話題大家談：如何應(yīng)對圖像的二次處理

　　程敏 浙江大華技術(shù)股份有限公司光學(xué)圖像部研發(fā)經(jīng)理

　　程瑋 海康威視技術(shù)支持部產(chǎn)品經(jīng)理

　　李偉偉 蘇州科達(dá)科技股份有限公司市場部產(chǎn)品經(jīng)理

　　1、光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)一般包含那些主要技術(shù)，其技術(shù)原理是什么?

　　程敏：從感知層面來看，光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)主要包括光學(xué)技術(shù)和圖像處理技術(shù)兩方面，光學(xué)技術(shù)主要表現(xiàn)在鏡頭光圈的自動控制、濾光片的自動切換、以及補(bǔ)光燈的使用上，鏡頭光圈的自動控制是指通過自動調(diào)整鏡頭光圈大小來改變整體通光量的大小從而使得攝像機(jī)感知到合適的亮度的一種技術(shù)，濾光片自動切換是指通過改變各種波長的光的透過率從而可選擇性的消除有害光線的一種技術(shù)，補(bǔ)光燈主要是針對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)光，可以使重點區(qū)域的亮度得以提升;圖像處理技術(shù)包括寬動態(tài)、背光補(bǔ)償、強(qiáng)光抑制、3D數(shù)字降噪等技術(shù)，寬動態(tài)技術(shù)通過采用多次曝光技術(shù)，經(jīng)過重新映射處理，獲取比普通相機(jī)更大動態(tài)范圍的圖像，從而解決一般攝像機(jī)存在的明亮區(qū)域曝光過度，而黑暗區(qū)域曝光不足的問題;背光補(bǔ)償也稱作逆光補(bǔ)償，它可以有效補(bǔ)償攝像機(jī)在逆光環(huán)境下拍攝時主體區(qū)域黑暗的缺陷，從而提升主體區(qū)域的亮度和圖像細(xì)節(jié);強(qiáng)光抑制技術(shù)是指在低照度環(huán)境下，遇到背景光極其強(qiáng)烈時采用的一種對強(qiáng)光源進(jìn)行抑制，突出強(qiáng)光源前的主體物，從而提升過曝區(qū)域的圖像細(xì)節(jié)、保留暗區(qū)圖像細(xì)節(jié)的技術(shù);背光補(bǔ)償和強(qiáng)光抑制都可以看成是寬動態(tài)技術(shù)在某些特定場景下為達(dá)到特定目的的一種圖像處理技術(shù);3D數(shù)字降噪主要應(yīng)用于低照環(huán)境下，運(yùn)用視頻圖像在時域和空域的相關(guān)性和稀疏性來抑制視頻圖像的噪聲，從而達(dá)到提升視頻圖像信噪比的目的。

　　2、 光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)主要應(yīng)用在哪些場景?

　　程瑋：寬動態(tài)和背光補(bǔ)償都適用在逆光環(huán)境下，可以解決逆光處前景較暗的問題。寬動態(tài)一般通過硬件來實現(xiàn)，將多次曝光后的圖像疊加后得到前景明亮、后景清晰的圖像;而背光補(bǔ)償主要通過算法來實現(xiàn)整體畫面亮度的提升，從而提升前景亮度，但往往會造成原本已經(jīng)夠亮的背景過曝。

　　低照度和紅外都適用于光線條件不好的環(huán)境下，低照度主要是通過使用高感光度的圖像傳感器、鏡頭或者提高增益等方式來呈現(xiàn)比較明亮的圖像，不過其要求環(huán)境不能完全無光，否則也無法感光;紅外主要用在環(huán)境完全無光或光線極弱的條件下，可以通過自帶的紅外燈發(fā)出紅外光來照亮物體，從而實現(xiàn)補(bǔ)光。

　　強(qiáng)光抑制主要用于監(jiān)控夜間行駛車輛前車牌，通過抑制車燈亮度來實現(xiàn)看清車牌的目的，但近年來這項功能已逐步被抑制車燈效果更好的寬動態(tài)所替代，所以市場上強(qiáng)光抑制的設(shè)備也越來越少見了。

　　3、 光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀是怎樣的?

