第七章 人像重建
视频中人像获取对侦查活动无疑有着很重要的意义，但由于安装监控的目的和要求各异，记录的效果各不相同，视频监控所取得图像质量往往不够理想，存在模糊、高噪声、分辨率低、图像变形失真、噪点高等缺陷，多数情况下重点人形象定格放大后往往模糊不清，同时受拍摄角度和镜头变焦范围等因素影响，摄录下来的人像角度不一，有时会伴随不同情况和程度的变形。因此多数情况下摄录下来的人像资料仅能够反映出人脸部大体形状和结构特征，细部特征反映不清楚，达不到直接辨认的要求。如何采用各种技术手段对获取的影像资料中的人像进行处理和重建，已成为一个新的研究方向和应用领域。
第一节 人像重建理论
一、人像重建概念
人像就是对人的长相的一个描述，是对一个人整体的一种平面或立体描述 ，大部分采用光影结合成相，有时也是对人肢体全身样子的描述。相貌，是人的五官特征、面色、神态的总称。是人面部具有的肤色、形态、比例的特殊性，是区别于他人的个性特征。人像与相貌是有联系也有所区别。
人像重建是解决计算机技术目前无法对低分辨率的模糊人像处理的问题。许多软件公司正在积极开发模糊人像的处理软件，目前已有的模糊图象处理软件，仅能处理分辨率高的模糊人像。对低分辨率的模糊人像，目前的计算机技术来说无法从根本上解决问题。对于视频图象来说，单纯的增强处理不仅不会使人像图像清晰，反而会使其更加不利于识别。
人像重建是以目标人像为原型，利用相貌特征的相似性和再认识能力的相对准确性，对人像的特征进行分析，综合运用素描及相貌合成原理，实现人像的重新构建。图7-1是人像重建的例子。
图7-1 人像重建例子
二、人像重建的渊源
传统的人像重建方法一般是手绘模拟画像，是介于科学和艺术之间的一种专业技术手段。其作为刑侦技术手段，最早可以追溯到春秋时期。画像捉拿逃犯有记载的是在唐宋时期，官府在缉拿罪犯时开始利用体貌特征。当时遇有逃犯，官府便开具“海捕文书”，上面除写有逃犯的姓名、年龄、籍贯和体貌特征外，往往还配有逃犯的画像，即“画影图形”以便官民辨识和缉拿。这种通缉和辨认方法一直沿用至今。模拟画像不仅出现在中国，国外历史上也有过相似的记载。利用模拟画像侦破案件被纳入科学体系则是从19世纪80年代巴黎人类学研究会的主席路易斯-阿道尔-伯尔蒂龙开始的。伯尔蒂龙开创了“头像描述法”：通过书面形式记录罪犯的相貌特征，然后将其头像描绘出来，供张榜通缉使用。
二十世纪40年代中期在国际上通用的方法是“人像组合法”，其原理就是把一定数量、不同种类的相貌特征，通过不同的排列组合制作出模拟画像。当时的“拼图库”是一个旅行箱大小的“人像组合箱”，里面装满了代表不同类型的五官塑料片，采用幻灯式的方式拼图、制作。60年代初西德已有了半自动人像组合仪，并开始为侦破工作服务。70年代后由于相貌学在刑事侦察上的广泛应用，世界各国先后推出了人像组合仪，电子成像器等系统。80年代初“人像组合法”在我国出现。
随着现代科学技术的发展，计算机技术广泛普及，也给人像重建带来了新的发展，各类人像重建软件应运而生。人像重建不再仅仅依托一流画师的绘画功底，刑事技术人员开始依托计算机的强大功能进行了重建人像的各种研究与探讨。与此同时，重建人像专业性的减弱，也使得本来仅有少数画像专家能掌握的人像重建技术，开始在各级基层侦查人员中使用。
三、人像重建依据
（一）人的面部特征是由颅骨决定
