多源圖像融合技術(shù)及其在公安刑事攝影工作中的應(yīng)用

程 艷，郝新華

(廣東警官學(xué)院 刑事技術(shù)系，廣東 廣州 510232)

1.引言

信息融合，是指對來自多個傳感器的多源信息進行多級別、多方面和多層次的綜合與處理，從而獲得更精準(zhǔn)、更豐富的信息。多源圖像融合則是信息融合范疇內(nèi)主要以圖像為對象的研究領(lǐng)域，它把用同種傳感器在不同成像時間或以不同成像方式獲得的不同圖像，或把對同一目標(biāo)或場景的用不同傳感器獲得的不同圖像，融合為一幅圖像，在這一幅融合圖像中能反映多張原始圖像的多重信息，以達到對目標(biāo)和場景的綜合描述，使之更適合計算機的處理或者視覺感知 。［1］

近年來，隨著傳感器和計算機技能的提高，多源圖像融合技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。多源圖像融合最早是應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，2000年5月，美國的飛行實驗室成功演示了聯(lián)合攻擊機航空電子綜合系統(tǒng)的多源信息融合技術(shù)和功能。該系統(tǒng)可以快速地確定目標(biāo)位置以及對目標(biāo)進行識別，再利用傳感器采集到的信息，經(jīng)過融合處理，使得飛行員可以對威脅目標(biāo)進行及時準(zhǔn)確的定位和識別。［2］在民用方面，多源圖像融合在醫(yī)學(xué)圖像處理、遙感、安檢、機器人、工廠企業(yè)流水線等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。［3］本文在介紹多源圖像融合的概念和方法分類的基礎(chǔ)上，探討其在公安刑事攝影工作中的應(yīng)用。

2.多源圖像融合的分類

人們在對多源圖像融合技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn)，不可能設(shè)計出一套能夠適應(yīng)各種圖像來源的圖像融合算法，因此在實際的應(yīng)用中一般都針對不同的圖像來源開發(fā)出不同的圖像融合算法。根據(jù)圖像來源的不同，可將多源圖像融合大致分為:多傳感器圖像融合、多聚焦圖像融合、時間序列圖像融合以及遙感多源圖像融合。如果是從目標(biāo)識別層或?qū)傩陨戏诸?，多源圖像融合一般分為三個層次:像素級圖像融合、特征級圖像融合和決策級圖像融合。像素級圖像融合是在基礎(chǔ)像素數(shù)據(jù)層面上進行的一種融合，它主要是對多源圖像中的背景和主體等像素信息直接進行計算處理，是屬于最低層次的圖像融合。但是該層次的融合圖像準(zhǔn)確率是最高的，能夠提供其他融合方法所不具有的細節(jié)信息，不過需要處理的信息量也是最大的。特征級圖像融合則是對圖像進行預(yù)處理和特征提取，獲取到圖像的主體信息如區(qū)域、形狀、邊緣和紋理之后，再對這些信息進行綜合與處理。它對信息進行了一定程度的壓縮，減少了信息量，有利于實時的處理。決策級圖像融合是最高層次的融合，主要是基于認知模型的方法，需要大型數(shù)據(jù)庫和專家決策系統(tǒng)來識別和分析。目前在實際中應(yīng)用最廣泛的圖像融合方式是像素級圖像融合。

3.多源圖像融合的處理方法

多源圖像融合的方法主要分為空間域融合和變換域融合兩大類?？臻g域融合是通過融合不同圖像的各個像素及相鄰像素的灰度值來實現(xiàn)，而頻率域融合是對圖像進行傅立葉變換，然后對變換后的頻率域圖像的頻譜進行融合來達到目的。