　　程敏：光學(xué)器件從最初的一種規(guī)格打天下發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)能應(yīng)對更復(fù)雜的環(huán)境、更多樣化的需求，在適應(yīng)能力提高的同時，也實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)化和集成化，使設(shè)備的性價比更高。例如早期的光學(xué)鏡頭只能手動調(diào)節(jié)光圈大小，后來有了DC光圈和Hall反饋型光圈鏡頭，最近又出現(xiàn)了P-iris鏡頭，結(jié)合了Hall反饋型光圈功能上的優(yōu)點和DC光圈成本上的優(yōu)點;濾光片的種類也在不斷推陳出新，根據(jù)不同的應(yīng)用場景和不同的傳感器特性，有針對性的推出去摩爾紋、去紫邊、去紅燈光暈、抑制局部區(qū)域過曝等等特性的濾光片。圖像處理技術(shù)早期出現(xiàn)的是簡單的背光補(bǔ)償技術(shù)以及空域降噪技術(shù)，后期隨著Sensor的工藝水平和ISP處理芯片性能的提升開發(fā)了寬動態(tài)技術(shù)，之后隨著對低照度場景監(jiān)控的需求提出了強(qiáng)光抑制技術(shù)和3D數(shù)字降噪技術(shù)。

　　4、 模擬時代和網(wǎng)絡(luò)時代的光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)有什么不同?

　　程敏：早期的模擬攝像機(jī)解決的是“看得見”的問題，從模擬攝像機(jī)發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)，人們的思想觀念逐漸從“看得見”轉(zhuǎn)換到了“看得清”，網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)對整體清晰度和細(xì)節(jié)還原的要求更高，應(yīng)用場景也更豐富多變，這就要求設(shè)備有極高的適應(yīng)能力，可以說在網(wǎng)絡(luò)高清時代，光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)的要求更多樣化、手段方法更豐富、技術(shù)難度也更高。

　　程瑋：現(xiàn)在的監(jiān)控以網(wǎng)絡(luò)為主，網(wǎng)絡(luò)高清產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度也更快，而基于網(wǎng)絡(luò)高清產(chǎn)品的光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)的發(fā)展也比模擬時代更快速，效果也更好。

　　5、 光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)現(xiàn)在發(fā)展是否已經(jīng)成熟?

　　程敏：技術(shù)始終在進(jìn)步，應(yīng)用需求也一直在跟著變動，所以光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)還有很大的提升空間。

　　6、 各公司產(chǎn)品光環(huán)境應(yīng)對在測試中實際效果差別很大，您認(rèn)為有哪些主要因素?

　　程敏：目前，各廠家的光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)都是以自主研發(fā)為主，因此所采用的技術(shù)也不盡相同。例如在光學(xué)方案及器件的選用上差別就比較大，一是所用鏡頭不同，在光圈大小與控制、強(qiáng)光控制等方面上差異比較大，二是其它光學(xué)器件比如濾光片的效果存在差異，三是在照明補(bǔ)光方面也有差異。除此之外，在圖像處理算法上，各廠商紛紛提出了自己的解決方案，這里也是專利產(chǎn)生數(shù)量最多的一塊。這就導(dǎo)致了各產(chǎn)品在光環(huán)境的應(yīng)對測試中實際效果差別較大。

　　李偉偉：比如寬動態(tài)：分為數(shù)字寬動態(tài)、2幀合一、3幀合一、4幀合一寬動態(tài)技術(shù)，不同的技術(shù)其效果也不盡相同，即使采用相同的技術(shù)，不同場景的處理方法上也有差異，因此造成一些差別。

　　另外，自適應(yīng)性也非常重要，有些場景下光線呈現(xiàn)并非全天候一個狀態(tài)，因此需要攝像機(jī)具備良好的智能檢測技術(shù)，可以做大自適應(yīng)啟動寬動態(tài)、強(qiáng)光抑制等功能，達(dá)到全天候最佳效果

　　7、 芯片、傳感器、鏡頭等硬件對光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)有哪些影響?

