人類獲得外界信息大約有70%是通過視覺獲取的。隨著多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，視頻圖像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、公共安全領(lǐng)域、應(yīng)急指揮領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域等。然而在城市公共安全、智能交通視頻監(jiān)控信息中，不到百分之一的信息為有用信息，因此對僅百分之一的信息品質(zhì)期望值要求越來越高。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，由于氣候環(huán)境、視頻成像、儲(chǔ)存、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)理論上的衰耗都會(huì)造成圖像質(zhì)量降低，特別是近年來，霧霾天氣使得戶外對象成像退化，圖像變得模糊。因此，為了獲得更清晰的監(jiān)控效果，透霧技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　霧霾是由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機(jī)碳?xì)浠衔锏攘Ｗ哟罅糠e聚，形成在一定空間內(nèi)能見度低下的一種氣象。霧霾出現(xiàn)的概率聚增，已影響到國內(nèi)25 個(gè)省份，100多個(gè)大中型城市。根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的環(huán)境質(zhì)量公報(bào)，去年全國平均霧霾天數(shù)達(dá)35.9天，在此情況下室外視頻監(jiān)控系統(tǒng)，如：公共安全、交通、應(yīng)急指揮、旅游等視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值大打折扣。

　　因此IP攝像設(shè)備的透霧功能，特別是多級切換模式透霧功能必將成為室外攝像機(jī)的標(biāo)配功能。

　　透霧技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　1.1透霧技術(shù)的定義

　　透霧技術(shù)，也稱為視頻圖像增透技術(shù)，是指將因霧、水汽、灰塵等導(dǎo)致模糊的圖像變得清晰，突出圖像中感興趣的部分，使得圖像的質(zhì)量得到改善，信息量得到增強(qiáng)的過程。

　　透霧不同于簡單的除霧技術(shù)，它需要通過光學(xué)、算法等手段相互融合，根據(jù)圖像雜質(zhì)濃度自動(dòng)調(diào)整算法，實(shí)現(xiàn)圖像的色度補(bǔ)償，從而獲得與實(shí)景無限接近的清晰圖像。

　　1.2光學(xué)透霧

　　在光譜中，紅外線是不可見光線，波長介于微波與可見光之間。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為0.78～2.50μm;中紅外線，波長為2.50～25μm;遠(yuǎn)紅外線，波長為25～l000μm。

　　近紅外還可分為近紅外短波區(qū)域和近紅外長波區(qū)域，在不同波段的光因?yàn)椴ㄩL的不同呈現(xiàn)不同的光譜特性。透霧功能的實(shí)現(xiàn)基于近紅外光譜。近紅外線在傳播時(shí)受氣溶膠的影響較小，可穿透一定濃度的霧靄煙塵，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速聚焦，這就是光學(xué)透霧的依據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)云霧和煙塵天氣時(shí)，一般的可見光無法穿透，利用近紅外光線可繞射微小顆粒原理，在霧霾天氣采用近紅外濾光片、鍍膜技術(shù)及電子圖像增強(qiáng)技術(shù)，算法處理能提升遠(yuǎn)距離監(jiān)控效果。

　　光學(xué)透霧的關(guān)鍵在于鏡頭與濾光片。透霧攝像設(shè)備需要具備三個(gè)要素：具有色差補(bǔ)償?shù)溺R頭、具備近紅外線靈敏度高的CCD、黑電平調(diào)節(jié)的圖像處理器。通過鏡頭對特定近紅外波段光線進(jìn)行截取，準(zhǔn)確聚焦成像。一般的攝像機(jī)鏡頭，透過光譜的中心波長在500~600MM之間，而為了保證在可見光和近紅外波段都有很高的透過率，且兩個(gè)波段切換過程中對色差進(jìn)行修正保證切換后不需要再調(diào)節(jié)焦距，透霧攝像機(jī)的鏡頭透過光譜的中心波長必須在780~900MM之間。因此，很多透霧鏡頭采用了多層鍍膜技術(shù)，讓500~900MM波段的透過率達(dá)到80%以上，最終實(shí)現(xiàn)透霧效果，這種透霧方式俗稱為物理透霧。目前市場上專業(yè)級日系透霧鏡頭售價(jià)都在萬元以上，考慮到透霧鏡頭高昂的造價(jià)，部分企業(yè)尋求更經(jīng)濟(jì)的光學(xué)透霧模式，普遍采用兩濾波片的日夜轉(zhuǎn)換模式，在攝像機(jī)集成加入了四塊濾波片，多鏡頭集身于一臺攝像機(jī)，除了實(shí)現(xiàn)日夜轉(zhuǎn)換，還通過增設(shè)一塊可選擇性過濾400nm~600nm波段光線的濾波片，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)光抑制。為了更精確截取適合成像的近紅外波段，也特別增加了透霧濾波片，以實(shí)現(xiàn)較為經(jīng)濟(jì)的光學(xué)透霧。

