Возможности применения программного обеспечения «MATLAB» для судебно-экспертного исследования видеоизображений

Аннотация

Работа посвящена исследованию возможностей по автоматизации операций программного обеспечения «MATLAB» при производстве судебной видеотехнической экспертизы. В работе описываются возможности «Computer Vision System Toolbox» и «Image Processing Toolbox» – специальных наборов инструментов среды «MATLAB», предназначенных для решения задач обработки и анализа статических и динамических изображений.

Как правило, в ходе судебной видео-технической экспертизы анализ видеоизображений осуществляется при помощи специализированного программного обеспечения — в частности, графических редакторов. Однако зачастую графические редакторы обладают ограниченным количеством функций и не могут быть настроены для анализа конкретного видеоизображения в зависимости от его характеристик. В свою очередь, среда «MATLAB» отличается точностью настроек параметров обработки и может быть использована для целей судебно-экспертного исследования.
При производстве видеотехнической экспертизы могут исследоваться как динамическое изображение (сама видеограмма), так и статическое (отдельный кадр видеограммы). На сегодняшний день изображения обрабатываются и анализируются различными программными средствами: такими, например, как «Amped five», «Adobe Photoshop» и другие.

В качестве изучаемого программного комплекса, применяемого для исследования видеоизображений, «MATLAB» был выбран не случайно. Данный пакет прикладных программ обладает широким спектром возможностей и не уступает другим программным продуктам, используемым экспертами при анализе видеоизображений. «MATLAB» создан для решения задач технических вычислений и использует одноимённый язык программирования.
Являясь высокоуровневым математическим языком программирования, «MATLAB» с легкостью может быть адаптирован под нужды эксперта — его главной особенностью являются широкие возможности по работе с матрицами, в виде которых может быть представлен графический файл. В расширениях «MATLAB» имеются встроенные алгоритмы для обработки сигналов и связи, а также обработки изображений и видеоданных.
Помимо содержащего вычислительные алгоритмы общего назначения ядра, пакет «MATLAB» содержит специальные наборы инструментов (англ. toolbox), расширяющие его функциональность. Каждый набор инструментов представляет собой библиотеку специализированных подпрограмм, предназначенных для решения определённого класса задач. При этом все наборы инструментов поделены на категории по сферам применения: например, наборы для графического моделирования или для разработки приложений, для финансовых вычислений или обработки сигналов и связи.

Для обработки видео и изображений существует четыре набора инструментов:
Computer Vision System Toolbox – алгоритмы и инструменты для разработки и моделирования систем компьютерного зрения и обработки видео.
Image Acquisition Toolbox – пакет расширения для захвата изображений и видео с внешних устройств и передачи напрямую в «MATLAB».
Image Processing Toolbox – полный набор типовых эталонных алгоритмов для обработки и анализа изображений, в том числе функций фильтрации, частотного анализа, улучшения изображений, морфологического анализа и распознавания.
Mapping Toolbox — набор инструментов для построения карт, обработки и визуализации картографических данных.

Следует отметить, что из вышеперечисленных наборов инструментов для решения задач видеотехническойэкспертизы могут быть применены «Computer Vision System Toolbox» и «Image Processing Toolbox». Именно эти два пакета расширений содержат необходимые алгоритмы и инструменты, с помощью которых эксперт может обрабатывать и анализировать как статические, так и динамические изображения.

«Computer Vision System Toolbox» включает алгоритмы и инструменты для моделирования и разработки систем компьютерного зрения и обработки видеоизображений. К возможностям данного пакета можно отнести выявление деталей, детектирование движения, обнаружение и отслеживание объектов, стереозрение, обработку и анализ видео.

