文/宇視IPC團(tuán)隊(duì)
2013年，“霧霾”成為年度關(guān)鍵詞。這一年的1月，4次重霧霾籠罩30個(gè)省(區(qū)、市)。在北京，僅有5天不是霧霾天。有報(bào)告顯示，中國(guó)最大的500個(gè)城市中，只有不到1%的城市達(dá)到世界衛(wèi)生組織推薦的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，與此同時(shí)，世界上污染最嚴(yán)重的10個(gè)城市有7個(gè)在中國(guó)。
霧霾來(lái)勢(shì)洶洶，一般在城市中尤為嚴(yán)重，對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)，其主要影響有以下幾個(gè)方面：
1. 物體表面的反射光由于大氣粒子的散射而產(chǎn)生衰減，造成物體成像的亮度減弱;
2. 反射光經(jīng)大氣粒子前向散射作用參與其它像素點(diǎn)成像，導(dǎo)致圖像模糊、分辨率下降;
3. 部分大氣粒子的粒徑較大，在成像過(guò)程中成為噪聲;
4. 與成像無(wú)關(guān)的自然光經(jīng)過(guò)大氣粒子的散射，進(jìn)入圖像傳感器參與成像，這種后向散射作用造成圖像飽和度、對(duì)比度降低及色調(diào)偏移。
伴隨著中國(guó)霧霾天氣的日益嚴(yán)峻，不少監(jiān)控?cái)z像機(jī)已經(jīng)失去了其監(jiān)控的作用，霧霾導(dǎo)致攝像機(jī)的監(jiān)控距離、圖像清晰度下降，甚至導(dǎo)致車輛、人物等監(jiān)控主體的關(guān)鍵細(xì)節(jié)信息丟失，一旦發(fā)生事件，將很難獲得有效信息，大大降低了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)用性。
那么視頻監(jiān)控該如何應(yīng)對(duì)霧霾來(lái)襲呢?答案是透霧技術(shù)。顧名思義，透霧技術(shù)就是在霧霾天氣下，依然能夠穿透霧霾干擾，讓攝像機(jī)獲得良好的監(jiān)控效果，不會(huì)影響監(jiān)控距離和圖像清晰度。一般而言，透霧技術(shù)分為電子透霧(亦稱數(shù)字透霧)和光學(xué)透霧(亦稱物理透霧)兩種。
電子透霧是基于人類視覺(jué)感知模型設(shè)計(jì)的后端圖像復(fù)原技術(shù)，通過(guò)ISP算法來(lái)修復(fù)畫面、消除霧感，達(dá)到畫面更通透的視覺(jué)效果;光學(xué)透霧利用近紅外光成像，由于近紅外光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，在傳播時(shí)受大氣粒子干擾較小，能穿透霧霾，從而呈現(xiàn)清晰的圖像細(xì)節(jié)。其實(shí)這兩種透霧技術(shù)并非是應(yīng)對(duì)霧霾天氣而開(kāi)發(fā)的新興技術(shù)，早期在森林、港口、碼頭等區(qū)域，由于經(jīng)常容易起霧，早以通過(guò)透霧技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的清晰監(jiān)控。而隨著霧霾來(lái)襲，透霧技術(shù)漸漸成為高端攝像機(jī)的標(biāo)配技術(shù)，如宇視科技全系列室外應(yīng)用的IPC均支持電子透霧，而最高端的HIC5600系列又在此基礎(chǔ)上全線支持光學(xué)透霧。
那么電子透霧和光學(xué)透霧這兩者之間又有什么區(qū)別，各有什么優(yōu)劣勢(shì)呢?
電子透霧
電子透霧采用的是可見(jiàn)光成像，并通過(guò)ISP算法來(lái)修復(fù)畫面，目前ISP算法主要分為兩大類：圖像增強(qiáng)透霧技術(shù)和圖像復(fù)原透霧技術(shù)。圖像增強(qiáng)透霧技術(shù)不考慮圖像降質(zhì)原因，適用范圍廣，能有效地提高霧天圖像的對(duì)比度，改善圖像的視覺(jué)效果，但會(huì)產(chǎn)生更多的噪聲，甚至造成更多圖像細(xì)節(jié)的損失。圖像復(fù)原透霧技術(shù)是研究霧天圖像降質(zhì)的物理過(guò)程，并建立退化模型，反演退化過(guò)程，補(bǔ)償退化過(guò)程造成的失真，以便獲得原始圖像的最優(yōu)估計(jì)值，從而改善圖像質(zhì)量，這種方法針對(duì)性強(qiáng)，得到的去霧效果自然，處理的關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)是模型中參數(shù)的估計(jì)。
從電子透霧的算法解釋中可以看出其優(yōu)勢(shì)在于：1、畫面色彩得以保留；2、不會(huì)增加額外硬件成本。
但電子透霧的劣勢(shì)也很明顯，首先由于可見(jiàn)光穿透能力弱，在遇到水汽、灰塵阻隔時(shí)會(huì)造成較大的散射，導(dǎo)致部分信息丟失，此時(shí)即使通過(guò)算法修復(fù)畫面、消除霧感，也無(wú)法對(duì)丟失的信息“從無(wú)到有”進(jìn)行恢復(fù);此外，電子透霧基于不同的算法透霧效果各有不同，簡(jiǎn)單的算法在圖像還原效果上有局限性，而復(fù)雜的算法對(duì)硬件性能提出了更高的要求，而且就目前的圖像還原技術(shù)整體水平而言，電子透霧只能應(yīng)用在一般的霧氣環(huán)境中，一旦霧霾濃度提升，電子透霧的效果就會(huì)大大降低。