　　程瑋：芯片平臺決定了攝像機(jī)的性能、圖像處理能力、處理運(yùn)算速度等;傳感器決定了攝像機(jī)感應(yīng)光能力的強(qiáng)弱，好的傳感器靈敏度高，感光性能好;鏡頭決定了進(jìn)光量、通透性等因素。

　　8、近期SVAC、H.265等新標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用、4K等新技術(shù)的發(fā)展對光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)有哪些影響?

　　程敏：近期，H.265、SVAC、4K等新標(biāo)準(zhǔn)、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，對圖像的分辨率提出了更高的要求，分辨率更高的高清鏡頭隨之而來，圖像處理的數(shù)據(jù)量大大增加，這對寬動態(tài)和3D數(shù)字降噪技術(shù)的處理性能提出了更大的挑戰(zhàn)，急需要研發(fā)出在處理效果和性能兩方面都滿足要求的新技術(shù)。

　　程瑋：H.265、4K等技術(shù)和光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)是相互促進(jìn)的關(guān)系，未來的發(fā)展趨勢一定是朝著更高清的方向去發(fā)展，圍繞著超高清攝像機(jī)相應(yīng)的編碼效率、圖像效果都需要得到提升。

　　9、光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)的提升空間在哪里?

　　程敏：從光學(xué)上來看，當(dāng)前主要是全局處理，調(diào)節(jié)的是整體亮度，而實際需求往往是只需要降低局部小區(qū)域內(nèi)的亮度即可，因此需要研發(fā)出具有局域特性的光學(xué)器件;從圖像處理的角度來看，提升寬動態(tài)技術(shù)的自適應(yīng)能力，解決多次曝光合成的寬動態(tài)效果中的運(yùn)動區(qū)域補(bǔ)償問題，以及進(jìn)一步提升傳感器的信噪比，有效區(qū)分運(yùn)動和靜止區(qū)域噪聲等等都是目前正在研究的課題。另外，以道路監(jiān)控為例，夜間爆閃燈的光污染是很嚴(yán)重的，未來如果在此方面進(jìn)行變革，那設(shè)備應(yīng)對低照環(huán)境的能力就要有很大的提升。

　　10、該技術(shù)在實用中經(jīng)常遇見的問題有哪些?該如何避免這些問題?

　　程敏：實際應(yīng)用中經(jīng)常會遇到一些光線條件很極端的場景，比如晨昏時分太陽接近地平線，強(qiáng)烈的陽光直射到鏡頭內(nèi)導(dǎo)致畫面上半部分過曝和嚴(yán)重的雜光，此時單靠設(shè)備本身是調(diào)整不過來的，這種情況需要通過對現(xiàn)場環(huán)境的觀察選擇合適的安裝位置、調(diào)整設(shè)備的方位角、利用護(hù)罩的遮光作用等方法把強(qiáng)光源的干擾給排除掉。

　　11、具備光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)的產(chǎn)品在選型時，有哪些注意事項?

　　程瑋：星光級超低照度攝像機(jī)是目前低照度領(lǐng)域夜晚監(jiān)控效果最好的一類攝像機(jī)，因其出色的夜晚成像效果，廣泛應(yīng)用于平安城市、平安鄉(xiāng)鎮(zhèn)、交通、金融、高檔樓宇、住宅小區(qū)、校園、港口、高速公路、街道等對攝像機(jī)性能要求比較高但又不宜外加補(bǔ)光設(shè)備的環(huán)境下。例如夜晚道路監(jiān)控行駛車輛前車牌的場景，有些城市居民會覺得加了補(bǔ)光燈后造成光污染，比較排斥補(bǔ)光設(shè)備，而紅外攝像機(jī)照射車牌后，車牌的特殊材質(zhì)會導(dǎo)致反光，從而看不清車牌細(xì)節(jié)，所以如果要看清車牌并不適合用紅外攝像機(jī)，星光級超低照度攝像機(jī)一出現(xiàn)，就立刻成為平安城市道路監(jiān)控炙手可熱的機(jī)型，只需要利用一些微弱的路燈或環(huán)境光來進(jìn)行補(bǔ)光就可以呈現(xiàn)明亮的圖像，達(dá)到看清車牌的目的。

