算法透霧——智能化監(jiān)控的又一新大陸

　　在正式介紹透霧之前，筆者先為大家理清一個概念，那就是攝像機(jī)的一個普通功能——除霧。除霧技術(shù)是通過監(jiān)控設(shè)備內(nèi)置的加熱、通風(fēng)設(shè)備，將凝結(jié)并依附于設(shè)備表面的水汽去除的一種防護(hù)技術(shù)，是一種物理技術(shù)手段，而非我們現(xiàn)在所說的透霧技術(shù)，兩者不是同一概念。

　　那么，什么是透霧?我們先看透霧技術(shù)應(yīng)用的場景，這是一種專門針對有水汽、霧氣、霧霾、揚(yáng)塵、雨雪等飽含雜質(zhì)的空氣環(huán)境，其目的是要透過空氣中的雜質(zhì)，進(jìn)而清晰獲取遠(yuǎn)處監(jiān)控物體的影像。這是一種通過光學(xué)、算法等手段相互配合，依據(jù)圖像雜質(zhì)濃度自動調(diào)整算法，實(shí)現(xiàn)畫面的良好矯正，從而獲得與實(shí)景形成鮮明對比的清晰圖像。

　　透霧技術(shù)最初是由邊防、海防等容易起霧、又有遠(yuǎn)距離監(jiān)控需求的場景應(yīng)用推動，因應(yīng)用少，長期以來，只有少部分廠家在推動。但隨著中國大陸的霧霾擴(kuò)大化，推動了所有安防廠家對透霧產(chǎn)品的鉆研。

　　透霧設(shè)備種類

　　雖然2013年年底的那一場霧霾剛過去不久，但安防廠家的應(yīng)對非?？焖?，紛紛推出了各種各樣的透霧產(chǎn)品，其中，以攝像機(jī)透霧技術(shù)最為典型，如?？低?、大華股份、廣拓、宇視科技、三星、蘇州科達(dá)等品牌紛紛推出了槍型透霧攝像機(jī)、球型透霧攝像機(jī)，本期所測試的宇視和大華股份，所提供的就是球型攝像機(jī)產(chǎn)品。

　　若是已經(jīng)投入使用的監(jiān)控設(shè)備，自身沒有透霧處理功能，那該如何實(shí)現(xiàn)透霧呢?一些廠家也開發(fā)出了相應(yīng)的對策，如?？低暤?60H透霧DVR，該機(jī)支持16路960H模擬視頻通道的同步透霧使用。此種通過后端存儲或管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)透霧的方式，對已布建的系統(tǒng)的透霧應(yīng)用很有誘惑力。

　　不過，目前為止，尚未了解到有由平臺端實(shí)現(xiàn)透霧的軟件平臺產(chǎn)品。

　　透霧從光學(xué)伊始

　　最早研究的透霧技術(shù)，主要是從成像原理入手，也就是光學(xué)透霧，通過透霧鏡頭來過濾空氣中雜質(zhì)對影像的影響，其原理為：在不可見光的范圍內(nèi)，有一頻率的光(700nm-950nm)可以穿透霧氣，將這一頻率的不可見光進(jìn)行成像，從而實(shí)現(xiàn)肉眼無法實(shí)現(xiàn)的“透視”。但由于這一波段的波長不同可見光，需要在攝像機(jī)上進(jìn)行處理，才能達(dá)到對其聚焦及成像的目的。透過云霧、水氣等雜質(zhì)拍攝物體，相當(dāng)于透過了兩重透鏡(水珠與實(shí)際透鏡)，除了R光線可以正確聚焦在CCD成像面上，RGB光線中的G、B均無法正常的投射在傳感器靶面上，這樣就造成了普通模式鏡頭無法正常、清晰的得到云霧、水氣中的圖像(如圖1所示)。而光學(xué)透霧還有一個弊端，由于可穿透空氣雜質(zhì)的不可見光沒有對應(yīng)的可見光色彩圖像信息，經(jīng)攝像機(jī)處理及呈現(xiàn)的圖像為黑白顏色。圖像信息被弱化。

　　即便如此，在迫切需求透霧成像的場所，光學(xué)透霧產(chǎn)品仍廣受歡迎，如日本TAWOV大變倍鏡頭，以其高清、長焦、透霧的優(yōu)勢，就在我國漁業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)控領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。

　　從上面的介紹中，大家可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下的透霧鏡頭，主要用來穿越水汽來實(shí)現(xiàn)透視功能的，其“穿越”的對象主要是水分子。不一定適用于中國大陸的霧霾情況環(huán)境。為了做到更好的光學(xué)透霧，當(dāng)霧霾日益嚴(yán)重時，國家組織過眾多專家、學(xué)者研究過霧霾的主要成分，以期有針對性地為光學(xué)透霧產(chǎn)品的研發(fā)提供數(shù)據(jù);但迄今為止，霧霾到底都由什么組成?依然是一個謎。霧霾情況不同于霧氣，除了水汽外，還有塵埃、油煙、燃燒廢氣、化合物等，如此多的雜質(zhì)存在，穿透對象未弄清楚情況下，不可見光能否穿透更是為光學(xué)透霧蒙上了一層未知的面紗。因此，傳統(tǒng)意義上的光學(xué)透霧，已經(jīng)受到了環(huán)境限制，不能簡單地用光學(xué)透霧來應(yīng)對當(dāng)前的霧霾天氣。但如何完善，還需靜待研究結(jié)果出來后，才能有應(yīng)對之策。

