小波變換在海上刑事案件圖像處理中的應(yīng)用

童冬生,　曹海寧，2

(1.公安海警學(xué)院，浙江寧波　315801； 2.中國人民公安大學(xué)研究生部，北京　100038)

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小波變換在海上刑事案件圖像處理中的應(yīng)用

童冬生1,曹海寧1，2

(1.公安海警學(xué)院，浙江寧波315801； 2.中國人民公安大學(xué)研究生部，北京100038)

摘要小波變換在圖像處理、數(shù)字信號處理、模式識別以及地球物理勘探等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。分析海上刑事案件圖像自身的特點(diǎn)，介紹小波變換的基本理論，列舉小波變換在海上刑事案件圖像處理中幾種具體的應(yīng)用，如圖像壓縮、圖像去噪和圖像增強(qiáng)，并在Matlab環(huán)境下進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)和仿真。結(jié)果表明，小波變換在海上刑事案件圖像處理中的應(yīng)用切實(shí)可行，效果較好，具有一定的實(shí)用價值和應(yīng)用前景，能夠?yàn)楹Ｉ闲淌掳讣膫善铺峁┘夹g(shù)支撐。

關(guān)鍵詞小波變換；海上刑事案件；圖像壓縮；圖像去噪；圖像增強(qiáng)

0引言

由于海上氣候惡劣，環(huán)境變化快，海上犯罪現(xiàn)場留下痕跡物證易被破壞，通過現(xiàn)場照相所形成的海上刑事案件圖像易模糊不清、可讀性差，不能充分顯示現(xiàn)場痕跡物證的細(xì)節(jié)特征，其作為證據(jù)的證明力有所降低，給海上刑事偵查造成較大的影響。當(dāng)前，被稱為“數(shù)學(xué)顯微鏡”的小波變換在模式識別、圖像處理、人臉識別、語音分割與合成、雷達(dá)信號分析、地球物理勘探、數(shù)字水印、空氣動力學(xué)與流體力學(xué)上的應(yīng)用中得到了廣泛深入的研究。利用小波分析的優(yōu)勢可以探測視頻圖像的瞬間特征、局部特征并展示其相應(yīng)的頻率成分，因此可以考慮把小波變化應(yīng)用于海上刑事案件圖像處理，以促進(jìn)海上刑事偵查工作的發(fā)展，為海上綜合執(zhí)法提供有力的證據(jù)支持。本文主要介紹了小波變換的基本理論和方法，根據(jù)海上刑事案件圖像的自身特點(diǎn)，列舉了小波變換在海上刑事圖像處理中的幾種具體應(yīng)用，如圖像壓縮、圖像去噪和圖像增強(qiáng)，并在Matlab環(huán)境下進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)和仿真。

1海上刑事案件圖像特點(diǎn)

海上犯罪現(xiàn)場主要由船舶、海域、沿海灘涂等構(gòu)成，其特點(diǎn)不同于陸地現(xiàn)場。犯罪嫌疑人在海上犯罪現(xiàn)場遺留的痕跡物證的承痕體主要是船舶甲板、艙內(nèi)地板、沙灘、泥灘等，由于這些承痕體自身的物理化學(xué)特性，提取痕跡物證相對比較困難?，F(xiàn)場照相可以固定和揭示現(xiàn)場證據(jù)，并構(gòu)成現(xiàn)場記錄的一個重要組成部分。利用現(xiàn)場照相可為偵查提供線索、為鑒定提供檢材、為審判提供證據(jù)?；诤Ｉ戏缸铿F(xiàn)場特點(diǎn)以及照相取證的快捷、迅速等優(yōu)點(diǎn)，照相取證的重要性、必要性更日益凸顯。由于海上犯罪現(xiàn)場不同于陸地犯罪現(xiàn)場，所拍攝的刑事案件圖像特點(diǎn)主要為以下幾點(diǎn)。

