疑難案件中視頻超分辨率成像方法研究

楊 鈞，王 謙，劉維勇，王 威

（遼寧省公安廳 刑事技術(shù)總隊,遼寧 沈陽 110032）

在某些重大疑難案件視頻偵查過程中，視頻中的犯罪嫌疑人圖像有一些細(xì)節(jié)，但是不夠清晰，要進(jìn)行下一步偵查，以往這時候通常需要進(jìn)行人工模擬畫像。人工模擬畫像一般是由一些有經(jīng)驗的畫像人員來到案發(fā)地，先實地進(jìn)行現(xiàn)場觀察周圍人，總結(jié)同一地人物的樣貎特點，結(jié)合視頻中的人物模糊細(xì)節(jié)、輪廓，進(jìn)行模擬畫像，將這些細(xì)節(jié)畫到素描畫像上。最終畫像結(jié)合了同一地區(qū)人物的相貎特征和視頻中的人物特點，模擬畫像結(jié)果受人工干預(yù)較多。

模擬畫像最早是以手寫素描畫的形式存在，應(yīng)古代刑偵部門所需為逮捕罪犯工作提供便利性。早期技術(shù)受限，多由負(fù)責(zé)專門工作的畫師將罪犯容貌畫下來，以為行政工作提供參考。楚平王追捕伍子胥[1]、官府以賞銀的方式懸賞要犯，西方的賞金獵人，都是早期模擬畫像在現(xiàn)實生活中的實際運用。早期模擬畫像與本人相差太大，很難用于偵查工作中。

電子信息技術(shù)發(fā)展的今天，模擬畫像的生成有了更為多元可靠的方式，不再單純依賴手寫畫像，而是通過電腦繪圖軟件和數(shù)據(jù)庫信息搜索來完成。在此過程中，面對缺乏罪犯照片和其他基本信息的困境，公安部門首先搜集與罪犯有關(guān)的資料，尋找目擊者或同黨，憑借他人描述以電子軟件將罪犯的輪廓繪制出來，以此方便追捕工作的進(jìn)行。模擬畫像技術(shù)的發(fā)展為解決搶劫、綁架等疑難刑事案件提供了極大的便利性。

一、模擬畫像手段種類及優(yōu)缺點

目前的模擬畫像手段有三種：

一是傳統(tǒng)手繪畫像。手繪素描的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練被認(rèn)為是一切藝術(shù)門類的基礎(chǔ)，也是學(xué)生在學(xué)習(xí)造型藝術(shù)中首先遇到的難題。解決好素描問題，對以后的學(xué)習(xí)和創(chuàng)作至關(guān)重要。素描成績的優(yōu)劣也關(guān)系到將來能否學(xué)習(xí)畫像。手繪形式在電子技術(shù)不發(fā)達(dá)的古代社會，是模擬畫像運用的主要形式，而在現(xiàn)代社會，隨著繪圖軟件的出現(xiàn)，手繪形式逐漸消亡，實用性下降，僅為少數(shù)專家所熟練掌握運用，已不具有普適性的現(xiàn)實意義。

二是人像組合畫像[2]。依據(jù)受害人或目睹人所述人物面貌特征，選擇相似部位，用幻燈放映出來，按面孔特征一部分一部分地拼接，逐步形成某特定人面貌的圖像。依目睹人的意見，不斷加工修改，使各部位特征盡量接近真實，然后將組合圖像翻拍成照片，供偵緝時參考。此法易為目睹者辨認(rèn)，某特征不符，易于修改，比畫像快。也可采用人體頭部器官的立體模型進(jìn)行組合，與相片組合的原理相同?，F(xiàn)代使用電子計算機(jī)進(jìn)行人像圖像組合，速度更快，細(xì)節(jié)特征更逼真[3]。此繪畫方式較手繪方式而言具有一定的便利性，是現(xiàn)代社會發(fā)展的產(chǎn)物，對于繪畫者也沒有較高的技術(shù)要求，易于入門上手，但在技術(shù)方面仍較為冗雜，需要耗費大量時間，且容易受到目擊者主觀印象的影響，同時容易走向大眾臉的固化模式，無法為相關(guān)工作提供客觀有效的參考。

三是電腦模擬畫像。此形式是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，人們的辦公需要催生了photoshop 等繪畫軟件，但此類軟件針對專門性的工作而生，適用范圍較廣，并沒有專門的人像繪制模式，且需要專門學(xué)習(xí)相關(guān)技巧。這使得繪制者在繪制過程中需要根據(jù)不同人像的特點做出調(diào)整。相較于人像組合畫像模式，雖然增強了準(zhǔn)確性和可靠性，但繪制過程手續(xù)冗雜、耗費時間長的特點仍未得到有效克服。于是，在此基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了更具針對性和專業(yè)性的電腦模擬畫像系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)繪畫軟件，此種方式更為簡單直接，繪制出的人像更為清晰，與客觀描述情況更為貼切。各國警方在認(rèn)識到此種繪制方式優(yōu)越性后，紛紛將其應(yīng)用到疑難刑事案件偵破過程中，為案件偵破提供了極大的便利性。此繪制方式，克服了繪圖軟件重新作圖的局限性，而是建立起有關(guān)人臉器官的龐大數(shù)據(jù)庫，不同的五官、發(fā)型、皮膚特征都可直接從數(shù)據(jù)庫中取用，根據(jù)目擊者的描述情況不斷調(diào)整，在不同臉型的對比過程中發(fā)現(xiàn)最為貼切的模擬畫像，從而為確定犯罪嫌疑人身份提供保障，方便后續(xù)追捕工作的順利開展。