光學(xué)透霧
自然光由波長(zhǎng)不同的光波組合而成，人眼可見(jiàn)范圍大致為390nm-780nm，稱為可見(jiàn)光，而波長(zhǎng)小于390nm的叫做紫外光，波長(zhǎng)大于780nm的叫做紅外光。不同波段的光因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)的不同具有不同的特性，一般紅外光由于擁有較長(zhǎng)的波長(zhǎng)，在傳播時(shí)受大氣粒子干擾影響較小，可穿透一定濃度的霧靄煙塵，攝像機(jī)可以利用這部分光線來(lái)實(shí)現(xiàn)穿透霧霾的監(jiān)控。這就是光學(xué)透霧的原理。
從原理可知光學(xué)透霧的優(yōu)勢(shì)在于紅外光穿透能力強(qiáng)，不會(huì)損失監(jiān)控主體的細(xì)節(jié)，圖像更清晰。但其劣勢(shì)也存在：1、由于紅外光沒(méi)有對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)光色彩圖，所以在監(jiān)視器上呈現(xiàn)的圖像為黑白顏色，所以不適用于必須需要彩色圖像的場(chǎng)所;2、光學(xué)透霧的重點(diǎn)在于截取近紅外光成像，而這部分工作大都由鏡頭完成，而透霧鏡頭價(jià)格昂貴，過(guò)高的成本大大限制了光學(xué)透霧在實(shí)際項(xiàng)目中的大規(guī)模應(yīng)用。
全新透霧技術(shù)
從前文分析可以看到，電子透霧和光學(xué)透霧互有優(yōu)劣勢(shì)，并且互補(bǔ)。那么是否能夠融合這兩種透霧技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提供一種既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的透霧攝像機(jī)呢?
答案是肯定的。
通過(guò)對(duì)各種波段光線透霧性能的細(xì)致研究，并分析在不同濃度霧霾下測(cè)試采集的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終結(jié)合監(jiān)控透霧應(yīng)用需求，宇視科技全新研制出內(nèi)置光學(xué)透霧+電子透霧的雙透霧功能網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)HIC5600系列。在近距離或一般霧氣環(huán)境中，該系列攝像機(jī)通過(guò)開(kāi)啟電子透霧消除霧感，獲得清晰、通透的彩色圖像;一旦霧霾影響嚴(yán)重時(shí)，開(kāi)啟光學(xué)透霧，即使只配備了普通鏡頭，依然能實(shí)現(xiàn)清晰的光學(xué)透霧效果，不會(huì)丟失任何細(xì)節(jié)，并且由于內(nèi)置光學(xué)透霧組件，相較于傳統(tǒng)的光學(xué)透霧鏡頭方案大大降低了成本，可以在平安城市等行業(yè)中大規(guī)模推廣應(yīng)用。由于可見(jiàn)光和紅外光聚焦面不一致，所以這款透霧攝像機(jī)還內(nèi)置了自動(dòng)后焦(ABF)裝置，在模式切換后自動(dòng)觸發(fā)，以獲得最為清晰的圖像。
未來(lái)趨勢(shì)
在實(shí)際應(yīng)用中，電子透霧作為一種ISP圖像還原技術(shù)，其致命缺陷在于霧霾嚴(yán)重時(shí)無(wú)法還原丟失的信息，這是其成像原理決定的，即使圖像還原算法再先進(jìn)，也無(wú)法改善。一旦環(huán)境中霧霾濃度變化，電子透霧的效果將不可控，也就是說(shuō)電子透霧的環(huán)境適應(yīng)能力弱，而且研發(fā)更先進(jìn)圖像還原算法的性價(jià)比并不高，因此筆者認(rèn)為基于監(jiān)控需求的電子透霧技術(shù)將逐漸收斂。
而光學(xué)透霧一直以來(lái)在森林防火、海事、邊防中有應(yīng)用，具有較長(zhǎng)的實(shí)際應(yīng)用歷史，其效果得到用戶的認(rèn)可，只是受限于高昂的成本而無(wú)法在其他通用行業(yè)中大規(guī)模推廣，隨著新技術(shù)的產(chǎn)生，成本問(wèn)題得到解決，相信其在各行業(yè)中的應(yīng)用前景將會(huì)越來(lái)越大。
而提升光學(xué)透霧效果除了攝像機(jī)自身圖像處理能力的進(jìn)一步提升，鏡頭、視窗等配套成像系統(tǒng)也應(yīng)該對(duì)紅外光具有更高的透過(guò)率，因此配套系統(tǒng)的完善乃至sensor的進(jìn)一步升級(jí)是光學(xué)透霧未來(lái)努力的方向。
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