(1)海上氣候惡劣，遺留在犯罪現(xiàn)場的痕跡物證很容易遭到破壞。船舶甲板以及艙內(nèi)地板上犯罪人遺留的指紋、腳印易因風(fēng)浪沖刷等海上惡劣天氣或由于踢、蹭等人為因素發(fā)生轉(zhuǎn)移受到破壞，作案工具等物體甚至有跌落到海中的可能，導(dǎo)致拍攝的痕跡物證圖像質(zhì)量低下。船舶處于搖晃狀態(tài)也能破壞各種痕跡物證，導(dǎo)致犯罪現(xiàn)場無法完整保存。另外，海上雨霧天氣較多，可見度降低，現(xiàn)場范圍大，拍攝距離遠(yuǎn)，因此所拍攝海上刑事案件圖像質(zhì)量低下，畫面常模糊不清，不能充分顯示現(xiàn)場所留下的痕跡物證的細(xì)節(jié)特征，圖像失去了作為證據(jù)的功能，從而影響了對案件的偵破與審判工作。

(2)由于海上風(fēng)浪的影響，導(dǎo)致海上執(zhí)法船舶、肇事船舶、涉案人以及現(xiàn)場勘查人員幾乎一直處于飄搖不定的搖晃狀態(tài)。拍攝圖像時，相機(jī)處于抖動之中，導(dǎo)致所拍攝的圖像模糊不清，稱之為抖動模糊。在執(zhí)法船舶拍攝犯罪船舶現(xiàn)場時，執(zhí)法船舶與肇事船舶二者之間存在相對運(yùn)動，導(dǎo)致拍攝圖像的模糊，稱之為運(yùn)動模糊。即使在拍攝的過程中放置三腳架以及啟動相機(jī)防抖動功能，能在一定程度上減輕現(xiàn)場圖像模糊的程度，但不能從根本上消除因運(yùn)動或抖動引起的圖像模糊。拍攝現(xiàn)場指紋時，抖動、運(yùn)動常引起拍攝到的手印紋線錯位，不能顯示指紋的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)特征。

(3)遇到雨雪天氣時，在拍攝的過程中，雨點(diǎn)、雪點(diǎn)下降的過程中會經(jīng)常在畫面中出現(xiàn)線形影像，掩蓋了畫面中某些關(guān)鍵的細(xì)節(jié)部分，降低了畫面的質(zhì)量。天氣晴朗無風(fēng)時，海面上因陽光反射常出現(xiàn)反光現(xiàn)象，導(dǎo)致所拍攝的畫面對比度降低。由于反光現(xiàn)象，會在畫面中形成大面積的光斑，淹沒痕跡物證尤其是手印紋線的細(xì)節(jié)特征，減弱背景與指印紋線之間的反差，導(dǎo)致圖像可讀性差，從而影響了對犯罪嫌疑人手印的認(rèn)定。另外，為了打擊走私、偷渡等違法案件的發(fā)生，海上執(zhí)法人員配備紅外夜間執(zhí)法取證儀，用于夜晚執(zhí)法、巡邏。紅外夜間執(zhí)法儀所拍攝圖像的清晰度、對比度一般較差。

因此，海上刑事案件圖像處理具有較高的難度。如果處理不好，現(xiàn)場拍攝的圖像作為證據(jù)的證明力就受到很大的影響，甚至?xí)适ё鳛樽C據(jù)的功能。所以，運(yùn)用科學(xué)的方法處理海上刑事案件圖像就成為海上執(zhí)法辦案的重要工作。小波變換克服了傅立葉變換某些方面的不足。一方面，小波變換是一種時頻局部化分析方法，在時間域和頻域都具有表征、刻畫圖像信號局部特征的能力，窗口大小固定不變但形狀可變，時間窗和頻率窗都可變。另一方面，小波變換通過伸縮和平移對圖像信號進(jìn)行多尺度分析，根據(jù)測不準(zhǔn)原理使圖像信號高頻部分能在時間上得到細(xì)化處理，使圖像信號低頻部分能在頻率上得到細(xì)化處理。低頻部分對應(yīng)于圖像中變換緩慢的部分或背景，屬于平穩(wěn)分量；高頻部分對應(yīng)于圖像中的邊緣、斷點(diǎn)、尖峰、細(xì)節(jié)、噪聲，屬于非平穩(wěn)分量。因此，可以考慮將小波變換應(yīng)用于海上刑事案件圖像處理。