以上的模擬畫像方法有一個共同之處，就是由模擬畫像人的經(jīng)驗和水平在頭腦中對犯罪嫌疑人的形象進(jìn)行再加工，然后通過模擬畫像表現(xiàn)出來，模擬畫像結(jié)果受模擬畫像人主觀人工干預(yù)影響。模擬畫像的制作不僅僅需要刑偵部門的參與，同時也需要目睹人的積極配合。在繪制過程中，模擬畫像的生成大部分基于目睹人的描述，目睹人的主觀印象對模擬畫像與真實人臉的偏離程度有直接影響。倘若目睹人作假供，或者因自身能力限制描述錯誤，無法有效描繪人臉的真實形象，則會對后續(xù)的刑偵工作造成阻礙，直接影響刑偵人員的追蹤方向和問題判斷，使得模擬畫像在不提供現(xiàn)實參考的同時，還會產(chǎn)生消極影響[4]。人臉模擬畫像并非現(xiàn)代社會興起的新技術(shù)，而是自古代社會形成，隨著時代更迭而不斷發(fā)展革新形成的實用性技術(shù)。模擬畫像的實用性使得刑偵部門紛紛加強電子技術(shù)的重視程度，積極引入先進(jìn)的模擬畫像繪制軟件，并推動該項技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，發(fā)揮軟件技術(shù)與刑事案件偵破相輔相成的作用，產(chǎn)生雙向的積極影響[5]。

二、視頻超分辨率成像方法的原理及所使用的軟件

當(dāng)前，在視頻偵查工作中，有犯罪嫌疑人物視頻，而犯罪嫌疑人物視頻圖像又不夠清晰，這時候迫切需要一種不受人工干預(yù)，又易于掌握的畫像方法?！耙曨l超分辨率成像”方法正好滿足了當(dāng)前的這種需要。視頻超分辨率成像的原理簡圖如圖1 所示。

圖1 視頻超分辨率成像原理圖

圖中1、2、3 是相鄰的三幀視頻畫面，每一幀畫面內(nèi)面部特征都不完整，通過軟件運算面部特征的變化，以臉型為標(biāo)準(zhǔn)匹配面部特征，結(jié)果合成一個臉部的完整畫面。

現(xiàn)在專業(yè)的視頻圖像處理軟件都可以滿足視頻超分辨率成像的要求，有中國的多維視通，美國的識慧，荷蘭的影博士等，這些軟件算法上有所不同，但是圖像處理原理基本一致。

三、疑難案件視頻偵查過程中視頻超分辨率成像方法

視頻超分辨率成像是利用時間帶寬的多幀率優(yōu)勢，對空間中的各類元素進(jìn)行動態(tài)捕捉，以犧牲時間帶寬的方式獲取更多的空間分辨率，實現(xiàn)時間與空間技術(shù)的雙向互補和有益轉(zhuǎn)化。當(dāng)視頻中具有不同細(xì)節(jié)的多幀圖像使用專業(yè)軟件配準(zhǔn)后，再經(jīng)過平均幀，多幀圖像的不同細(xì)節(jié)完美組合到原有位置，分辨率和信息密度因此提高，畫像的真實性和清晰度因此得到增強，從而實現(xiàn)視頻超分辨率成像。

視頻圖像分辨率的高低直接關(guān)系到生成圖像的畫質(zhì)清晰度。分辨率越高，畫像中的元素密度越大，對于空間細(xì)節(jié)的暴露能力越強，顯示器中的像素自然隨之增多，由此使得關(guān)鍵信息顯露出來。

帶寬與信號有關(guān)，關(guān)系到電子信息傳輸和通信功能，影響到信號段能夠有效通過的最大頻帶寬度。帶寬的這一定義與信號處理、無線通信、調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)字通信和電子領(lǐng)域形成對比。在這些領(lǐng)域中，帶寬用于指以赫茲為單位測量的模擬信號帶寬，也就是在滿足明確定義的信號功率損耗水平時，可達(dá)到的最低和最高頻率之間的頻率范圍。例如模擬語音電話的信號帶寬為3100 Hz（從300 Hz 到3400 Hz），一個PAL-D電視頻道的帶寬為8 MHz（含保護(hù)帶寬）。

模擬畫像層次，更多關(guān)注于時間帶寬，時間帶寬越高，空間層的細(xì)節(jié)元素生成量越大，便會產(chǎn)生更多的多幀圖像序列，使得關(guān)鍵像素得以包含其中，增強數(shù)據(jù)獲取總量和真實性、可靠性。

