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2015年3月初,央视原著名节目主持人柴静的纪录片《穹顶之下》一夜之间在各大网站转载,对抗雾霾似乎成了一场全民对抗的战争,而雾霾一词再次成了各大新闻媒体的头条。记得2013 年,“雾霾”成为年度关键词。这一年的1 月,4 次雾霾过程笼罩30个省(区、市),在北京,仅有5 天不是雾霾天。
雾霾天气中如何能通过视频监控仍然能得到清晰的监控画面,这对于安防厂商来说是一个考验,然而人类从来不缺乏对抗恶劣天气的智慧,透雾方案由来已久。早期在森林、港口、码头等区域,在清晨或傍晚容易形成雾气,普通摄像机一般都配有专门的透雾镜头来实现透雾,这种方案已经比较成熟,但并未在如今的雾霾环境中得到大范围应用,主要原因是镜头的高成本让很多用户望而却步;而现在的透雾摄像机,自身集成透雾功能,即使是在雾霾天气中,不需要其他设备配合,依然能够穿透雾霾干扰,让摄像机获得良好的监控效果,不会影响监控距离和图像清晰度,所以其应用领域越来越广。一般而言,透雾摄像机采用的技术分为电子透雾(亦称数字透雾)和光学透雾(亦称物理透雾)两种。
电子透雾是基于人类视觉感知模型设计的后端图像复原技术,通过ISP 算法来修复画面、消除雾感,达到画面更通透的视觉效果;光学透雾利用近红外光成像,由于近红外光波长较长,在传播时受大气粒子干扰较小,能穿透雾霾,从而呈现清晰的图像细节。
那么电子透雾和光学透雾这两者之间又有什么区别,各有什么优劣势呢?
电子透雾采用的是可见光成像,并通过ISP 算法来修复画面,目前ISP 算法主要分为两大类:图像增强透雾技术和图像复原透雾技术。图像增强透雾技术不考虑图像降质原因,适用范围广,能有效地提高雾天图像的对比度,改善图像的视觉效果,但会产生更多的噪声,甚至造成更多图像细节的损失。图像复原透雾技术是研究雾天图像降质的物理过程,并建立退化模型,反演退化过程,补偿退化过程造成的失真,以便获得原始图像的最优估计值,从而改善图像质量,这种方法针对性强,得到的去雾效果自然,处理的关键点及难点是模型中参数的估计。
从电子透雾的算法解释中可以看出其优势在于:1、画面色彩得以保留,2、不会增加额外硬件成本。但电子透雾的劣势也很明显,首先由于可见光穿透能力弱,在遇到水汽、灰尘阻隔时会造成较大的散射,导致部分信息丢失,此时即使通过算法修复画面、消除雾感,也无法对丢失的信息“从无到有”进行恢复;此外,电子透雾基于不同的算法透雾效果各有不同,简单的算法在图像还原效果上有局限性,而复杂的算法对硬件性能提出了更高的要求,而且就目前的图像还原技术整体水平而言,电子透雾只能应用在一般的雾气环境中,一旦雾霾浓度提升,电子透雾的效果就会大大降低。
自然光由波长不同的光波组合而成,人眼可见范围大致为390nm-780nm,称为可见光,而波长小于390nm 的叫做紫外光,波长大于780nm 的叫做红外光。不同波段的光因为波长的不同具有不同的特性,一般红外光由于拥有较长的波长,在传播时受大气粒子干扰影响较小,可穿透一定浓度的雾霾烟尘,摄像机可以利用这部分光线来实现穿透雾霾的监控。这就是光学透雾的原理。
从原理可知光学透雾的优势在于红外光穿透能力强,不会损失监控主体的细节,图像更清晰。但其劣势也存在:1、由于红外光没有对应的可见光色彩图,所以在监视器上呈现的图像为黑白颜色,所以不适用于必须需要彩色图像的场所;2、光学透雾的重点在于截取近红外光成像,而这部分工作大都由镜头完成,而透雾镜头价格昂贵,过高的成本大大限制了光学透雾在实际项目中的大规模应用。
为解决普通透雾技术的不足,宇视通过对各种波段光线透雾性能的细致研究,并分析在不同浓度雾霾下测试采集的大量试验数据,最终结合监控透雾应用需求,宇视全新研制出内置光学透雾+ 电子透雾的双透雾功能网络摄像机HIC5600 系列。
在近距离或一般雾气环境中,该系列摄像机通过开启电子透雾消除雾感,获得清晰、通透的彩色图像;一旦雾霾影响严重时,开启光学透雾,即使只配备了普通镜头,依然能实现清晰的光学透雾效果,不会丢失任何细节,并且由于内置光学透雾组件,相较于传统的光学透雾镜头方案大大降低了成本,可以在平安城市等行业中大规模推广应用。由于可见光和红外光聚焦面不一致,所以该系列透雾摄像机还内置了自动后焦(ABF)装置,在模式切换后自动触发,以获得最为清晰的图像。
在实际应用中,电子透雾作为一种ISP 图像还原技术,其致命缺陷在于雾霾严重时无法还原丢失的信息,这是其成像原理决定的,即使图像还原算法再先进,也无法改善。而光学透雾一直以来在森林防火、海事、边防中有应用,具有较长的实际应用历史,其效果得到用户的认可,只是受限于高昂的成本而无法在其他通用行业中大规模推广,随着新技术的产生,成本问题得到解决,相信其在各行业中的应用前景将会越来越大。
以城市监控为例,城市中雾霾越来越严重,对监控的考验也越来越大。一般路面上布设的治安监控摄像机安装高度为5-20米左右,一般需要覆盖30-100 米左右距离,而城市中还有一类制高点监控摄像机,安装在距离地面50 ~ 100 米,乃至100 米以上的位置,利用其足够的高度,避免周边建筑物的遮挡,实现方圆一公里到十几公里范围的视频图像监控,这一类摄像机往往由于雾霾干扰而大大降低覆盖范围,所以需要光学透雾技术支持。
而提升光学透雾效果除了摄像机自身图像处理能力的进一步提升,镜头、视窗等配套成像系统也应该对红外光具有更高的透过率,因此配套系统的完善乃至sensor 的进一步升级是光学透雾未来努力的方向。