2小波變換原理

(1)

時，我們稱ψ(t)為一個基小波。將基小波ψ(t)通過伸縮和平移變換后得到：

(2)

稱其為一個小波序列。其中a為伸縮因子，通過改變a的值，可以對函數(shù)ψ(t)進(jìn)行伸展和收縮作用。b為平移因子，通過改變b的值，可以對函數(shù)ψ(t)平移。對于函數(shù)f(t)∈L2(R)，小波變換的定義為：

(3)

其重構(gòu)公式為：

(4)

由于基小波ψ(t)生成的小波ψa,b(t)在小波變換中對被分析的信號起著觀測窗的作用，所以ψ(t)還應(yīng)該滿足一般函數(shù)的約束條件：

(5)

(6)

為了使信號重構(gòu)的實(shí)現(xiàn)在數(shù)值上是穩(wěn)定的，還要求小波ψ(t)的傅立葉變化滿足下面的穩(wěn)定性條件：

(7)

式中0

由此可見小波變換是一種信息保持型的可逆變換，原有的信息保持在小波變換系數(shù)中，通過小波逆變換可恢復(fù)。

3小波變換在海上刑事案件圖像處理中的應(yīng)用

海上犯罪現(xiàn)場遺留痕跡承痕體的自身特點(diǎn)導(dǎo)致海上刑事案件圖像在形成的過程中圖像作為證據(jù)質(zhì)量低下。海上犯罪現(xiàn)場圖像在存儲和傳輸?shù)倪^程中，傳輸介質(zhì)以及存儲設(shè)備自身缺陷也能引起海上刑事案件圖像質(zhì)量一定程度的下降、圖像的模糊，不能清楚顯示犯罪嫌疑人相貌、作案工具、攜帶的物品信息，影響了使其失去作為證據(jù)的功能。對于這些有一定價值的海上刑事案件圖像，結(jié)合海上刑事案件圖像的特點(diǎn)，必須采取一定的變換方法和技術(shù)手段，進(jìn)行降噪、增強(qiáng)等處理，從而挖潛犯罪嫌疑人相關(guān)信息，為偵查破案指明方向與線索，為審判提供證據(jù)。

3.1圖像壓縮

圖像壓縮是在滿足一定質(zhì)量前提的條件下進(jìn)行的，其目的是最大可能地去除圖像數(shù)據(jù)中各種對客戶不必要的冗余信息，保留對用戶有用的信息，用更少的字節(jié)數(shù)有損或無損地來表示原來的圖像數(shù)據(jù)，從而減少原來圖像數(shù)據(jù)的容量，以便于快速傳輸和大量存儲。圖像數(shù)據(jù)能夠被壓縮，客觀方面是因?yàn)閳D像數(shù)據(jù)之間存在較強(qiáng)的相似性和關(guān)聯(lián)性，這些相似性和關(guān)聯(lián)性表現(xiàn)為數(shù)據(jù)的冗余；主觀方面是當(dāng)用戶對原始圖像的數(shù)據(jù)信息不全感興趣時，可以采用特征提取或圖像識別的方法，提取圖像中對用戶有用的信息，丟掉圖像中大量無用的信息，就必須通過圖像壓縮的手段。另外，當(dāng)圖像失真度在用戶的要求范圍內(nèi)時，可以對圖像進(jìn)行必要的壓縮處理。因此，探索高壓縮比的方法且壓縮后的圖像細(xì)節(jié)特征保持完好，在壓縮、傳輸、恢復(fù)的過程中，要求圖像的失真度小，要有合適的信噪比，便于圖像的分類、分析和識別是圖像壓縮的研究方向。