　　當(dāng)環(huán)境光暗到一定程度時，紅外攝像機(jī)會自動開啟自帶的紅外燈，主動發(fā)射紅外光，照亮監(jiān)控目標(biāo)，再通過采集場景中原有的光線及反射回來的紅外光，從而生成圖像，是一種主動式紅外。這時我們所看到的是由紅外線反射所成的影像，而不是可見光反射所成的影像，這樣就可以拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的物體，也就是人們常說的可以達(dá)到0lux。但是，如果是比較空曠的環(huán)境，紅外燈沒有可反射的物體，這樣在圖像的顯示效果就不會很好了。對紅外攝像機(jī)來說，紅外燈的壽命是用戶普遍比較關(guān)注的問題，而溫度過高是導(dǎo)致紅外燈失效的主要因素之一。有研究表明，溫度每降低10°，紅外燈的壽命可延長1年。因此，紅外燈電路的散熱設(shè)計、功率大小都至關(guān)重要，尤其是遠(yuǎn)距離紅外，距離越遠(yuǎn)，紅外燈的功率越高，熱量也會越大，當(dāng)溫度高到一定程度，甚至?xí)绊懙綌z像機(jī)圖像傳感器的效果。這是紅外攝像機(jī)主要存在的問題。

　　程敏：在選購產(chǎn)品時，首先明確自己的需求，根據(jù)使用環(huán)境、所需功能等方面來考慮需要什么樣的產(chǎn)品，這樣在選擇時比較有針對性，比如低照環(huán)境需搭配大光圈的鏡頭，霧天環(huán)境需配置有透霧功能的產(chǎn)品，走廊環(huán)境需要有P-iris功能的設(shè)備等等;其次是對比同類型產(chǎn)品的各項指標(biāo)情況，不能單從宣傳上看，比如強(qiáng)光抑制或?qū)拕討B(tài)效果，最好能對比各產(chǎn)品的實際效果然后再做選擇。

　　12、各公司在該類技術(shù)的研發(fā)有哪些投入?

　　程敏：投入了大量資源進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究，包括鏡頭、補(bǔ)光燈等光學(xué)設(shè)備的研發(fā)，以及ISP圖像處理算法的研究，并提供各種實驗條件進(jìn)行光學(xué)方案和圖像效果的測試驗證，取得了很多的突破，確保了在效果上不輸與競爭對手的同時，在成本價格上相比國外同類產(chǎn)品具有絕對的優(yōu)勢。

　　程瑋：設(shè)立了自己的研究院，其中就包括了光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)的圖像處理研發(fā)團(tuán)隊，采用最先進(jìn)的硬件芯片，結(jié)合?？低曌灾餮邪l(fā)算法，可以實現(xiàn)優(yōu)異的圖像效果。

　　李偉偉：目前，科達(dá)與光技術(shù)有關(guān)的智能交通前端產(chǎn)品包括微光電子警察系統(tǒng)、四合一電子警察系統(tǒng)?？七_(dá)微光電子警察系統(tǒng)選用低照度元器件，并增強(qiáng)了圖像處理的算法，因而無需任何補(bǔ)光設(shè)備即可采集高清晰圖像，徹底杜絕傳統(tǒng)電子警察的閃光燈帶來的光污染問題;科達(dá)四合一電子警察系統(tǒng)的補(bǔ)光設(shè)備采用了專利技術(shù)，其閃光燈功率是36J,閃光時間為0.3毫秒，相比市場上大部分閃光燈的功率是200J、閃光時間長達(dá)3毫秒，科達(dá)電子警察系統(tǒng)的補(bǔ)光效率領(lǐng)先了同行10倍。

　　13、國內(nèi)相關(guān)技術(shù)與國外有差距嗎，如果有，差距在哪里?

　　程敏：國外對光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)研究開始得較早，技術(shù)積累較成熟，比如像AXIS這樣的國際巨頭，最早推出Q1602低照度槍機(jī)和Q1604寬動態(tài)槍機(jī)，近期又推出了Q1635自動寬動態(tài)設(shè)備，自適應(yīng)效果處于行業(yè)領(lǐng)先地位

　　海康威視：目前在光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)這部分，國內(nèi)外的差距已經(jīng)不明顯了。國內(nèi)很多品牌的光環(huán)境應(yīng)對技術(shù)效果已經(jīng)可以和國際媲美。