淺談透霧技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用

文/陳乾

透霧監(jiān)控需求最早出現(xiàn)在海事、邊防等國(guó)防領(lǐng)域，而最早的透霧技術(shù)也是基于光學(xué)鏡頭實(shí)現(xiàn)的，也就是所謂的光學(xué)透霧。近幾年，隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)圖像進(jìn)行去霧處理已成為可能，透霧技術(shù)的應(yīng)用也逐漸在民用監(jiān)控領(lǐng)域普及。

概況

在霧霾天氣條件下，大氣中懸浮著大量的粒子，會(huì)對(duì)光線產(chǎn)生較強(qiáng)的散射作用。霧霾對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要影響有以下幾個(gè)方面：

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；

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；部分大氣粒子的粒徑較大，在成像過(guò)程中成為噪聲；

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。

霧霾天氣使監(jiān)控圖像色彩黯淡、對(duì)比度降低、細(xì)節(jié)缺失，大大降低了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)用性。

透霧技術(shù)分為光學(xué)透霧與數(shù)字透霧兩種，根據(jù)原理的不同兩者各具優(yōu)勢(shì)。光學(xué)透霧是利用近紅外光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，受霧氣干擾更小的原理來(lái)獲得比自然光下更清晰的圖像，需要鏡頭和攝像機(jī)同步實(shí)現(xiàn)，攝取的畫(huà)面是黑白的；而數(shù)字透霧是基于圖像復(fù)原或圖像增強(qiáng)的后端處理技術(shù)。

光學(xué)透霧

光學(xué)透霧是最早應(yīng)對(duì)超長(zhǎng)距離監(jiān)控下透霧需求的一種技術(shù)手段，它利用近紅外光波長(zhǎng)較長(zhǎng)，在傳播時(shí)受大氣粒子干擾較小這一原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。光學(xué)透霧由鏡頭實(shí)現(xiàn)，由于采用近紅外波段成像，因此成像畫(huà)面是黑白圖像。

相比普通鏡頭，透霧鏡頭需要通過(guò)特殊鍍膜來(lái)提高對(duì)近紅外光波段的透過(guò)率。

透霧鏡頭還需要確保近紅外光成像與自然光成像能夠聚焦在同一平面上，否則在模式切換時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛焦現(xiàn)象；另外，光學(xué)透霧還需要攝像機(jī)的配合，宇視網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)專為配合光學(xué)透霧設(shè)置了功能項(xiàng)：

當(dāng)開(kāi)啟透霧后，攝像機(jī)會(huì)自動(dòng)切換到黑白模式，并通過(guò)開(kāi)關(guān)量控制鏡頭同步切換到透霧模式。

光學(xué)透霧應(yīng)用主要集中在大變倍鏡頭上（焦距在100mm以上），價(jià)格昂貴，通常應(yīng)用于邊防、海事、森林防火。

數(shù)字透霧

數(shù)字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)，目前對(duì)于霧天圖像的處理方法主要分為兩類：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)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，突出圖像的細(xì)節(jié)，改善圖像的視覺(jué)效果，但會(huì)造成部分圖像細(xì)節(jié)的損失。圖像復(fù)原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，以便獲得未經(jīng)干擾的無(wú)霧圖像或無(wú)霧圖像的最優(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，一般不會(huì)有信息損失，處理的關(guān)鍵點(diǎn)是模型中參數(shù)的估計(jì)。

圖像增強(qiáng)透霧技術(shù)

目前通過(guò)增強(qiáng)的方式來(lái)進(jìn)行透霧處理典型的方法有全局化增強(qiáng)和局部化增強(qiáng)兩種。

全局化增強(qiáng)又包含直方圖均衡化方法、濾波和基于大氣調(diào)制傳遞函數(shù)方法； 直方圖均衡化方法的實(shí)現(xiàn)原理是對(duì)有霧圖像的直方圖進(jìn)行變換，拉伸了灰度值的動(dòng)態(tài)范圍，從而達(dá)到增強(qiáng)霧天圖像對(duì)比度的效果；濾波算法則是一種把頻率過(guò)濾和灰度變換相結(jié)合的圖像增強(qiáng)處理技術(shù)，利用壓縮亮度范圍和增強(qiáng)對(duì)比度來(lái)改善圖像質(zhì)量，能獲得較好的透霧效果，但計(jì)算量大、資源消耗多，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求較高的監(jiān)控領(lǐng)域；而基于大氣調(diào)制傳遞函數(shù)增強(qiáng)透霧圖像的原理是通過(guò)對(duì)函數(shù)的預(yù)測(cè)，近似估計(jì)大氣對(duì)圖像質(zhì)量的退化過(guò)程。該方法需要得到先驗(yàn)信息，因此無(wú)法付諸應(yīng)用。