在圖像壓縮方面，小波變換具有一定的優(yōu)勢。利用小波變換對圖像進(jìn)行處理時，根據(jù)實(shí)際要求，用戶可以對所感興趣的圖像區(qū)域采用不同精度的壓縮，達(dá)到局部壓縮的目的，主要基于小波變換在時間域和頻率都具有表征信號局部特征的能力，可以對時頻兩個方向變換系數(shù)進(jìn)行處理。如醫(yī)療圖像，需要對某個局部的細(xì)節(jié)部分有很高的分辨率，單純頻域分析的方法顯然不能達(dá)到這個要求，雖然可以通過對圖像進(jìn)行分塊分解，然后對每塊作用不同的閾值或掩碼來達(dá)到這個要求，但分塊大小相對固定，有失靈活，而小波變換恰好可以做到這一點(diǎn)。以下采用嵌入式零樹小波編碼算法(EmbeddedZero-treeWavelet,EZW)，并在Matlab環(huán)境下對原始圖像進(jìn)行了壓縮仿真試驗(yàn)，圖1是山東威?！?·6海上搶劫殺人案”中受害人船舶照片，由于當(dāng)時技術(shù)人員采用高清晰數(shù)碼相機(jī)拍攝，使其圖像文件較大。圖2采用壓縮后的圖像。比較圖1和圖2可以看出，經(jīng)過EZW編碼算法壓縮后重構(gòu)的圖像，圖像質(zhì)量差別不是很大，壓縮后圖像的細(xì)節(jié)特征與壓縮前相比基本不變，但去掉了無用的冗余信息，降低了圖像的容量，減少了圖像比特數(shù)，便于存儲、傳輸和處理。

圖1　原始圖像

圖2　EZW算法壓縮后的圖像

3.2圖像去噪

圖像在生成、傳輸、存儲和數(shù)字化的過程中，受到成像設(shè)備以及外部環(huán)境的影響，導(dǎo)致圖像中含有噪聲。由于噪聲是一個統(tǒng)計過程，噪聲對一個特定圖像的影響往往是不確定的。在很多情況下，最多可對這個過程的統(tǒng)計特性和頻譜分布有一定的認(rèn)識。利用圖像和噪聲在小波變換域中的不同統(tǒng)計分布特性，即噪聲信號的頻率一般較高，圖像信號頻譜常呈現(xiàn)有限區(qū)間分布的特點(diǎn)，通過各種閾值方法盡可能剔除噪聲分類，保留信號分量，從而達(dá)到去噪的目的。

小波變換方法去除圖像噪聲之所以成功，是因?yàn)樾〔ㄗ儞Q具有以下特征：(1)低熵性。圖像信號經(jīng)過小波變換以后，得到小波變換系數(shù)，小波變換系數(shù)是呈現(xiàn)稀疏分布，使得圖像信號變換后的熵降低。熵越低，系統(tǒng)越有序，越不均勻，從而為去除圖像中的噪聲提供了基礎(chǔ)。(2)多分辨率的特性。由于小波變換具有多分辨率的特性，因此，可以很好地刻畫圖像信號的非平穩(wěn)特征，如邊緣、尖峰、斷點(diǎn)、細(xì)節(jié)等，便于特征的提取和保護(hù)。(3)小波基選擇的多樣性。由于小波變換可以靈活選擇不同的變換基，如單小波、多小波、多帶小波、小波包、平移不變小波等。因此，針對不同的應(yīng)用場合和實(shí)際需要選擇不同的小波函數(shù)，以達(dá)到最佳的處理效果，克服了低通濾波法去噪引起的過平滑現(xiàn)象。

