“霧里看花”也精彩

文/姚靜

白霧茫茫，如何透過(guò)迷霧看清世界？

2015年3月，柴靜的紀(jì)錄片《穹頂之下》一時(shí)間成為熱點(diǎn)話題，片中最大的切入點(diǎn)就是“霧霾”?！办F霾”確實(shí)是一個(gè)幾乎影響著每個(gè)人生活的熱點(diǎn)。打開(kāi)朋友圈，經(jīng)常會(huì)看到五湖四海的朋友在曬PM2.5值，而在視頻監(jiān)控行業(yè)，霧霾也已經(jīng)成為高清監(jiān)控的隱形殺手。經(jīng)常有客戶會(huì)問(wèn)是否有透霧的攝像機(jī)。透霧處理的關(guān)鍵技術(shù)是什么？透霧效果怎么樣？的確如此，試想一下：如果某地發(fā)生重要事件，但是事后回放是一片迷霧，監(jiān)控就無(wú)法體現(xiàn)其價(jià)值。本文就為大家最關(guān)心的這兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)來(lái)看一下。

是否有透霧的攝像機(jī)？

毋庸置疑，有透霧攝像機(jī)，而且有很多。但是我們經(jīng)常會(huì)迷茫這么多的透霧設(shè)備，應(yīng)該如何選擇？了解透霧的發(fā)展，興許我們就能找到答案，且看視頻透霧的前世今生。

第一代透霧技術(shù)

透霧監(jiān)控需求最早出現(xiàn)在海事邊防等國(guó)防應(yīng)用，一開(kāi)始相關(guān)產(chǎn)品都只在透霧鏡頭上做研究，研發(fā)了一種光學(xué)透霧技術(shù)，也就是我們通常所說(shuō)的第一代透霧技術(shù)。光學(xué)透霧采用針對(duì)紅外波段成像特殊優(yōu)化的鏡頭，通過(guò)濾光片對(duì)特定近紅外波段光線進(jìn)行截取，從而利用霧氣中的紅外光進(jìn)行成像。因?yàn)橹苯永每纱┩胳F靄的近紅外波段光線進(jìn)行成像，光學(xué)透霧雖然只能得到黑白監(jiān)控畫(huà)面，但是其成像效果突出，已在海事、海洋有了不錯(cuò)的運(yùn)用；然而，由于鏡頭成本高昂，雖然近年來(lái)平安城市等大型項(xiàng)目甚至民用市場(chǎng)也出現(xiàn)了一定透霧需求，但是其實(shí)際數(shù)量仍有限。

從透霧依據(jù)可知，光學(xué)透霧的重點(diǎn)在于對(duì)特定近紅外波段光線的截取與準(zhǔn)確聚焦，而這部分工作大都由鏡頭完成。專(zhuān)業(yè)透霧鏡頭內(nèi)置有針對(duì)性很強(qiáng)的濾波片，作用是精確截取所需波段的光線，為了適應(yīng)特定環(huán)境狀況，常常會(huì)加載多片針對(duì)不同波段的濾波片，并通過(guò)485接口與攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)切換。正常來(lái)說(shuō)，配合透霧鏡頭的攝像機(jī)在基礎(chǔ)成像性能上只要具備日夜轉(zhuǎn)換功能即可，但是考慮到透霧鏡頭高昂的造價(jià)，部分?jǐn)z像機(jī)廠家也開(kāi)始尋求更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的光學(xué)透霧模式，在兩濾波片的日夜轉(zhuǎn)換攝像機(jī)的基礎(chǔ)上增加透霧濾波片，可截取適合成像的近紅外波段，以實(shí)現(xiàn)較為經(jīng)濟(jì)的光學(xué)透霧。此機(jī)械裝置可由攝像機(jī)自動(dòng)控制，也可人工切換。

圖1 光學(xué)透霧處理效果

第二代透霧技術(shù)

近幾年隨著民用需求的不斷增長(zhǎng)，也為了更高性價(jià)比的透霧，相關(guān)廠家開(kāi)始在攝像機(jī)視頻圖像增強(qiáng)技術(shù)上做研究，也就是現(xiàn)在安防監(jiān)控市場(chǎng)上非常普遍的數(shù)字透霧攝像機(jī)。數(shù)字透霧技術(shù)的第一個(gè)階段——“淺透霧”階段，這類(lèi)方法通過(guò)調(diào)整傳感器采集信息的分布，增強(qiáng)觀測(cè)目標(biāo)的色彩與細(xì)節(jié)，減少信息在后續(xù)處理（例如ISP和編碼壓縮）中的損失，用戶觀測(cè)效果也能獲得提高。但是這種透霧效果不明顯，也稱(chēng)假性透霧。目前很多安防廠家由于成本控制和技術(shù)限制，主要停留在“淺透霧”技術(shù)階段。