圖像配準(zhǔn)，是在圖像繪制層面的多元素疊加過程中，根據(jù)工作需要，篩選不同時間維度中的各類圖像，或根據(jù)不同的環(huán)境、天氣等外部條件，傳感器的差異進(jìn)行圖像對比和分析整合，以此獲取更多的有效信息。圖像配準(zhǔn)在信息獲取和初級加工方面的便利性使得其獲得遙感、圖像處理等行業(yè)的青睞，將此技術(shù)引入各行業(yè)，在豐富技術(shù)層級的同時為日常工作和技術(shù)研究提供了更為廣闊的空間。

超分辨率，是挖掘低分辨率圖像下尚未挖掘的有效信息，主要依靠電子軟件，通過提升低分辨率圖像的畫質(zhì)清晰度，使得圖像得以重新展現(xiàn)，對有效元素進(jìn)行重新整合加工。

平均幀，是將視頻的圖像序列不同幀進(jìn)行相加，由此構(gòu)成一副畫像。平均幀的優(yōu)勢是應(yīng)工作需要，將影片序列中的選定幀特征進(jìn)行集中整合，平均幀是全自動操作，沒有人工干預(yù)。

四、典型案例應(yīng)用

2020 年遼寧某市發(fā)生一起重大疑難刑事案件，王某負(fù)有重大作案嫌疑，案發(fā)后負(fù)罪潛逃。警方出動多警種開始抓捕，并先后2 次發(fā)布協(xié)查通報。協(xié)查通報將懸賞金額從5 萬增加到20 萬。經(jīng)公安機(jī)關(guān)全力追捕，成功將犯罪嫌疑人抓獲。該市協(xié)查通報第一版使用的是視頻截圖原圖，未作視頻超分辨率成像，人物很模糊，特征不清楚，難以識別人像特征。圖2 是經(jīng)過對視頻中犯罪嫌疑人作視頻超分辨率成像的結(jié)果?？梢钥吹?，視頻超分辨率成像的人物細(xì)節(jié)很多，主要特征清楚，可以識別人像特征，查找犯罪嫌疑人。

圖2 視頻超分辨率成像結(jié)果

不同的專業(yè)圖像處理軟件，主要思路是共通的，以圖2 案件為例，其操作流程如下：

1.選取案件中人物活動較多，圖像細(xì)節(jié)較豐富的視頻，在視頻中找到犯罪嫌疑人，用裁剪工具選取視頻需要放大的人物特征范圍進(jìn)行視頻裁剪；2.根據(jù)視頻需要放大的人物特征的特點用放大工具，選擇適當(dāng)?shù)姆糯蠓椒?，用鼠?biāo)滾輪調(diào)整參數(shù)取得最佳視覺效果；3.根據(jù)模糊類型是運動模糊、高斯模糊、散焦模糊、衍射模糊，選用合適濾鏡，用鼠標(biāo)滾輪調(diào)整參數(shù)取得最佳視覺效果；4.根據(jù)視頻需要穩(wěn)定的人物特征的特點選擇自動或手動的穩(wěn)定方法，調(diào)整參數(shù)取得最佳視覺效果；5.對穩(wěn)定后的人物特征平均幀，這一過程是全自動操作，沒有參數(shù)調(diào)整；6.用圖像增強工具對人物圖像進(jìn)行增強操作，調(diào)整參數(shù)取得最佳視覺效果；7.用擦除工具（像皮擦工具）擦除人物周圍不必要的圖像內(nèi)容；8.保存處理后的人物圖像。

通過以上操作步驟看出，視頻超分辨率成像利用人物輪廓配準(zhǔn)圖像，運用專業(yè)圖像處理軟件集合視頻中的人物細(xì)節(jié)，反映到人物圖像的原有部位成像，忠實于原始視頻。不用人工畫入特征，沒有人為的偏差。視頻超分辨率成像方法，具備專業(yè)圖像處理軟件操作技術(shù)，即可快速應(yīng)用，實用、易用。

視頻超分辨率的主要技術(shù)難點是平均幀和圖像配準(zhǔn)。平均幀的過程是全自動操作。目前多維視頻通、識慧和其它專業(yè)圖像處理軟件對平均幀和圖像配準(zhǔn)處理的都非常好，效果十分理想，對視頻超分辨率成像起到了強大的技術(shù)支撐作用，是充分的技術(shù)保障。有了充分的技術(shù)保障，使得視頻超分辨率成像方法可行，易用。

五、結(jié) 語

“視頻超分辨率成像”是一種全新的電子成像手段。這種方法是在現(xiàn)場視頻的基礎(chǔ)上，運用專業(yè)圖像處理軟件，通過視頻超分辨率成像的方法，在圖像精確配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行視頻超分辨率成像，視頻超分辨率成像結(jié)果集合了現(xiàn)場視頻中的所有人物細(xì)節(jié)，忠實于原始視頻，沒有人工干預(yù)視頻圖像特征，而得到比視頻中單幀人物具有更多人物細(xì)節(jié)的清晰人物圖像。疑難案件的視頻超分辨率成像，是一種新興的有效方法，忠實于原始視頻，應(yīng)用前景廣闊。