圖3是山東威?！?·6海上搶劫殺人案”中受害人身體一部分照片，由于海上環(huán)境的限制，照片上噪聲很多。圖4是在Matlab環(huán)境下，以小波變換理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行4層分解與重構(gòu)，采用閾值法對圖像進(jìn)行去噪。通過比較圖3和圖4可以看出，利用小波變換理論，選擇適當(dāng)?shù)男〔ɑ瘮?shù)以及閾值大小，能夠較好地去除圖像的噪聲，改善圖像視覺效果，保留圖像中有價值的信息。

圖3　含噪聲圖像

圖4　去噪后圖像

3.3圖像增強(qiáng)

圖像增強(qiáng)是指通過一些列的技術(shù)方法，有選擇性地增強(qiáng)或突出某些對人或機(jī)器分析感興趣的信息，抑制或消除某些對人和機(jī)器分析不感興趣及無用信息的一種圖像處理技術(shù)。圖像增強(qiáng)不是增加信息，只能增大所關(guān)心信息的動態(tài)范圍，使之更加易于觀察和檢測。圖像增強(qiáng)不考慮圖像的退化過程與退化機(jī)制，這一點(diǎn)與圖像復(fù)原不同。對圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，可以改善人眼對原始圖像的視覺效果，使觀察者從中獲取更加清晰、便于理解的信息，以作為進(jìn)一步處理和分析的依據(jù)。在計算機(jī)自動識別技術(shù)中，通過對原始圖像進(jìn)行增強(qiáng)技術(shù)處理，可使原始圖像信息更適合機(jī)器感知、理解和分析，從而提高圖像處理的質(zhì)量。

小波變換具有多分辨率分析能力和去相關(guān)性等特點(diǎn)，使得在小波變換域能很好地實(shí)現(xiàn)信噪分離，在增強(qiáng)圖像的同時抑制噪聲。本文采用Mallat算法對小波進(jìn)行分解和重構(gòu)，使用非線性算子對高頻圖像進(jìn)行增強(qiáng)。在逐漸分解的過程中，提取了高頻分量；在重構(gòu)的過程中，使用了非線性算子對高頻進(jìn)行增強(qiáng)和對噪聲進(jìn)行抑制。在Matlab環(huán)境下，對指紋圖像進(jìn)行仿真試驗(yàn)和增強(qiáng)處理。圖5是在某海上刑事案件現(xiàn)場中的一張海圖上提取到的一枚犯罪嫌疑人指紋，由于當(dāng)時提取時，光線不強(qiáng)等諸多原因，導(dǎo)致提取的指紋圖像質(zhì)量較低。圖6是增強(qiáng)后的圖像。比較圖5和圖6，可以得出，利用小波變換以及Mallat算法，能夠較好地增強(qiáng)指紋圖像的輪廓和細(xì)節(jié)部分，同時抑制局部噪聲，避免了噪聲的干擾，改善了指紋圖像的視覺效果，提高了指紋圖像的識別功能和實(shí)際應(yīng)用價值。

圖5　原始指紋圖像

圖6　增強(qiáng)后的指紋圖像

4結(jié)語

本文介紹了小波變換的基本理論、優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用范圍，結(jié)合海上刑事案件圖像的自身特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了小波變換理論在海上刑事案件圖像處理中的幾點(diǎn)應(yīng)用即圖像壓縮、圖像去噪和圖像增強(qiáng)。在壓縮圖像時，充分利用了小波變換在時域和頻域都具有表征信號局部能力的優(yōu)勢。小波變換通過伸縮和平移對圖像信號進(jìn)行多尺度分析，使圖像信號高頻部分能在時間上得到細(xì)化處理，使圖像信號低頻部分能在頻率上得到細(xì)化處理。在去除圖像噪聲過程中，考慮到小波變換的低熵性、多分辨率的特性以及小波基選擇的多樣性，選擇適當(dāng)?shù)男〔ɑ瘮?shù)以及閾值方法，去除圖像噪聲的同時，較好地保留了圖像的細(xì)節(jié)特征。在圖像增強(qiáng)的過程中，結(jié)合檢材圖像的自身特征，靈活選用算法對小波進(jìn)行分解和重構(gòu)，圖像的輪廓和細(xì)節(jié)特征得到了增強(qiáng)，較好地抑制了噪聲。