3.1 空間域圖像融合方法

空間域融合方法有線性加權(quán)法，偽彩色融合法，圖像代數(shù)運算法等。線性加權(quán)法是最簡單的圖像融合方法，它直接對多幅原圖像的對應(yīng)像素灰度值進行加權(quán)疊加。例如利用視頻模糊圖像處理軟件 (如識慧)所進行的多幀圖像去模糊運算［4］就是一種線性加權(quán)法，對同一時間序列內(nèi)的多幀圖像進行線性加權(quán)等處理，達到降低圖像的噪聲、提高痕跡物證圖像信息的目的。線性加權(quán)法計算量小，適合實時處理。但是如果融合的多源圖像的灰度差異太大，反而會出現(xiàn)視覺效果還不如源圖像。偽彩色融合法主要針對的對象是同一景物的多光譜圖像，對于多光譜的遙感圖像，按照加色法的原理，對其中某三個波段分別賦予紅、綠、藍三原色，則其他波段得到的圖像可以賦予其他合成的色彩，最終形成一幅能綜合反映各源圖像特征的偽彩色圖像。圖像代數(shù)運算法則是針對數(shù)字圖像進行一系列的代數(shù)運算，如加法運算可將兩幅同樣大小的圖像對應(yīng)像素的灰度值相加，可以有效的減少圖像的加性隨機躁;差值運算則是將兩幅同樣大小的圖像對應(yīng)像素的灰度值相減，可用于將圖像背景消除及進行運動目標(biāo)的檢測與跟蹤。除此之外，還有邏輯濾波器法、數(shù)學(xué)形態(tài)法和模擬退火法等方法。

3.2 頻率域圖像融合方法

頻率域融合方法主要有多分辨率融合法、小波變換法。多分辨融合法是目前較為常用的圖像融合方法。即利用多分辨金字塔 (如拉普拉斯金字塔、高斯金字塔、比率低通金字塔)對原圖像不斷地進行濾波，形成一個塔的形狀。在塔的每層都有一種算法對該層的數(shù)據(jù)進行處理，然后對合成的塔式結(jié)構(gòu)進行融合，得到的合成圖像包含了原圖像的各類重要信息［5］。小波變換法則是首先將空間域圖像通過小波變換分解，得到一系列子圖像，然后選擇合適的濾波器對這一系列子圖像進行頻譜增強，并根據(jù)一定的融合規(guī)則合成圖像，最后通過逆變換重建融合圖像。與空間域圖像融合方法相比，變換域圖像融合法通常具有更為理想的效果。但是其計算量較大，進行實時的處理會比較困難。

4.圖像融合技術(shù)在公安刑事攝影工作中的應(yīng)用

在公安工作中，我們很多時候都會涉及到圖像的探測或通過圖像來做出某種結(jié)論，特別是在刑事技術(shù)的刑事攝影工作中，多源圖像融合技術(shù)在許多方面都可以得到應(yīng)用。

實驗一景深擴展圖像融合在拍攝非平面客體指紋中的應(yīng)用

當(dāng)我們使用微距鏡頭進行痕跡物證攝影時，普通微距鏡頭都有固定的景深，在縱向深度范圍變化較大的情況下 (如非平面客體上的指紋)，難以各個層面都清晰顯示，當(dāng)增大放大倍數(shù)時尤其明顯。不能用一張照片把整個痕跡的所有的特征都清晰地表現(xiàn)出來。如果想要獲取反映痕跡的全面信息，通常要采用不同的對焦點拍攝多張照片。這樣得到的照片使用起來很不方便。我們可利用景深擴展圖像融合技術(shù)對多幅各層面聚焦圖像進行處理，即得到各點各層面均清晰聚焦的整幅圖像。

下面是一個景深擴展圖像融合的例子。圖一(1)和 (2)是對非平面客體上的同一指紋拍攝的兩張照片，其對焦點不同，因此產(chǎn)生不同的景深范圍，指紋的不同局部得到清晰顯示。圖一 (3)則是將前兩張照片經(jīng)過局部清晰圖像獲取和多聚焦圖像融合兩個階段所得到的融合照片?？梢钥闯觯@是一張指紋各部分均清晰聚焦的圖片。

圖一 景深擴展圖像融合

實驗二多角度配光圖像融合在拍攝立體痕跡中的應(yīng)用

在拍攝某些立體痕跡的時候，我們大多數(shù)采用單向側(cè)面打光來拍攝，如果立體痕跡紋線比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的方法是在其他拍攝條件不變的情況下，改變配光的角度，獲得痕跡的不同局部影像效果良好的幾幅圖片，用這幾張照片分別顯示痕跡物證不同部位的細節(jié)特征，互相印證。而現(xiàn)在我們用多源圖像融合技術(shù)可以將幾張照片中痕跡的邊緣信息提取出來綜合到一張照片上。如圖二所示，圖二 (1)、(2)為立體壓痕字跡分別從橫向側(cè)面打光和豎向側(cè)面打光所得到的原始圖像，圖二 (1)、(2)分別都只能顯示壓痕字跡的豎筆畫和橫筆畫，得不到完整的痕跡。圖二 (3)則是將前兩張圖片通過提取邊緣信息并通過圖像融合技術(shù)所獲得的融合圖像。可見 (3)圖在表現(xiàn)立體痕跡方面的效果比 (1)、(2)圖均要好，完整的痕跡得到清晰的展現(xiàn)。