颅骨共有23块组成，其中脑颅8块，构成颅腔。面颅15块，构成面部支架。另外有3对听小骨位于颞骨内。脑颅位后上方，略呈卵圆形，内为颅腔，容纳脑。面位于前下方，形成面部的基本轮廓，并参与构成眼眶、鼻腔和口腔。人的颅骨结构决定了人的相貌。图7-2所示，由于长期进化，不同人种的产生是由于人类对不同环境的长期适应而形成的不相同的体质和外貌。
白种人 黑种人 黄种人
图7-2 不同环境的长期适应而形成的不相同的体质和外貌
（二）人脸五官比例和解剖结构基本一致
人的相貌主要是由五官、脸型和发型等组成，在同一地域中同一物种所具有的共同性质的一种反映，表现为人的面部特征具有基本的比例和基本的结构，体现了人类面部特征的基本规律，这是我们认识了解相貌特征的出发点。根据美学的理论，人的脸部有一定的相互比例的关系，我们称之为三庭五眼。
虽然人脸五官比例和解剖结构基本一致，但是又由基因遗传、环境、生理和病理等多方面因素形成的区别于他人的特征，脸部轮廓的差异和五官的不同形态的组合就构成了“千人千面”的人脸不同的特征。
（三）在脸形不变的情况下，用与相似形态的五官重新组合，仍能保持部分相貌总体特征
替换眼睛 替换眼、鼻、口 替换五官 替换眼睛 替换眼、鼻、口 替换五官
图7-3 互换面部部件示意
如图7-3所示，用面部轮廓相似的两个人，互换眼睛、眼、鼻、口甚至五官，仍然对识别影像不大。当辨认人在识别重建人像的照片时受单个面部器官的影响程度相当小，并且不同单个器官的替换对于识别被辨认人照片的影响程度是有所差别的，单个面部器官的识别率是按照鼻子、嘴、眼眉、眼睛、面部轮廓依次降低的；在替换了两个面部器官的重建人像的识别实验中，虽然辨认人的识别程度有所下降，但是替换人像面部器官中的两个的任意组合不会对辨认人的识别能力有根本性影响。因此，用清晰的人像五官替换模糊人像五官，对普通群众识别能提高帮助。
第二节 模拟重建方法
所谓模拟重建是通过模拟画像、模拟画像与计算机处理的相结合，在原有相貌基础上重新勾画人像面貌的方法。模拟重建使模拟画像技术的应用领域得到了新的扩展。
模拟重建有一丁点要求，视频图象应具有在播放时能够显示出一定的细节和相貌的总体特征。一般是正面光或斜侧光照明下的人物，逆光时应具有足够的亮度，使制作人员应能够从中获得特征的感性认识。采集的单帧图象应能够体现出轮廓及五官的位置隐约的特征。没有强烈的变形，应是中等焦距或长焦距录下的镜头
模拟重建的人像在相貌特征上存在一定程度上的失真。
一、手工模拟画像法重建
运用绘画技巧，根据对模糊人像的观察、感知、想象，在纸面上描绘出人物的相貌，使其达到可以辨认程度的技术。该方法要求技术人员具备较高的素描技巧和写实能力，熟知人像头部的解和透视规律，能够自如地描绘出看到和想象到的人像。画像效果根据技术人员的技术特点和造型能力甚至画像时的心情、状态而定。
模拟画像法在实际应用中也有两种不同做法：
一种是想象描绘法。观察、分析视频人像和采集的单帧人像，根据理解、认识、造型规律想象出正面特征，并按照正面人像角度画出模拟画像，如图7-4所示。
另一种是对临法。观察、分析采集的单帧人像图像，采用临摹的方式，按照图像中的人像偏转及仰俯角度、光线特点、形象特点进行描绘，按照造型规律和想象对看不清的部分进行重新构建。
图7-4 手工模拟画像法重建例子
二、人像组合法重建