總之，小波變換作為圖像處理的一種工具，其作用日趨明顯，廣泛應(yīng)用于各類圖像的處理，如遙感圖像、生物醫(yī)學(xué)圖像、刑事圖像等等。利用小波變換處理海上刑事圖像時，要結(jié)合刑事圖像的處理要求，選擇最佳的小波基，構(gòu)造出最合適的小波函數(shù)，以提取、增強(qiáng)對刑事工作有益的犯罪嫌疑人圖像信息，為偵查海上刑事破案指明方向、縮小偵查范圍以及提供訴訟證據(jù)。另外，小波變換也能處理模糊視頻圖像，如對模糊車牌號的清晰化處理。對于處理模糊視頻圖像這類問題，關(guān)鍵點(diǎn)在于選擇合適的關(guān)鍵幀。當(dāng)然，通過小波變換只是處理海上刑事案件圖像的一種手段，在實(shí)際偵查辦案的過程中，研究發(fā)生在

海上的與犯罪有關(guān)的人、物、時、空等各個要素的時候，要充分考慮犯罪各個要素與海上的關(guān)系，這是破獲海上刑事案件的出發(fā)點(diǎn)。同時要充分利用其他的刑事偵查方法和刑事技術(shù)手段，如現(xiàn)場模擬實(shí)驗(yàn)、模擬畫像技術(shù)、人像組合方法、調(diào)查走訪，實(shí)現(xiàn)“由圖到人”、“由圖到物”、“由圖到工具”，綜合分析、相互驗(yàn)證，提取和挖掘海上刑事案件中的有關(guān)信息。

參考文獻(xiàn)

[1]劉丹.公安刑事圖像處理技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2010.

[2]代雪晶,王志群.刑事影像技術(shù)[M].北京:中國人民公安大學(xué)出版社,2011.

[3]高志,余嘯海.Matlab小波分析與應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007.

[4]張輝.海上犯罪現(xiàn)場勘查問題研究[J].武警學(xué)院學(xué)報,2012(9).

[5]張保平.海上犯罪的特點(diǎn)與治安防控體系的構(gòu)建[J].中國人民公安大學(xué)學(xué)報,2003(6).

[6]童冬生,王圣江.海上犯罪現(xiàn)場照相取證研究[J].凈月學(xué)刊,2014(5).

[7]陳平平,譚定英,劉秀峰.一種改進(jìn)的小波變換圖像壓縮方法[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2012,48(14).

[8]王蓓,張根耀,李智,王靜.基于新閾值函數(shù)的小波閾值去噪算法[J].計算機(jī)應(yīng)用,2014,34(5).

[9]黃玉昌,侯德文.基于改進(jìn)小波閾值函數(shù)的指紋圖像去噪[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2012,50(6).

[10]佟喜峰.低質(zhì)量指紋圖像處理與特征匹配技術(shù)研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2008.

[11]蹇木偉.小波及視覺感知紋理特征在基于內(nèi)容的圖像檢索中的研究[D].青島,中國海洋大學(xué),2008.

[12]SHAMPIRO J M.Embeded imge coding using zerotree of wavelet cofficient[J].IEEE Transcations on Singal Processing,1993,41(12):3445-3462.

[13]HE Y,TIAN J, LUO X, et al.Image enhancement and minutiae matching in finger-print verification[J].Pattern Recognition Letters, 2003,24(9):1349-1365.

(責(zé)任編輯陳小明)

基金項(xiàng)目2014年公安部技術(shù)研究計劃“基于小波變換的監(jiān)控模糊圖像處理技術(shù)及其在偵查中的應(yīng)用研究”(2014JSYJB004)階段性研究成果。

作者簡介童冬生(1978—)，男，安徽無為縣人，講師。研究方向?yàn)楣残淌聢D像技術(shù)教學(xué)與研究。

中圖分類號D918.2