基于警用圖像處理系統對超分辨率圖像重建分析

石曉勃， 高樹輝

(中國人民公安大學刑事科學技術學院， 北京 100038)

基于警用圖像處理系統對超分辨率圖像重建分析

石曉勃， 高樹輝

(中國人民公安大學刑事科學技術學院， 北京 100038)

目的 利用識慧圖像影音處理系統與警視通圖像處理系統對模糊車牌進行清晰化處理，分析對比處理結果和影響因素，為視頻處理提供參考。方法 分別對相同一段運動車輛視頻圖像進行分析，截取有效關鍵幀對圖像進行穩定重建和多幀平均，將8幀合成為一幀，使用維納濾波對車牌進行清晰化處理及穩定重建。選擇高斯模糊和運動模糊作為主要清晰化處理手段，通過函數計算與臨近像素平均產生結果。結果 車牌區域像素分辨率為220×90，在客觀數值評判上，峰值信噪比(PSNR)值越高表示畫質越清楚。使用MATLAB軟件進行仿真計算得PSNR數值，識慧軟件和警視通軟件處理后的峰值信噪比分別為：18.891 4和18.814 8。結論 大量實驗發現，PSNR的數值結果與人類直觀感受的視覺品質并不完全一致，肉眼的視覺對于誤差的敏感度并不是絕對的，其感知結果會受到許多因素的影響而產生變化，尤其公安領域重要在于能否識別車輛信息并不以數據為唯一指標。想要從圖像或者運動視頻中提取有效信息有一定的條件，整個畫面的分辨率達到352×288以上、被處理畫面里物體的像素數量盡可能地保證在150×150個以上。

圖像處理; 運動; 車牌; 穩定; 重建

0 引言

隨著我國科技迅速發展，公安基礎配套設施快速建設，日益普及的監控設備為偵查破案提供了有力的第一手視頻影像資料。其中包含嫌疑人所駕駛車輛的品牌、型號、顏色、車牌等重要信息。然而，有些受不同地區硬件和維護條件的限制、拍攝條件等的影響，一些監控視頻不能提供足夠的有效信息，特別是車牌信息，本文利用兩款圖像處理軟件對涉案視頻中運動車輛牌照進行處理，為案件偵破提供信息。

1 運動圖像重建實驗研究

1.1 儀器設備

識慧圖像影音處理系統，是美國識慧公司生產，主要用于數字及模擬監控視頻圖像的處理，該圖像處理系統由Video Active和Video Investigator兩個部分軟件組成。Video Active捕獲來自外部模擬或者數字設備的視頻，處理捕獲實時或者接近于實時視頻的文件。Video Active通過模塊不同的配置來查看實況視頻錄像帶、視頻文件；或者查看多通道的實況視頻錄像帶和視頻文件，也可以截取保存和輸出。濾鏡是Video Investigator主要的圖像和視頻的處理和分析工具，濾波器是用于執行各種重要圖像和視頻處理任務的表示科學公式、數學算法的軟件插件。提供了比例、多路分離、去模糊、去噪聲、增強等諸多功能。

警視通數字影像分析平臺是由北京多維視通技術有限公司和公安部物證鑒定中心聯合開發的專門為公安系統量身定做的專業圖像和視頻分析處理系統。系統在查看視頻的同時可進行去噪、增強、去霧等，以改善視頻質量，便于觀察。具有操作簡單、速度快、效果好等特點。

1.2 實驗樣本

由于運動模糊而需鑒定的監控視頻一段，對小客車車牌進行處理分析。

1.3 實驗過程

選取樣本視頻中位置較好的連續幀作為處理關鍵幀。首先選取視頻片段中較為清晰的8幀連續幀作為圖像重建的關鍵幀，見圖1；采用識慧軟件和警視通軟件進行圖像重建，將多幀圖像合并為一幀，并判斷運動方向，見圖2；利用內插值原理，選擇插補方式為樣條法，以中心幀作為運動矢量模式對圖像進行處理，見圖3。