但是,一部分用戶不滿足于對(duì)比度的提升，所以數(shù)字透霧攝像機(jī)進(jìn)入了第二個(gè)階段——“算法透霧”階段，算法透霧可根據(jù)物理上霧霾的形成模型，通過(guò)局部區(qū)域灰白程度判斷霧霾的濃度，從而復(fù)原出清晰的無(wú)霧霾圖像。算法透霧能夠保留圖像的原有色彩，同時(shí)能夠在“淺透霧”的基礎(chǔ)上大幅提升圖像透霧效果。

第三代透霧技術(shù)

在當(dāng)下，部分廠家精益求精，市場(chǎng)上出現(xiàn)了第三代透霧技術(shù)。除了使用低照度性能更好的感光芯片，甚至另辟蹊徑在機(jī)器內(nèi)部增加專(zhuān)門(mén)的透霧濾光片，而最主要的革新是配合光學(xué)透霧技術(shù)增加了相應(yīng)的算法透霧，有人稱(chēng)之為“光學(xué)+算法透霧”，也有人稱(chēng)之為“雙重透霧”。光學(xué)+算法透霧，著力于在光學(xué)透霧的基礎(chǔ)上集成透霧算法，在原有光學(xué)透霧的基礎(chǔ)上使透霧效果得到進(jìn)一步的提升，這種技術(shù)依賴于各大廠家透霧算法技術(shù)的不同，效果也有好壞。

圖2 光學(xué)+算法透霧與光學(xué)透霧效果對(duì)比

由此看來(lái)，在選擇一臺(tái)透霧設(shè)備的時(shí)候，除了攝像機(jī)硬件本身（光學(xué)透霧）的能力，還需要比較各個(gè)品牌產(chǎn)品之間的“軟實(shí)力”，也就是透霧算法上的優(yōu)劣。

透霧算法怎么比？

說(shuō)到透霧算法，最典型的應(yīng)用就是數(shù)字透霧技術(shù)。數(shù)字透霧技術(shù)可以在透霧的同時(shí)，保留圖像原有的色彩，而數(shù)字透霧的核心就是透霧算法。前面提到，透霧算法主技術(shù)要有兩個(gè)階段，可以分為兩類(lèi)：第一階段的“淺透霧”是一種基于非模型的圖像增強(qiáng)方法，通過(guò)提高比度，滿足主觀視覺(jué)的要求來(lái)達(dá)到清晰化的目的；而第二階段的“算法透霧”是基于模型的圖像復(fù)原方法，它考查圖像退化的原因，將退化過(guò)程進(jìn)行建模，采用逆向處理，以最終解決圖像的復(fù)原問(wèn)題。

目前通過(guò)增強(qiáng)的方式(淺透霧)來(lái)進(jìn)行透霧處理典型的方法包括：直方圖均衡化、濾波變換方法和基于模糊邏輯的方法。直方圖均衡化方法，其中全局化方法運(yùn)算量小但對(duì)細(xì)節(jié)的增強(qiáng)不夠；局部均衡方法效果較好，但可能引入塊狀效應(yīng)、計(jì)算量大、噪聲被放大及算法效果不易控制的問(wèn)題。濾波變換的透霧算法，通過(guò)局部處理能獲得相對(duì)較好的處理結(jié)果，但它們的計(jì)算量巨大、資源消耗多、不適于實(shí)時(shí)性要求較高的設(shè)備。已知的基于模糊邏輯的方法透霧的效果不夠理想。

基于圖像增強(qiáng)的方法(算法透霧)能在一定程度上提高圖像對(duì)比度，并通過(guò)增強(qiáng)感興趣區(qū)域來(lái)提升可識(shí)別度。但該方法未能從圖像退化過(guò)程的原因入手來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，因此它只能改善視覺(jué)感受而不能獲得很好的透霧效果。所以，真正的數(shù)字透霧是基于圖像復(fù)原來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是我們通常所說(shuō)的“算法透霧”。