　　1.3算法透霧

　　攝像機(jī)的透霧概念早在2007年進(jìn)入中國，但高昂的成本和復(fù)雜的技術(shù)讓很多安防行業(yè)卻步。經(jīng)過十幾年發(fā)展和專業(yè)技術(shù)的積累，透霧技術(shù)有了較大突破。而要真正實(shí)現(xiàn)透霧還是要依靠電子透霧算法處理，才能在應(yīng)用中脫穎而出。目前行業(yè)內(nèi)大致上有以下幾種算法透霧：

　　第一種是基于FPGA成像方法以及直方圖均衡化算法透霧。它針對霧天圖像的退化現(xiàn)象，采用近紅外波段成像和視頻圖像處理技術(shù)相結(jié)合提高圖像質(zhì)量。此外，還可通過改善算法復(fù)雜度提高畫面清晰度。

　　第二種是Retinex算法，即視頻增強(qiáng)算法。它對校正后的像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行線性拉伸，得到增強(qiáng)的圖像。該算法具有銳化、顏色恒常性、動(dòng)態(tài)范圍壓縮大、色彩逼真度高、處理延遲低等特點(diǎn)。

　　第三種則是影像信號處理器(LSP)算法透霧處理。該技術(shù)要求透霧設(shè)備必須具備“自動(dòng)曝光(AE)”、“自動(dòng)白平衡(AWB)”和“自動(dòng)聚焦(AF)”的3A功能，適于直接內(nèi)嵌于攝像機(jī)中應(yīng)用。

　　1.4光電透霧技術(shù)

　　光學(xué)透霧直接利用可穿透霧靄的近紅外波段光線進(jìn)行成像，但只能得到黑白監(jiān)控畫面，而光電透霧技術(shù)將光學(xué)透霧和算法透霧兩種透霧功能相結(jié)合，通過機(jī)芯一體化通過內(nèi)嵌的FPGA芯片和ISP/DSP進(jìn)行運(yùn)算處理實(shí)現(xiàn)彩色畫面輸出。一方面，該透霧技術(shù)可區(qū)分遠(yuǎn)景近景霧氣濃淡等因素，選擇透霧級別，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域效果最佳，不同于過去對畫面對比度整體的提高，且沒有延時(shí)。另一方面，芯片的高速運(yùn)算必將產(chǎn)生噪聲點(diǎn)，夜間光照不足時(shí)影響尤為突出，所以一體機(jī)芯普遍需要采用CCD傳感器和大光圈鏡頭，以達(dá)到良好的低照效果。

　　1.5假透霧

　　通過人為調(diào)節(jié)對比度、銳度、飽和度、亮度等數(shù)值，或做一些濾鏡切換裝置，讓圖像重點(diǎn)突出，從而改善主觀視覺效果，這就是所說的假透霧。假透霧在霧霾環(huán)境下，切換到選擇夜間紅外感應(yīng)模式時(shí)，可以看到一定效果的圖像畫面，但鏡頭不能對景物重新進(jìn)行聚焦，因而不滿足視覺體驗(yàn)。非透霧攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)一定程度的“透霧”，但透霧效果非常有限。

　　透霧技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

　　2.1透霧原理

　　當(dāng)可見光通過空氣中的霧霾時(shí)，會(huì)被阻擋反射而無法通過，所以只能接收可見光的眼睛看不到霧霾后面的物體。在可見光與微波之間，有一組紅外光線可以穿透霧氣，且攝像機(jī)的感光元件可以感應(yīng)到這部分近紅外光線。但是由于紅外光譜各波段的波長不同，需要攝像機(jī)進(jìn)行過濾處理，利用過濾后的近紅外光進(jìn)行成像。由于這種不可見光在監(jiān)視器上呈現(xiàn)的圖像為黑白顏色，由于景物邊緣呈現(xiàn)的灰度不連續(xù)特性，于是對圖像邊緣進(jìn)行加強(qiáng)。RGB光線中除了R光線可以正確聚焦在 CCD成像面上，GB光線均無法正常地投射在CCD成像面上，這樣要求可見光成像畫面和近紅外光成像畫面疊加復(fù)合后進(jìn)行色差補(bǔ)償，滿足成像主觀體驗(yàn)要求。

　　2.2透霧功能設(shè)計(jì)

