǒng)的幫助下，一定要及時(shí)維修，從源頭上解決問題。對(duì)于低光照等優(yōu)先選擇日夜兩用型高感光度攝像機(jī)，對(duì)于雨霧、運(yùn)動(dòng)和欠采樣等造成的圖像質(zhì)量下降，可以借助于“視頻增強(qiáng)服務(wù)器”包含的各種模糊圖像處理算法來提升圖像質(zhì)量。