話(huà)題大家談：如何應對圖像的二次處理

　　程敏 浙江大華技術(shù)股份有限公司光學(xué)圖像部研發(fā)經(jīng)理

　　程瑋 ?？低暭夹g(shù)支持部產(chǎn)品經(jīng)理

　　李偉偉 蘇州科達科技股份有限公司市場(chǎng)部產(chǎn)品經(jīng)理

　　1、光環(huán)境應對技術(shù)一般包含那些主要技術(shù)，其技術(shù)原理是什么?

　　程敏：從感知層面來(lái)看，光環(huán)境應對技術(shù)主要包括光學(xué)技術(shù)和圖像處理技術(shù)兩方面，光學(xué)技術(shù)主要表現在鏡頭光圈的自動(dòng)控制、濾光片的自動(dòng)切換、以及補光燈的使用上，鏡頭光圈的自動(dòng)控制是指通過(guò)自動(dòng)調整鏡頭光圈大小來(lái)改變整體通光量的大小從而使得攝像機感知到合適的亮度的一種技術(shù)，濾光片自動(dòng)切換是指通過(guò)改變各種波長(cháng)的光的透過(guò)率從而可選擇性的消除有害光線(xiàn)的一種技術(shù)，補光燈主要是針對目標區域進(jìn)行補光，可以使重點(diǎn)區域的亮度得以提升;圖像處理技術(shù)包括寬動(dòng)態(tài)、背光補償、強光抑制、3D數字降噪等技術(shù)，寬動(dòng)態(tài)技術(shù)通過(guò)采用多次曝光技術(shù)，經(jīng)過(guò)重新映射處理，獲取比普通相機更大動(dòng)態(tài)范圍的圖像，從而解決一般攝像機存在的明亮區域曝光過(guò)度，而黑暗區域曝光不足的問(wèn)題;背光補償也稱(chēng)作逆光補償，它可以有效補償攝像機在逆光環(huán)境下拍攝時(shí)主體區域黑暗的缺陷，從而提升主體區域的亮度和圖像細節;強光抑制技術(shù)是指在低照度環(huán)境下，遇到背景光極其強烈時(shí)采用的一種對強光源進(jìn)行抑制，突出強光源前的主體物，從而提升過(guò)曝區域的圖像細節、保留暗區圖像細節的技術(shù);背光補償和強光抑制都可以看成是寬動(dòng)態(tài)技術(shù)在某些特定場(chǎng)景下為達到特定目的的一種圖像處理技術(shù);3D數字降噪主要應用于低照環(huán)境下，運用視頻圖像在時(shí)域和空域的相關(guān)性和稀疏性來(lái)抑制視頻圖像的噪聲，從而達到提升視頻圖像信噪比的目的。

　　2、 光環(huán)境應對技術(shù)主要應用在哪些場(chǎng)景?

　　程瑋：寬動(dòng)態(tài)和背光補償都適用在逆光環(huán)境下，可以解決逆光處前景較暗的問(wèn)題。寬動(dòng)態(tài)一般通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現，將多次曝光后的圖像疊加后得到前景明亮、后景清晰的圖像;而背光補償主要通過(guò)算法來(lái)實(shí)現整體畫(huà)面亮度的提升，從而提升前景亮度，但往往會(huì )造成原本已經(jīng)夠亮的背景過(guò)曝。

　　低照度和紅外都適用于光線(xiàn)條件不好的環(huán)境下，低照度主要是通過(guò)使用高感光度的圖像傳感器、鏡頭或者提高增益等方式來(lái)呈現比較明亮的圖像，不過(guò)其要求環(huán)境不能完全無(wú)光，否則也無(wú)法感光;紅外主要用在環(huán)境完全無(wú)光或光線(xiàn)極弱的條件下，可以通過(guò)自帶的紅外燈發(fā)出紅外光來(lái)照亮物體，從而實(shí)現補光。

　　強光抑制主要用于監控夜間行駛車(chē)輛前車(chē)牌，通過(guò)抑制車(chē)燈亮度來(lái)實(shí)現看清車(chē)牌的目的，但近年來(lái)這項功能已逐步被抑制車(chē)燈效果更好的寬動(dòng)態(tài)所替代，所以市場(chǎng)上強光抑制的設備也越來(lái)越少見(jiàn)了。

　　3、 光環(huán)境應對技術(shù)的發(fā)展歷程及現狀是怎樣的?