圖二 多角度配光圖像融合

實驗三強反光客體圖像融合在拍攝強反光客體表面指紋中的應(yīng)用

現(xiàn)場勘查中常會遇到一些強反光表面客體(如圓柱形門把手、球形門鎖、透明玻璃等)，如果要拍攝此類客體上的手印痕跡較為麻煩，在打光拍攝的時候，由于強反光客體表面對光線強烈反射，可能會在指紋紋線部位產(chǎn)生反光帶，影響指紋特征的顯現(xiàn)。我們只要采用多角度打光拍攝多張照片，然后將這些具有良好細節(jié)特征的痕跡物證不同局部的圖像通過多源圖像融合技術(shù)融合為一張照片就能解決這些客體上反射光斑對指紋紋線特征的影響［6］。圖三 (1)、(2)為玻璃客體上的同一油脂指紋在不同打光角度下的照片，任一張照片都有部分紋線受到反光帶的影響，且其中一張照片中指紋紋線清晰的部位恰恰能補充另一張照片中指紋紋線受影響的部位，圖三 (3)則是采用多源圖像融合技術(shù)處理后的融合照片。

圖三 強反光客體圖像融合

實驗四多曝光HDR圖像融合在高逆光現(xiàn)場攝影中的應(yīng)用

在現(xiàn)場照片拍攝時常遇到逆光、強光、高反差等難以正常拍攝的光影環(huán)境，例如在室內(nèi)面對窗戶的逆光環(huán)境中，如不使用輔助光源，要想同時正確呈現(xiàn)屋內(nèi)物品的暗部細節(jié)和窗外景物的高光細節(jié)幾乎是不可能的。只能使用不同快門速度拍攝多張照片，分別呈現(xiàn)不同亮度景物的各部分細節(jié)。我們?nèi)缡褂枚嗥毓釮DR圖像融合技術(shù)就可以實現(xiàn)在同一張照片上清晰展現(xiàn)不同亮度景物的所有影調(diào)層次和細節(jié)特征。圖四 (1)、(2)、(3)是針對同一場景使用不同快門拍攝到的照片，分別展示場景中的暗部、中灰部和亮部的細節(jié)，得不到完整清晰的各影調(diào)層次。圖四 (4)則是使用多曝光HDR圖像融合技術(shù)將各個層次的細節(jié)綜合至一張照片上，所有的影調(diào)層次和細節(jié)特征都得到展現(xiàn)。

圖四 多曝光HDR圖像融合

5.討論

由上述的實驗可以看出，通過多源圖像融合技術(shù)可以用單一的畫面提供更加完整和清晰細節(jié)的影像。利用這項技術(shù)可以解決刑事攝影過程中對疑難指紋、復(fù)雜立體痕跡、強反光客體痕跡、高逆光現(xiàn)場照片等的拍攝和處理，還可以在全景照片的拼接和多光譜圖像等其他領(lǐng)域中得到應(yīng)用。但要注意的是，在實際的應(yīng)用中，如果將多幅圖片融合至一張圖片上，還存在一個圖像配準(zhǔn)的問題，例如在拍攝源圖像時存在相機的移動、鏡頭的放大變形、視角的偏移等情況，則源圖像將會存在橫向或者縱向的空間漂移，這將影響最終的融合效果。因此在條件允許的情況下，在進行融合之前可通過圖像處理的方法進行配準(zhǔn)工作來完善圖像融合的效果。

［1］敬忠良，肖剛，李振華.圖像融合——理論與應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［2］周前祥，敬忠良，姜世忠.多源遙感影像信息融合研究現(xiàn)狀與展望 ［J］.宇航學(xué)報，2002，23(5):89－93

［3］王忠華.圖像融合研究綜述 ［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011，(13):11－13.

［4］汪旭峰，王文斌，李忠.利用圖像融合技術(shù)顯現(xiàn)疑難手印 ［J］.刑事技術(shù)，2011，(1):53－54.

［5］王宏，敬忠良，李建勛.多分辨率圖像融合的研究與發(fā)展 ［J］.控制理論與應(yīng)用，2004，21(1):145－151.

［6］郝新華，邱樹玲.信息融合法拍攝強反光客體表面潛在指印 ［J］.警察技術(shù)，2009，(5):29－31.