Само по себе компьютерное (или техническое) зрение представляет собой теорию и технологию создания машин, к возможностям которых относятся обнаружение, отслеживание и классификация различных объектов. Как научную систему, компьютерное зрение можно отнести к теории и технологии создания искусственных систем, получающих информацию из изображений. В свою очередь, стереозрение является одним из направлений компьютерного зрения — оно позволяет получить представление о глубине изображения и расстоянии до объектов, составив трехмерную картину окружающего мира. Компьютерное зрение основывается на четком представлении о камерах и физическом процессе формирования изображения, получении простых выводов на основе изучения набора отдельных пикселей, умении суммировать информацию, полученную из множества изображений, упорядочении группы пикселей с целью их разделения или получения информации о форме, распознавании объектов с помощью геометрической информации или вероятностных методов [5, с. 24].

Как было сказано выше, функции данного пакета расширений «MATLAB» весьма многообразны. Во-первых, «Computer Vision System Toolbox» предоставляет пользователю возможности по обнаружению и выделению деталей изображения. При этом под деталью (или особенностью) понимается некая «интересная» область изображения, например, угол или линия. После выделения деталей становится возможным получить набор векторов признаков, сравнить их и визуализировать результаты. Применяя методы обнаружения, выделения и сравнения особенностей, можно решать различные задачи компьютерного зрения — задачи регистрации изображений, стереозрения и слежения за объектами.

Задачи регистрации изображений и стереозрения решаются путем применения алгоритмов автоматической оценки геометрических различий между фотографиями или кадрами видео. Примером может служить стабилизация видеоизображения, при которой полностью или частично компенсируется движение одного из объектов в кадре и вследствие большей четкости сюжетно важных деталей улучшается качество изображения. Применяя алгоритмы определения деталей, можно получить и извлечь характерные особенности для каждого из сравниваемых кадров. Далее определяются и отображаются возможные соответствия между ними — результатом этого процесса становится множество точек, представляющих интерес, включая некоторое количество погрешностей, которые затем можно устранить. Завершением данного процесса является геометрическое преобразование для выравнивания изображения.

Во-вторых, «Computer Vision System Toolbox» может быть использован для обнаружения объектов, оценки их движения и отслеживание перемещений. Обнаружение объекта представляет собой его идентификацию на изображении; оно может быть реализовано при помощи различных методов — методов поиска по шаблонам, анализа блоком или при помощи алгоритма Виолы-Джонса. При поиске по шаблонам применяются маленькие изображения или шаблон для поиска участков соответствия на большом изображении. Для анализа блоков характерна сегментация и определение свойств блока для идентификации представляющих интерес объектов. Метод Виолы-Джонса предназначен для идентификации интересующих объектов; с его помощью можно распознавать различные классы изображений, однако основной задачей при его создании было обнаружение лиц. Примечательно, что данный алгоритм характеризуется высокой точностью распознавания лиц и низким количеством ложных срабатываний.

Оценка движения объекта — это процесс определения перемещения блоков между соседними кадрами. При этом создаются векторы движения, относящиеся ко всему изображению, блокам, произвольным областям или конкретным пикселям. Для отслеживания перемещений объекта применяют специальные алгоритмы, с помощью которых можно отследить траекторию движения как отдельных, так и множественных объектов.

В-третьих, «Computer Vision System Toolbox» включает различные инструменты по обработке видео. Данный пакет работает с большинством распространенных форматов файлов мультимедиа (в том числе AVI, MPEG иWMV), предоставляя широкие возможности просмотра видеозаписи. Например, одновременно можно просматривать исходное видеоизображение и изображение с выделенными на нем участками слежения. Можно обрабатывать видеоизображения при помощи таких алгоритмов, как деинтерлейсинг (процесс создания одного кадра из двух полукадров чересстрочного формата) и передискретизация (изменение объема данных изображения при изменении его размеров в пикселях или разрешения). Кроме этого, результаты обработки видео можно отображать с наложениями текста или графики — это позволит облегчить отладку работы системы и улучшить визуальное восприятие полученной информации. Например, при обнаружении и выделении деталей изображения можно пометить их специальными маркерами, а после отслеживания перемещений объекта — графически отобразить траекторию его движения.
«Image Processing Toolbox» представляет собой один из пакетов расширений «MATLAB», содержащий полный набор типовых эталонных алгоритмов для обработки и анализа изображений. К ним относятся такие функции, как фильтрация, частотный анализ, улучшение изображений, морфологический анализ и распознавание. Данное расширение «MATLAB» предоставляет пользователю широкие возможности для обработки и анализа графических изображений, так как обладает чрезвычайно гибким интерфейсом. Кроме этого, такая особенность «MATLAB», как матрично-векторное описание, делает пакет крайне удачно приспособленным для решения практических задач по представлению и исследованию графики.

