不再畏懼PM2.5 評實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控透霧技術(shù)

標(biāo)簽：視頻透霧 安防監(jiān)控

霧氣對視頻監(jiān)控的影響

最近PM2.5這一氣象領(lǐng)域?qū)I(yè)詞匯成為社會關(guān)注的流行話題。空氣中的液滴和固體小顆粒不僅危害人體健康，引起霧霾而導(dǎo)致交通事故頻發(fā)，同時(shí)也使戶外監(jiān)控視頻質(zhì)量明顯降低。在霧霾天氣下，圖像色彩黯淡、對比度變低，一些重要目標(biāo)的細(xì)節(jié)更是淹沒在霧氣中難以被察覺，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)用性受到很大影響。

因此，去除視頻中的霧氣，進(jìn)而改善圖像質(zhì)量，成為提升戶外視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值越發(fā)重要的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

一、霧氣對視頻監(jiān)控的影響

一般認(rèn)為，大氣介質(zhì)主要由空氣分子、水汽和氣溶膠組成。氣溶膠是懸浮在氣體中的小粒子構(gòu)成的彌散系。某些粒子具有高吸濕性，起到水汽凝結(jié)中心的作用，其大小與環(huán)境相對濕度、水汽供應(yīng)和由碰撞而發(fā)生凝聚的程度有關(guān)。由于大氣中各種顆粒的大小、類型以及聚集程度的不同產(chǎn)生晴(Clearness)、霾(Haze)，霧(Fog)，云(Cloud)、雨(Rain)等各種天氣。

在晴朗的天氣條件下，從物體表面反射的光線基本不會受大氣中各種成分的影響發(fā)生散射、吸收、反射等現(xiàn)象，能夠直接到達(dá)成像設(shè)備，獲得清晰無霧圖像。

在有霧天氣下，從物體表面反射的光線在到達(dá)成像設(shè)備的過程中會受到空氣中懸浮顆粒的影響。氣溶膠粒子是霧霾形成的主要因素，也是圖像質(zhì)量產(chǎn)生退化的根本原因，其影響主要有以下幾個(gè)方面：

(1)氣溶膠粒子對光線有散射作用，散射損失使“透射光”強(qiáng)度衰減，造成了圖像的對比度下降。

(2)由于氣溶膠粒子的非均勻性，使球面波畸變成非球面波，導(dǎo)致圖像變模糊，邊緣和細(xì)節(jié)降低。

(3)氣溶膠粒子的粒徑較大，粒子的自身成像不容忽視，可以近似理解成“噪聲”。

(4)氣溶膠粒子對成像光線的散射部分會因?yàn)槎啻紊⑸涞淖饔茫驮械那跋蛏⑸洳糠织B加在一起成像，產(chǎn)生一定的模糊。

二、實(shí)時(shí)視頻透霧技術(shù)與其他透霧技術(shù)的比較分析

目前已知的透霧算法大致可以分為兩大類： 一種是非模型的圖像增強(qiáng)方法，通過增強(qiáng)圖像的對比度，滿足主觀視覺的要求來達(dá)到清晰化的目的;另一種是基于模型的圖像復(fù)原方法，它考查圖像退化的原因，將退化過程進(jìn)行建模，采用逆向處理，以最終解決圖像的復(fù)原問題。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)透霧技術(shù)公式

目前通過增強(qiáng)的方式來進(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題。濾波變換的透霧算法，通過局部處理能獲得相對較好的處理結(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?；谀：壿嫷姆椒ㄍ胳F的效果不夠理想。

基于增強(qiáng)的方法能在一定程度上提高圖像對比度，并通過增強(qiáng)感興趣區(qū)域來提升可識別度。但該方法未能從圖像退化過程的原因入手來進(jìn)行補(bǔ)償，因此它只能改善視覺效果而不能獲得很好的透霧效果。