基于圖像復(fù)原的方法主要有以下幾類(lèi)：濾波方法、最大熵方法與圖像退化函數(shù)估計(jì)法等。濾波方法如卡爾曼濾波方法，整體而言計(jì)算量較大。最大熵法能獲得較高的分辨率但是其非線性、計(jì)算量大、數(shù)值求解困難。圖像退化函數(shù)估計(jì)法大多依據(jù)一定的物理模型（如大氣散射模型與偏振特性的透霧模型）來(lái)設(shè)計(jì)，需要在不同的時(shí)間點(diǎn)采集多幅圖像作為參考圖像，以便確定物理模型中的多個(gè)參數(shù)，而最終求解得到無(wú)霧狀態(tài)下的結(jié)果圖像。

圖3 基于圖像增強(qiáng)透霧和基于圖像復(fù)原透霧效果差異

透霧算法也是當(dāng)前安防行業(yè)有實(shí)力的廠家透霧產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。以海康威視為例，在充分分析透霧理論的優(yōu)勢(shì)與不足，并進(jìn)行深入的研究探索后，?？低暯Y(jié)合安防監(jiān)控領(lǐng)域的視頻圖像透霧的特殊要求，開(kāi)發(fā)了一種實(shí)時(shí)視頻透霧技術(shù)。該技術(shù)基于大氣光學(xué)原理，區(qū)分圖像不同區(qū)域景深與霧濃度進(jìn)行濾波處理，獲得準(zhǔn)確、自然的透霧圖像，稱(chēng)之為“SSD算法透霧”。

算法已定，透霧效果如何？

前面我們有提到透霧發(fā)展的第三個(gè)階段“光學(xué)+算法透霧”，在黑白成像的光學(xué)透霧的基礎(chǔ)上增加各家的透霧算法，精益求精。這種技術(shù)對(duì)于安防廠家的要求非常高，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)，就需要通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)論證，從多種方案中選擇出最合適的濾光片，鏡頭，傳感器和特定的透霧算法組合，在保證了透霧效果的同時(shí)，需要避免出現(xiàn)圖像噪聲過(guò)大，清晰度下降的情況，從而得到一種震撼的透霧效果。

圖4 光學(xué)+算法透霧原理示意圖

?？低曌灾餮邪l(fā)第三代“光學(xué)+算法透霧”技術(shù)——超級(jí)透霧，業(yè)界首創(chuàng)集成光學(xué)透霧、SSD透霧算法、自適應(yīng)感應(yīng)算法三位一體技術(shù)。自適應(yīng)透霧算法可根據(jù)圖像灰白程度智能判斷霧霾濃度，在不同的透霧模式下可自動(dòng)調(diào)節(jié)透霧等級(jí)：當(dāng)淺霧時(shí)開(kāi)啟SSD算法透霧模式，根據(jù)霧的濃度，自動(dòng)調(diào)節(jié)透霧程度，提升透霧效果，圖像彩色；當(dāng)濃霧時(shí)開(kāi)啟超級(jí)透霧模式，根據(jù)霧的濃度，自動(dòng)調(diào)節(jié)透霧程度，增強(qiáng)透霧效果，圖像黑白。

超級(jí)透霧可用于多種戶外需要預(yù)防濃霧的場(chǎng)合，如高速公路、鐵路、航運(yùn)、機(jī)場(chǎng)跑道等重要或事故易發(fā)區(qū)段；發(fā)電廠與電力傳輸設(shè)備、通訊基站等重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域；河道、港口、邊境、海事監(jiān)控、森林防火等觀察距離較長(zhǎng)的監(jiān)控應(yīng)用；中小學(xué)校園、城市廣場(chǎng)、旅游景區(qū)等。從應(yīng)用的行業(yè)來(lái)看，包括交通、公安、航空、通訊、環(huán)保、水利、農(nóng)林牧漁，以及邊防等。

結(jié)束語(yǔ)

透霧技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，經(jīng)歷了多個(gè)階段，形成了以彩色透霧和黑白透霧兩種不同的需求方向。彩色透霧，以當(dāng)下各大安防廠家競(jìng)爭(zhēng)的“透霧算法”為核心關(guān)鍵；黑白透霧，則是以“光學(xué)透霧”為基礎(chǔ)和典型代表，可增加透霧算法來(lái)達(dá)到更好的透霧效果。為追求更好的透霧效果，最典型的做法是“光學(xué)+算法透霧”，在濃霧下依舊清晰成像。透霧技術(shù)的發(fā)展也一直伴隨著透霧算法的進(jìn)步，可以說(shuō)，安防廠家誰(shuí)掌握了透霧的核心算法，誰(shuí)就掌握了“霧霾天”下的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

三問(wèn)三答，選好透霧，助你解決“霧里看花”，看清世界的本質(zhì)。