圖1 在連續視頻中選取圖片質量較好的連續8幀

經過多幀平均后，將8幀合成為一幀，使用維納濾波進行車牌清晰化處理。維納濾波分為高斯模糊、運動模糊、散焦模糊、衍射模糊和自定義模糊五種。本案中，選擇高斯模糊和運動模糊作為主要清晰化處理手段。高斯模糊通?？蓽p少圖像噪聲以及降低細節層次，通過平均周圍像素值使得圖像細節平緩化，減少因設備產生的噪音。運動模糊的去除則取決于點擴散函數，因此需要足夠臨近像素的信息，通過函數計算與臨近像素平均產生處理結果。選擇設置橫向和縱向模糊核的寬度結合運動方向進行處理，結果見圖4；通過測算運動方向和迭代次數進行重建，運動方向為163°，向斜上方移動，結果見圖5。

圖2 穩定性重建參數

圖3 使用警視通軟件進行多幀平均

圖4 識慧軟件通過維納濾波處理圖像

圖5 警視通通過維納濾波處理圖像

視頻的運動模糊處理后得到較為清晰化的圖像，調整直方圖增加特征信息及反差，操作步驟見圖6。運動模糊車牌處理結果見圖7、圖8。

圖6 分別對兩款軟件調整直方圖

圖7 警視通處理結果

圖8 識慧處理結果

2 實驗結果統計

軟件對于運動模糊的角度是基于肉眼的直觀理解，因此設定不同運動方向和選用不同維納濾波恢復的效果也不同。高斯模糊主要用來減少圖像產生的噪聲，但因此會減少圖像的細節層次。散焦模糊在大多數成像過程中都存在，而因為光學衍射而產生的衍射模糊也較為常見。運動方向直接影響系統輸入像素取值方向，不同的運動角度恢復的效果也有所不同。將樣本分別進行四種模糊的處理實驗，對比處理后的清晰程度，見表1。

表1 不同方向不同維納濾波效果對比

注：“--”表示處理后效果不明顯，“-”表示效果不太明顯，“+”表示處理效果一般，“++”表示處理后效果較好，“+++”表示處理后效果非常好。

通過兩款軟件處理后的圖片，車牌區域像素分辨率為220×90，用客觀和主觀兩種方式判斷處理效果。在客觀數值評判上，峰值信噪比(PSNR) 是目前世界范圍內使用最普遍的評鑒方法。經過均方差進行定義，兩張處理后的結果進行對比。PSNR的數值越高表示畫質越高。

均方差定義：

峰值信噪比定義：

經過使用MATLAB軟件進行仿真計算得到PSNR的數值，樣本經過識慧軟件和警視通軟件處理后的峰值信噪比分別為：18.891 4和18.814 8。從數值上來看識慧軟件處理的結果略高于后者。大量實驗發現PSNR 的數值結果與人類直觀感受的視覺品質并不完全一致。因為肉眼的視覺對于誤差的敏感度并不是絕對的，其感知結果受許多因素的影響。尤其是在公安領域中重要在于能否識別車輛信息，而并不以數據為唯一指標。

3 結論

實驗結果顯示圖像重建上高斯模糊以及維納濾鏡效果接近。通過動態的穩定重建，兩款軟件能夠獲得車輛一部分基本信息。分別對比四種維納濾波的處理效果表明，對于運動車輛選取運動模糊處理的效果最佳；高斯模糊可以使得圖像清晰化但程度不高；散焦模糊和衍射模糊對于運動車輛效果較不明顯。處理圖像或者運動視頻中提取有效信息有一定的條件，分辨率過低導致效果不佳。整個畫面的分辨率達到352×288以上，處理畫面里物體的像素數量盡可能地保證150×150個以上，才有檢驗鑒定價值。

[1] 王世君，黎智輝，許小京．警視通數字影像分析平臺會議論文[C]∥中國感光學會紫外照相和視聽技術檢驗學術研討會. 2008，11.

[2] 段巍，劉雪峰，王蘇慧. 論視頻圖像中模糊圖像的若干處理方法[J].楚天法治，2015(2).

[3] 孔登峰，李婷.警視通影像分析平臺復原模糊圖像的實驗研究——以復原模糊車牌圖像為例[J].數字技術與應用,2014(1).

[4] 陳叢平，汪衛. 基于峰值信噪比評價的運動模糊方向與長度識別[J].三峽大學學報，2012(12).

(責任編輯 陳小明)

石曉勃(1991—)，男，北京人，公安大學2014級碩士研究生。研究方向為刑事圖像技術。

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