　　程敏：光學(xué)器件從最初的一種規格打天下發(fā)展到現在已經(jīng)能應對更復雜的環(huán)境、更多樣化的需求，在適應能力提高的同時(shí)，也實(shí)現了經(jīng)濟化和集成化，使設備的性?xún)r(jià)比更高。例如早期的光學(xué)鏡頭只能手動(dòng)調節光圈大小，后來(lái)有了DC光圈和Hall反饋型光圈鏡頭，最近又出現了P-iris鏡頭，結合了Hall反饋型光圈功能上的優(yōu)點(diǎn)和DC光圈成本上的優(yōu)點(diǎn);濾光片的種類(lèi)也在不斷推陳出新，根據不同的應用場(chǎng)景和不同的傳感器特性，有針對性的推出去摩爾紋、去紫邊、去紅燈光暈、抑制局部區域過(guò)曝等等特性的濾光片。圖像處理技術(shù)早期出現的是簡(jiǎn)單的背光補償技術(shù)以及空域降噪技術(shù)，后期隨著(zhù)Sensor的工藝水平和ISP處理芯片性能的提升開(kāi)發(fā)了寬動(dòng)態(tài)技術(shù)，之后隨著(zhù)對低照度場(chǎng)景監控的需求提出了強光抑制技術(shù)和3D數字降噪技術(shù)。

　　4、 模擬時(shí)代和網(wǎng)絡(luò )時(shí)代的光環(huán)境應對技術(shù)有什么不同?

　　程敏：早期的模擬攝像機解決的是“看得見(jiàn)”的問(wèn)題，從模擬攝像機發(fā)展到網(wǎng)絡(luò )高清攝像機，人們的思想觀(guān)念逐漸從“看得見(jiàn)”轉換到了“看得清”，網(wǎng)絡(luò )高清攝像機對整體清晰度和細節還原的要求更高，應用場(chǎng)景也更豐富多變，這就要求設備有極高的適應能力，可以說(shuō)在網(wǎng)絡(luò )高清時(shí)代，光環(huán)境應對技術(shù)的要求更多樣化、手段方法更豐富、技術(shù)難度也更高。

　　程瑋：現在的監控以網(wǎng)絡(luò )為主，網(wǎng)絡(luò )高清產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度也更快，而基于網(wǎng)絡(luò )高清產(chǎn)品的光環(huán)境應對技術(shù)的發(fā)展也比模擬時(shí)代更快速，效果也更好。

　　5、 光環(huán)境應對技術(shù)現在發(fā)展是否已經(jīng)成熟?

　　程敏：技術(shù)始終在進(jìn)步，應用需求也一直在跟著(zhù)變動(dòng)，所以光環(huán)境應對技術(shù)還有很大的提升空間。

　　6、 各公司產(chǎn)品光環(huán)境應對在測試中實(shí)際效果差別很大，您認為有哪些主要因素?

　　程敏：目前，各廠(chǎng)家的光環(huán)境應對技術(shù)都是以自主研發(fā)為主，因此所采用的技術(shù)也不盡相同。例如在光學(xué)方案及器件的選用上差別就比較大，一是所用鏡頭不同，在光圈大小與控制、強光控制等方面上差異比較大，二是其它光學(xué)器件比如濾光片的效果存在差異，三是在照明補光方面也有差異。除此之外，在圖像處理算法上，各廠(chǎng)商紛紛提出了自己的解決方案，這里也是專(zhuān)利產(chǎn)生數量最多的一塊。這就導致了各產(chǎn)品在光環(huán)境的應對測試中實(shí)際效果差別較大。

　　李偉偉：比如寬動(dòng)態(tài)：分為數字寬動(dòng)態(tài)、2幀合一、3幀合一、4幀合一寬動(dòng)態(tài)技術(shù)，不同的技術(shù)其效果也不盡相同，即使采用相同的技術(shù)，不同場(chǎng)景的處理方法上也有差異，因此造成一些差別。

　　另外，自適應性也非常重要，有些場(chǎng)景下光線(xiàn)呈現并非全天候一個(gè)狀態(tài)，因此需要攝像機具備良好的智能檢測技術(shù)，可以做大自適應啟動(dòng)寬動(dòng)態(tài)、強光抑制等功能，達到全天候最佳效果

　　7、 芯片、傳感器、鏡頭等硬件對光環(huán)境應對技術(shù)有哪些影響?