　　透霧功能的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)由成像單元、成像控制單元、溫控單元、視頻增強(qiáng)單元以及主處理器五個(gè)部分組成，如圖2所示。成像單元由鏡頭、濾光片及CCD組成，溫控單元由溫度開關(guān)、風(fēng)扇組成。溫控單元獨(dú)立存在于成像控制單元上，根據(jù)溫度開關(guān)輸出的電平高低啟動(dòng)散熱風(fēng)扇。成像單元、溫控單元及成像控制單元整合在一起，紫外濾光片與紅外濾光片由控制單元控制鏡頭電機(jī)進(jìn)行切換，同時(shí)通過串口控制視頻增強(qiáng)保證可見光波段彩色圖像輸出。再經(jīng)過主處理器計(jì)算處理，確定霧霾程度與級別，從而保證透霧功能分級實(shí)現(xiàn)。

　　通過鏡頭變換濾光片的方法，可將可見光波段和近紅外線波段的分開使用，以達(dá)到用可見光波段來提高圖像的清晰程度、主管視覺體驗(yàn)和利用近紅外波段穿透云霧的能力來增加透視距離。為了得到遠(yuǎn)距離物體的清晰圖像信號，采用電子處理技術(shù)，通過ISP/DSP主處理器計(jì)算，將視頻信號中的霧霾部分過濾掉，再用白光進(jìn)行疊加處理。其基本開發(fā)流程是先對復(fù)合視頻信號進(jìn)行同步分離，去掉其中霧霾、彩色同步信號，將彩色圖像轉(zhuǎn)換為黑白圖像，然后進(jìn)行灰度圖像邊緣增強(qiáng)，處理完成后再進(jìn)行白光疊加和同步合成以及色差修正，最后輸出標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合視頻信號。

　　多級切換模式透霧技術(shù)的發(fā)展前景

　　基于DSP算法透霧和光學(xué)透霧形成的光電透霧技術(shù)，現(xiàn)階段應(yīng)該是攝像設(shè)備的主要發(fā)展方向。就操作層面上講，光電透霧技術(shù)的智能化程度比較高，無需繁瑣、人為調(diào)節(jié)干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)良好的透霧應(yīng)用。值得思考的是，透霧功能的啟用級別應(yīng)隨氣候環(huán)境變化而變化，不要一種透霧狀態(tài)自始至終，而應(yīng)根據(jù)霧霾的濃度自動(dòng)調(diào)整算法，且針對不同的霧氣、霧霾濃度，提供多個(gè)透霧功能等級模式供選擇，通過不同的等級調(diào)節(jié)，可將設(shè)備透霧效果調(diào)至最佳。與此同時(shí)，適時(shí)調(diào)節(jié)DSP計(jì)算的難易度，也可延長設(shè)備壽命。

　　隨著我國平安城市建設(shè)力度的不斷加大，視頻監(jiān)控設(shè)備被越來越多地應(yīng)用到各行各業(yè)，用戶對監(jiān)控需求不斷提升，透霧攝像機(jī)的市場應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大，通過對視頻圖像質(zhì)量的提升，使模糊圖像變得更加清晰可見，從而提高監(jiān)控系統(tǒng)對周圍環(huán)境的感知能力。因此，多級切換模式透霧技術(shù)將會(huì)是安防業(yè)未來的發(fā)展趨勢。

　　那么已經(jīng)投入工程使用的監(jiān)控設(shè)備沒有透霧功能如何實(shí)現(xiàn)透霧呢?行業(yè)內(nèi)一些廠家已作了一些探索，如?？低暤?60H透霧DVR，該機(jī)支持16路 960H模擬視頻通道的同步透霧。這種通過后端存儲(chǔ)或管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)透霧的方式，為安防工程的改造升級提供了一種新的解決方案。而且，為減少前端攝像設(shè)備算法處理難度以及傳輸帶寬、儲(chǔ)存容量和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境現(xiàn)實(shí)制約，設(shè)計(jì)開發(fā)由平臺端實(shí)現(xiàn)透霧功能的軟件平臺產(chǎn)品也是未來探索思路之一。

　　結(jié)束語

　　隨著人們對安防知識和安防產(chǎn)品的了解越來越多，無論是工業(yè)安防還是民用安防的需求將更專業(yè)，光電透霧技術(shù)將會(huì)在創(chuàng)新中不斷成熟，多級切換模式透霧的安防產(chǎn)品很快會(huì)在未來安防市場上誕生。本文在已有的透霧功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中增加了主處理器，經(jīng)過主處理器計(jì)算處理，確定霧霾程度與級別，從而保證透霧功能分級實(shí)現(xiàn)。多級切換模式透霧攝像產(chǎn)品由于其成像具有獨(dú)特優(yōu)勢，其技術(shù)應(yīng)用將會(huì)推動(dòng)攝像安防產(chǎn)品的科技進(jìn)步，同時(shí)也為我國的“反暴恐”安全和公共安全工作提供了新的強(qiáng)有力的保障。