局部化增強(qiáng)包含局部直方圖均衡化、局部對(duì)比度增強(qiáng)和基于局部方差方法。局部直方圖均衡化方法是通過(guò)局部運(yùn)算的疊加自適應(yīng)地增強(qiáng)圖像局部信息；局部對(duì)比度增強(qiáng)則通過(guò)常數(shù)增益或飽和度反饋算法等實(shí)現(xiàn)對(duì)飽和度的還原；基于局部方差方法則通過(guò)計(jì)算并比較局部標(biāo)準(zhǔn)方差的大小來(lái)判斷局部圖像的增強(qiáng)程度，然后以灰度均值為基準(zhǔn)進(jìn)行局部灰度拉伸。

全局和局部圖像增強(qiáng)算法因?qū)崿F(xiàn)策略不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)。全局算法以整幅畫(huà)面的均值作為評(píng)估對(duì)象，運(yùn)算量小，但算法忽略了霧的濃度會(huì)隨景深的增大而不斷加深的事實(shí)，容易出現(xiàn)后景處理不足或前景過(guò)處理等現(xiàn)象，如果畫(huà)面景深較小，則不失為一種有效的處理方法；而局部算法則考慮到畫(huà)面不同區(qū)域霧的濃度不一，從而采取分塊處理的方式，透霧效果較好，能有效增強(qiáng)畫(huà)面局部細(xì)節(jié)，適用于景深多變的場(chǎng)景，但算法在分塊評(píng)估時(shí)會(huì)引入塊狀效應(yīng)，且存在計(jì)算量大、畫(huà)面噪聲容易被放大，以及景深信息難以準(zhǔn)確評(píng)估等缺陷。

圖像復(fù)原透霧技術(shù)

基于圖像復(fù)原的方法則通過(guò)多幅圖像比較（不同天氣條件下的多幅圖像，或多幅偏振圖像）、先驗(yàn)信息、用戶交互或假設(shè)模型等獲得圖像的退化函數(shù)，以此還原出清晰圖像?；谶@些物理模型的方法可以獲得相對(duì)準(zhǔn)確的景深信息，并最大限度地恢復(fù)清晰圖像，但難以滿足在場(chǎng)景多變、實(shí)時(shí)性要求高的監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用。

宇視數(shù)字透霧技術(shù)

近年來(lái)，安防廠商陸續(xù)提出基于圖像增強(qiáng)的透霧技術(shù)，大部分采用全局直方圖均衡化的方法，該算法簡(jiǎn)單，具有一定的視覺(jué)效果；也有些廠商在此基礎(chǔ)上提出對(duì)不同景深進(jìn)行區(qū)域?yàn)V波的方法，但是這種方案需要對(duì)霧氣濃度和景深進(jìn)行估計(jì)，算法過(guò)于復(fù)雜，且透霧圖像存在噪聲和塊狀效應(yīng)，實(shí)際效果并不理想。

宇視結(jié)合圖像增強(qiáng)和圖像還原技術(shù)，充分發(fā)揮全局算法和局部算法的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)局部算法作了裁剪和優(yōu)化，使圖像還原和噪聲抑制達(dá)到平衡，在保證透霧圖像細(xì)節(jié)得到增強(qiáng)和還原的同時(shí)，有效抑制傳統(tǒng)算法引入的畫(huà)面噪聲和塊狀效應(yīng)。

如下圖所示，霧霾天氣下，近景霧化現(xiàn)象較輕，隨著景深的加大霧化現(xiàn)象逐漸加深。傳統(tǒng)透霧算法還原的圖像中，對(duì)近景的處理效果較好，但遠(yuǎn)處景物的去霧效果明顯不足，且顏色還原度較低。宇視透霧圖像不僅將近景、遠(yuǎn)景同步還原，而且能夠還原畫(huà)面的色度，提升畫(huà)面通透性。

結(jié)束語(yǔ)

隨著透霧技術(shù)的不斷發(fā)展，透霧應(yīng)用也從原先的國(guó)防、海事等專業(yè)領(lǐng)域，逐漸向水利、公路以及城市監(jiān)控民用領(lǐng)域滲透。

在技術(shù)方案的選擇上，光學(xué)透霧作為唯一無(wú)損的透霧技術(shù)方案，主要集成在大變倍鏡頭上，整體價(jià)格昂貴，目前主要應(yīng)用于國(guó)防、海事、森林防火、水利、高速公路、大型橋梁等專業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域；而數(shù)字透霧作為一種基于后端還原的圖像處理技術(shù)，以其低成本、易部署等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于城市監(jiān)控中。