«Image Processing Toolbox» может работать с изображениями, полученными с различных устройств — от микроскопов и телескопов до цифровых камер и спутниковых и авиационных бортовых датчиков. Эксперт может визуализировать, анализировать и обрабатывать данные изображения в виде различных типов данных, включая числа с плавающей точкой с двойной и одинарной точностью, 8-, 16-, и 32-битные целые.
«Image Processing Toolbox» даёт возможность максимально точно настраивать отображение графического файла. Можно представить несколько изображений в одном окне, добавить комментарии, а также построить гистограммы, профили, контурные графики. Кроме этого, в «Image Processing Toolbox» имеется инструментарий по отображению видео и серий кадров для покадрового просмотра видео.

В дополнение к функциям отображения, «Image Processing Toolbox» имеет интерактивный модуль для анализа изображений. С его помощью можно получить информацию об изображении, применить инструменты увеличения и смещения по изображению, а также подробно рассмотреть определённую область пикселей. Эксперт может интерактивно выбирать и изменять область интереса, при этом форма данной области может быть любой — как точки, линии и геометрические фигуры, так и объекты произвольной формы.
Также имеется возможность интерактивно обрезать изображение, настраивать его контрастность, измерять расстояния. Этот модуль доступен в составе Image Tool или в виде отдельных функций, которые могут быть использованы для создания пользовательских интерфейсов.

С помощью программных средств эксперт может применять следующие методы по улучшению качества видеоизображений: усиление резкости, изменение перспективы, увеличение размеров исследуемого изображения, кадрирование, удаление шумов, коррекцию искажений и преобразование всенаправленных камер в панорамы.

Из результатов анализа источников следует, что при судебно-экспертном исследовании изображений среда «MATLAB» широко не применяется. Возможно, это связано с тем, что, в отличие от специализированных программ для работы с графикой (например, «Adobe Photoshop»), для применения данного программного продукта необходимы минимальные знания языка «MATLAB». Однако наличие у эксперта подобных знаний предоставляет гораздо больше возможностей для производства экспертизы. Например, при использовании обычных графических редакторов эксперт может использовать лишь тот функционал, который был изначально заложен разработчиком; при применении же средств «MATLAB» возможности эксперта практически безграничны, поскольку он может адаптировать функционал данного продукта под частные экспертные задачи. Кроме этого, написание скриптов для решения типовых экспертных задач и дальнейшее их использование может стать существенной возможностью частичной автоматизации экспертной деятельности.

Библиографический список
Bouridane A. Imaging for forensics and security. New York: Springer Science+Business Media, 2009.
Блохин А.С., Зотов А. М., Каганов А. Ш., Назин Л. Ф. Концептуальные основы криминалистической экспертизы видеозаписей (теория, практика, методология исследования): монография. / Под общ. ред.А. Ш. Каганова. М.: Юрлитинформ, 2011. 200 c.
Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2005. 1072 с.
Нехорошев А.Б., Шухнин М. Н., Юрин И. Ю., Яковлев А. Н. Практические основы компьютерно-технической экспертизы: учебно-методическое пособие. Саратов: Научная книга, 2007. 266 с.
Форсайт Д.А., Понс Ж. Компьютерное зрение: современный подход.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. 928 с.

Опубликовано: Электронный научно-практический журнал «Современные научные исследования и инновации». 2018. № 1.
URL: web.snauka.ru/issues/2018/01/85 460