抗霧霾透霧技術(shù)深度解析

　　霧霾來(lái)勢洶洶，一般在城市中尤為嚴重，對視頻監控系統提出了嚴峻考驗，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、對比度降低及色調偏移。

　　伴隨著(zhù)中國霧霾天氣的日益嚴峻，不少監控攝像機已經(jīng)失去了其監控的作用，霧霾導致攝像機的監控距離、圖像清晰度下降，甚至導致車(chē)輛、人物等監控主體的關(guān)鍵細節信息丟失，一旦發(fā)生事件，將很難獲得有效信息，大大降低了視頻監控系統的實(shí)用性。

　　那么視頻監控該如何應對霧霾來(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，讓攝像機獲得良好的監控效果，不會(huì )影響監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(chēng)數字透霧)和光學(xué)透霧(亦稱(chēng)物理透霧)兩種。

　　電子透霧是基于人類(lèi)視覺(jué)感知模型設計的后端圖像復原技術(shù)，通過(guò)ISP算法來(lái)修復畫(huà)面、消除霧感，達到畫(huà)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(cháng)較長(cháng)，在傳播時(shí)受大氣粒子干擾較小，能穿透霧霾，從而呈現清晰的圖像細節。其實(shí)這兩種透霧技術(shù)并非是應對霧霾天氣而開(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)現遠距離的清晰監控。而隨著(zhù)霧霾來(lái)襲，透霧技術(shù)漸漸成為高端攝像機的標配技術(shù)，如宇視科技全系列室外應用的IPC均支持電子透霧，而最高端的HIC5600系列又在此基礎上全線(xiàn)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別，各有什么優(yōu)劣勢呢?

　　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)修復畫(huà)面，目前ISP算法主要分為兩大類(lèi)：圖像增強透霧技術(shù)和圖像復原透霧技術(shù)。圖像增強透霧技術(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節的損失。圖像復原透霧技術(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)估計值，從而改善圖像質(zhì)量，這種方法針對性強，得到的去霧效果自然，處理的關(guān)鍵點(diǎn)及難點(diǎn)是模型中參數的估計。

　　從電子透霧的算法解釋中可以看出其優(yōu)勢在于：1、畫(huà)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，導致部分信息丟失，此時(shí)即使通過(guò)算法修復畫(huà)面、消除霧感，也無(wú)法對丟失的信息“從無(wú)到有”進(jìn)行恢復;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，而復雜的算法對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(cháng)不同的光波組合而成，人眼可見(jiàn)范圍大致為390nm-780nm，稱(chēng)為可見(jiàn)光，而波長(cháng)小于390nm的叫做紫外光，波長(cháng)大于780nm的叫做紅外光。不同波段的光因為波長(cháng)的不同具有不同的特性，一般紅外光由于擁有較長(cháng)的波長(cháng)，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，攝像機可以利用這部分光線(xiàn)來(lái)實(shí)現穿透霧霾的監控。這就是光學(xué)透霧的原理。

　　從原理可知光學(xué)透霧的優(yōu)勢在于紅外光穿透能力強，不會(huì )損失監控主體的細節，圖像更清晰。但其劣勢也存在：1、由于紅外光沒(méi)有對應的可見(jiàn)光色彩圖，所以在監視器上呈現的圖像為黑白顏色，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)際項目中的大規模應用。

　　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，并且互補。那么是否能夠融合這兩種透霧技術(shù)的優(yōu)勢，提供一種既經(jīng)濟又實(shí)用的透霧攝像機呢?

　　答案是肯定的。

　　通過(guò)對各種波段光線(xiàn)透霧性能的細致研究，并分析在不同濃度霧霾下測試采集的大量試驗數據，最終結合監控透霧應用需求，宇視科技全新研制出內置光學(xué)透霧+電子透霧的雙透霧功能網(wǎng)絡(luò )攝像機HIC5600系列。在近距離或一般霧氣環(huán)境中，該系列攝像機通過(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)現清晰的光學(xué)透霧效果，不會(huì )丟失任何細節，并且由于內置光學(xué)透霧組件，相較于傳統的光學(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)中大規模推廣應用。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還內置了自動(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

　　在實(shí)際應用中，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)境適應能力弱，而且研發(fā)更先進(jìn)圖像還原算法的性?xún)r(jià)比并不高，因此筆者認為基于監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、邊防中有應用，具有較長(cháng)的實(shí)際應用歷史，其效果得到用戶(hù)的認可，只是受限于高昂的成本而無(wú)法在其他通用行業(yè)中大規模推廣，隨著(zhù)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也應該對紅外光具有更高的透過(guò)率，因此配套系統的完善乃至sensor的進(jìn)一步升級是光學(xué)透霧未來(lái)努力的方向。