　　程瑋：芯片平臺決定了攝像機的性能、圖像處理能力、處理運算速度等;傳感器決定了攝像機感應光能力的強弱，好的傳感器靈敏度高，感光性能好;鏡頭決定了進(jìn)光量、通透性等因素。

　　8、近期SVAC、H.265等新標準的應用、4K等新技術(shù)的發(fā)展對光環(huán)境應對技術(shù)有哪些影響?

　　程敏：近期，H.265、SVAC、4K等新標準、新技術(shù)不斷涌現，對圖像的分辨率提出了更高的要求，分辨率更高的高清鏡頭隨之而來(lái)，圖像處理的數據量大大增加，這對寬動(dòng)態(tài)和3D數字降噪技術(shù)的處理性能提出了更大的挑戰，急需要研發(fā)出在處理效果和性能兩方面都滿(mǎn)足要求的新技術(shù)。

　　程瑋：H.265、4K等技術(shù)和光環(huán)境應對技術(shù)是相互促進(jìn)的關(guān)系，未來(lái)的發(fā)展趨勢一定是朝著(zhù)更高清的方向去發(fā)展，圍繞著(zhù)超高清攝像機相應的編碼效率、圖像效果都需要得到提升。

　　9、光環(huán)境應對技術(shù)的提升空間在哪里?

　　程敏：從光學(xué)上來(lái)看，當前主要是全局處理，調節的是整體亮度，而實(shí)際需求往往是只需要降低局部小區域內的亮度即可，因此需要研發(fā)出具有局域特性的光學(xué)器件;從圖像處理的角度來(lái)看，提升寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的自適應能力，解決多次曝光合成的寬動(dòng)態(tài)效果中的運動(dòng)區域補償問(wèn)題，以及進(jìn)一步提升傳感器的信噪比，有效區分運動(dòng)和靜止區域噪聲等等都是目前正在研究的課題。另外，以道路監控為例，夜間爆閃燈的光污染是很?chē)乐氐?，未?lái)如果在此方面進(jìn)行變革，那設備應對低照環(huán)境的能力就要有很大的提升。

　　10、該技術(shù)在實(shí)用中經(jīng)常遇見(jiàn)的問(wèn)題有哪些?該如何避免這些問(wèn)題?

　　程敏：實(shí)際應用中經(jīng)常會(huì )遇到一些光線(xiàn)條件很極端的場(chǎng)景，比如晨昏時(shí)分太陽(yáng)接近地平線(xiàn)，強烈的陽(yáng)光直射到鏡頭內導致畫(huà)面上半部分過(guò)曝和嚴重的雜光，此時(shí)單靠設備本身是調整不過(guò)來(lái)的，這種情況需要通過(guò)對現場(chǎng)環(huán)境的觀(guān)察選擇合適的安裝位置、調整設備的方位角、利用護罩的遮光作用等方法把強光源的干擾給排除掉。

　　11、具備光環(huán)境應對技術(shù)的產(chǎn)品在選型時(shí)，有哪些注意事項?

　　程瑋：星光級超低照度攝像機是目前低照度領(lǐng)域夜晚監控效果最好的一類(lèi)攝像機，因其出色的夜晚成像效果，廣泛應用于平安城市、平安鄉鎮、交通、金融、高檔樓宇、住宅小區、校園、港口、高速公路、街道等對攝像機性能要求比較高但又不宜外加補光設備的環(huán)境下。例如夜晚道路監控行駛車(chē)輛前車(chē)牌的場(chǎng)景，有些城市居民會(huì )覺(jué)得加了補光燈后造成光污染，比較排斥補光設備，而紅外攝像機照射車(chē)牌后，車(chē)牌的特殊材質(zhì)會(huì )導致反光，從而看不清車(chē)牌細節，所以如果要看清車(chē)牌并不適合用紅外攝像機，星光級超低照度攝像機一出現，就立刻成為平安城市道路監控炙手可熱的機型，只需要利用一些微弱的路燈或環(huán)境光來(lái)進(jìn)行補光就可以呈現明亮的圖像，達到看清車(chē)牌的目的。