目前基于圖像復(fù)原的方法主要有以下幾類：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)，而最終求解得到無霧狀態(tài)下的結(jié)果圖像。這一點(diǎn)限制了此類方法在實(shí)時(shí)監(jiān)控中的應(yīng)用。

安防產(chǎn)品現(xiàn)已應(yīng)用于各種復(fù)雜場景、惡劣天氣，全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控對產(chǎn)品的便攜性與功耗、處理效果、處理的自適應(yīng)性等方面都提出了較為苛刻的要求。良好的視頻透霧技術(shù)應(yīng)當(dāng)在大氣透射模型的基礎(chǔ)上融合圖像增強(qiáng)與圖像復(fù)原的技術(shù)優(yōu)勢，從而能夠獲得較為理想的圖像效果并被實(shí)際工程化引用。

在圖像處理中，一般用下述模型來表達(dá)所看到的有霧圖像：

I(X)=J(X)t(x)+A(1-t(x))

I代表所看到的圖像強(qiáng)度，J是景物光線強(qiáng)度，A是大氣光成分，t是用來描述光線通過媒介時(shí)沒有被散射掉的那部分。透霧的目標(biāo)就是從I中恢復(fù)出J、A、t，J即對應(yīng)于透霧后的結(jié)果圖像。其中， J(X)t(x)稱為直接衰減項(xiàng)，代表的是景物光線在媒介中經(jīng)過衰減后的部分， A(1-t(x)為大氣光成分，由前方散射引起。

在充分分析透霧理論的優(yōu)勢與不足，并進(jìn)行深入的研究探索后，海康威視(002415,股吧)結(jié)合安防監(jiān)控領(lǐng)域的視頻圖像透霧的特殊要求，開發(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。

該實(shí)時(shí)視頻透霧技術(shù)能夠根據(jù)霧況的變化自動調(diào)整從而適應(yīng)各種場景應(yīng)用，避免出現(xiàn)近景透霧過度發(fā)黑而遠(yuǎn)景模糊的情況;同時(shí)兼顧了實(shí)現(xiàn)的效率與復(fù)雜度，保證了整個(gè)透霧的實(shí)時(shí)性與可工程化。

傳統(tǒng)去霧方法與實(shí)時(shí)透霧對比

同時(shí)，這項(xiàng)實(shí)時(shí)視頻透霧技術(shù)不但可以有效去除霧氣帶來的影響，而且能夠避免對某些場景的過渡處理導(dǎo)致的色彩誤差，以及霧氣過度去除帶來的不真實(shí)感。如圖2-1，其中a是包含薄霧的圖像，b是傳統(tǒng)透霧方法的效果，c則是實(shí)時(shí)透霧技術(shù)處理后的效果?？梢钥吹剑捎陟F氣本身不厚，傳統(tǒng)透霧方法b中由于缺乏自適應(yīng)能力，紅框內(nèi)出現(xiàn)了發(fā)黑及色彩失真現(xiàn)象，c中的紅框內(nèi)圖像效果則自然真實(shí)。

基于傳統(tǒng)去霧方法與實(shí)時(shí)透霧技術(shù)效果對比(左至右 a到c)

實(shí)時(shí)視頻透霧技術(shù)與其它透霧方法相比的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1)透霧能力強(qiáng)。實(shí)時(shí)視頻透霧技術(shù)能夠根據(jù)不同的景深準(zhǔn)確的去除相應(yīng)程度的霧氣。傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)的方法可能出現(xiàn)近景透霧效果較好而遠(yuǎn)景則仍然殘余了很多朦朧霧氣的問題;而基于圖像復(fù)原方法的透霧效果與選擇成分的準(zhǔn)確性有關(guān)，成分選擇準(zhǔn)確則透霧處理效果較好，如成分選擇不準(zhǔn)確則可能出現(xiàn)很糟糕的結(jié)果，因此該方法的透霧算法性能不夠穩(wěn)定。