根据对模糊人像的观察、感知、想象和特征判断，利用相貌组件，合成犯罪嫌疑人模拟像的技术方法。要求技术人员对人像库中的人像有深刻的认识，最好能够在对模糊人像特征判断的同时迅速在头脑中与人像库中特征相对照，找到相应的整体人像或人像组件运用计算机合成犯罪嫌疑人头像。该技术的优点是画面效果照片化，容易掌握，缺点是相似度不如画像法高，如图7-5所示。
图7-5人像组合法重建例子
三、计算机修像法重建
利用Photoshop等图像编辑软件，调整图像的反差和对比，并运用修复画笔、仿制印章、锐化、模糊、涂抹等工具，复制、修复图像，增加黑、白、灰层次，强化人像的主要特征。图5-6是计算机修像法重建例子。
图7-6 计算机修像法重建例子
四、利用数位板模拟重建
依托计算机、图像处理、绘图软件和数位板先进的电子输入设备，运用模拟画像技术重新构建人物图像的方法。与前面提到的模拟画像法不同，它不是完全依靠绘画技能重新在纸面上构建人像，而是在经过图像处理后的人物图像上直接 “描摹”。由于依托了计算机和图像处理、绘图软件，可以自由修改而不破坏原始画面。又由于依托了数位板这种输入设备。可以像在纸面上一样挥洒自如地画“素描”，电子模拟画像法的另一个优点是方便画像与图像处理技术交叉使用 ，如图7-7所示。
图7-7 利用数位板模拟重建例子
五、画像与组合结合重建
由于画像与组合结合重建是在模拟画像法的基础上进行相貌合成，与操作步骤、方法与数位板模拟画像法基本相同只不过增加一个环节。
重建时，要分析人像特征和比例关系，在人像特征库中选取各特征的相似人像照片，对被选取的人像特征利用Photoshop软件中的“矩形选框工具”抽取相应特征，根据对人像的认知与基本的解剖学和造型理论，粘贴到待处理的人像图像中，利用“自由变换”等工具修正选取特征的角度与形态变化，适当调整特征的位置、大小。
第三节 软件重建方法
近几年刚刚兴起，国外研究居多，国内较少，基本都是处理正面图像，非正面的研究很少，而实际中非正面图像居多，人像重建对于算法和人像库的依赖性均很强，需要针对特定人群做库的加工，才能发挥算法最佳性能。加工本身非常耗费人力物力，所以一般研究均采用公用数据库，很少开展个性化研究。
国内北京多维视通技术有限公司开发的警视通影像分析系统就有人像重建功能，可对视频监控获得，以及受压缩技术、图像像素、图像质量、采光、运动等因素影像的无法辨认或辨认困难的低分辨模糊人像，通过计算机的自动运算，适应各种人像姿态，表情，光线等变化，快速进行模糊人像的复原，得到清晰的高分辨率人脸图像，最大限度地获取对案件有价值的信息。图7-9是警视通影像分析系统在办案服务中的视频模糊人像重建效果图例子。
一、正面人像重建
运用“警视通”进行正面人像重建操作步骤如下：
第一步，打开需要进行人像重建的模糊图像，选择“特殊处理”→ “人像”→“单张含姿态重建”。
第二步，通过“选择库文件”选择脸型及特征点个数。如图7-10。
第
二、含姿态人像重建
含姿态人像重建操作步骤如下：
第一步，打开需要进行人像重建的模糊图像，选择“特殊处理”→ “人像”→“单张含姿态重建”。
第二步，原始图特征点定位。
第三步，装载模型。
第四步，选择和原始图相似的脸型，调节参数使模型姿态与原始图一致。
第五步，进行姿态运算。
第六步，开始超分辨。
第七步，进行单张人像重建，输出重建结果。
特征点定位、装载模型、重建结果见图7-12,7-13。
图7-12特征点定位、装载模型示意