　　當環(huán)境光暗到一定程度時(shí)，紅外攝像機會(huì )自動(dòng)開(kāi)啟自帶的紅外燈，主動(dòng)發(fā)射紅外光，照亮監控目標，再通過(guò)采集場(chǎng)景中原有的光線(xiàn)及反射回來(lái)的紅外光，從而生成圖像，是一種主動(dòng)式紅外。這時(shí)我們所看到的是由紅外線(xiàn)反射所成的影像，而不是可見(jiàn)光反射所成的影像，這樣就可以拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的物體，也就是人們常說(shuō)的可以達到0lux。但是，如果是比較空曠的環(huán)境，紅外燈沒(méi)有可反射的物體，這樣在圖像的顯示效果就不會(huì )很好了。對紅外攝像機來(lái)說(shuō)，紅外燈的壽命是用戶(hù)普遍比較關(guān)注的問(wèn)題，而溫度過(guò)高是導致紅外燈失效的主要因素之一。有研究表明，溫度每降低10°，紅外燈的壽命可延長(cháng)1年。因此，紅外燈電路的散熱設計、功率大小都至關(guān)重要，尤其是遠距離紅外，距離越遠，紅外燈的功率越高，熱量也會(huì )越大，當溫度高到一定程度，甚至會(huì )影響到攝像機圖像傳感器的效果。這是紅外攝像機主要存在的問(wèn)題。

　　程敏：在選購產(chǎn)品時(shí)，首先明確自己的需求，根據使用環(huán)境、所需功能等方面來(lái)考慮需要什么樣的產(chǎn)品，這樣在選擇時(shí)比較有針對性，比如低照環(huán)境需搭配大光圈的鏡頭，霧天環(huán)境需配置有透霧功能的產(chǎn)品，走廊環(huán)境需要有P-iris功能的設備等等;其次是對比同類(lèi)型產(chǎn)品的各項指標情況，不能單從宣傳上看，比如強光抑制或寬動(dòng)態(tài)效果，最好能對比各產(chǎn)品的實(shí)際效果然后再做選擇。

　　12、各公司在該類(lèi)技術(shù)的研發(fā)有哪些投入?

　　程敏：投入了大量資源進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究，包括鏡頭、補光燈等光學(xué)設備的研發(fā)，以及ISP圖像處理算法的研究，并提供各種實(shí)驗條件進(jìn)行光學(xué)方案和圖像效果的測試驗證，取得了很多的突破，確保了在效果上不輸與競爭對手的同時(shí)，在成本價(jià)格上相比國外同類(lèi)產(chǎn)品具有絕對的優(yōu)勢。

　　程瑋：設立了自己的研究院，其中就包括了光環(huán)境應對技術(shù)的圖像處理研發(fā)團隊，采用最先進(jìn)的硬件芯片，結合?？低曌灾餮邪l(fā)算法，可以實(shí)現優(yōu)異的圖像效果。

　　李偉偉：目前，科達與光技術(shù)有關(guān)的智能交通前端產(chǎn)品包括微光電子警察系統、四合一電子警察系統?？七_微光電子警察系統選用低照度元器件，并增強了圖像處理的算法，因而無(wú)需任何補光設備即可采集高清晰圖像，徹底杜絕傳統電子警察的閃光燈帶來(lái)的光污染問(wèn)題;科達四合一電子警察系統的補光設備采用了專(zhuān)利技術(shù)，其閃光燈功率是36J,閃光時(shí)間為0.3毫秒，相比市場(chǎng)上大部分閃光燈的功率是200J、閃光時(shí)間長(cháng)達3毫秒，科達電子警察系統的補光效率領(lǐng)先了同行10倍。

　　13、國內相關(guān)技術(shù)與國外有差距嗎，如果有，差距在哪里?

　　程敏：國外對光環(huán)境應對技術(shù)研究開(kāi)始得較早，技術(shù)積累較成熟，比如像AXIS這樣的國際巨頭，最早推出Q1602低照度槍機和Q1604寬動(dòng)態(tài)槍機，近期又推出了Q1635自動(dòng)寬動(dòng)態(tài)設備，自適應效果處于行業(yè)領(lǐng)先地位

　　?？低暎耗壳霸诠猸h(huán)境應對技術(shù)這部分，國內外的差距已經(jīng)不明顯了。國內很多品牌的光環(huán)境應對技術(shù)效果已經(jīng)可以和國際媲美。