　　另外，還有兩大因素也在制約著透霧鏡頭的普及。首先是研發(fā)難度大。安防行業(yè)所需的鏡頭，僅是光學(xué)產(chǎn)品的一個小分支，即便如此，國內(nèi)做得好的本土鏡頭廠家寥寥無幾，較著名的僅有鳳凰光學(xué)、福光、保千里，到近兩年，?？低暡庞辛俗约旱溺R頭產(chǎn)品線。無論國內(nèi)還是國外鏡頭廠家，有實(shí)力開發(fā)透霧鏡頭廠家的更是少之又少，這也讓透霧鏡頭價格高昂，直接影響了光學(xué)透霧產(chǎn)品的普及化。

　　算法透霧撲面而來

　　在霧霾尚未橫行之時，我刊偶爾才會看到某一款具備透霧功能的產(chǎn)品，數(shù)量鳳毛麟角。但霧霾過后，透霧攝像機(jī)如雨后春筍般涌現(xiàn)，下面我們就來了解一下算法透霧的一些基本情況。

　　算法透霧技術(shù)，也稱為視頻圖像增透技術(shù)，一般指將因霧和水氣灰塵等導(dǎo)致朦朧不清的圖像變得清晰，強(qiáng)調(diào)圖像當(dāng)中某些感興趣的特征，抑制不感興趣的特征，使得圖像的質(zhì)量改善，信息量得到增強(qiáng)。

　　算法透霧種類

　　首先是基于FPGA成像方法以及直方圖均衡化算法透霧，針對霧天圖像的退化現(xiàn)象，采用近紅外波段成像和視頻圖像處理技術(shù)相結(jié)合的方式。根據(jù)視頻圖像相鄰兩場畫面相似的一系列特點(diǎn)，提出了用改進(jìn)的直方圖均衡化算法的方式圖像質(zhì)量。日立的透霧產(chǎn)品就有采用此類技術(shù)。

　　第二種是Retinex圖像增強(qiáng)算法，采用基于全局的Retinex圖像增強(qiáng)算法通過在對數(shù)域內(nèi)計算相鄰像素點(diǎn)灰度值之間的比值從而得到相鄰像素點(diǎn)之間的相對明暗關(guān)系，繼而通過該明暗關(guān)系對原像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行校正，最后再對校正后的像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行線性拉伸，得到增強(qiáng)的圖像。Retinex算法基于DSP的嵌入式硬件結(jié)構(gòu)，能自動適應(yīng)PAL制和NTSC制式視頻圖像，與其它圖像增強(qiáng)方法相比，Retinex算法具有銳化、顏色恒常性、動態(tài)范圍壓縮大、色彩逼真度高、處理延遲低等特點(diǎn)。

　　第三種則是影像信號處理器(LSP)算法透霧處理。該技術(shù)要求透霧設(shè)備必須具備“自動曝光(AE)”、“自動白平衡(AWB)”和“自動聚焦(AF)”的3A功能，適于直接內(nèi)嵌于攝像機(jī)中應(yīng)用。

　　透霧應(yīng)用需智能化處理

　　目前as所接觸過的攝像機(jī)，一般是基于DSP處理芯片的圖像增強(qiáng)算法。就測試情況看，在操作層面上，處理的智能化程度比較高，無需過多的人為手動調(diào)節(jié)干預(yù)，即可實(shí)現(xiàn)良好的透霧應(yīng)用。而有部分?jǐn)z像機(jī)，針對不同的霧氣/霧霾濃度，提供有多個透霧等級供選擇，通過不同的等級調(diào)節(jié)，可將透霧效果調(diào)至最佳。

　　而衡量一款透霧攝像機(jī)的好壞，透霧的效果固然很重要，必須是可將朦朧的圖像處理為清晰視覺效果。在此，筆者要表達(dá)的是，透霧一定是要有理有據(jù)，不能因?yàn)殚_啟了透霧功能，而對沒有霧氣的環(huán)境，設(shè)備也對圖像進(jìn)行處理為不正常的顯示效果，這樣的一根筋設(shè)備，勢必會形成反面的透霧應(yīng)用。因此，透霧設(shè)備一定要有自動分析圖像清晰度的功能，然后根據(jù)圖像的情況自動處理透霧等級，方能在各類環(huán)境中自如應(yīng)對。

　　透霧功能的檢測

　　as的每一個設(shè)備功能的測試，都是依據(jù)應(yīng)用需求而定，透霧功能也不例外。針對通過算法實(shí)現(xiàn)的透霧功能，從“算法透霧”的原理可知，設(shè)備是根據(jù)圖像的畫質(zhì)效果來定義透霧處理的，是由圖像的質(zhì)量來啟動透霧;因此，無論霧氣、霧霾、塵埃等環(huán)境，所得的圖像最終都是一副朦朧的畫面，攝像機(jī)就是根據(jù)這樣的畫面來啟動算法。

　　由此，as的測試，將模擬朦朧場景來給透霧設(shè)備創(chuàng)造朦朧影響，再觀察設(shè)備處理后的透霧效果如何，是否較實(shí)際場景清晰。依透霧原理來選定的透霧測試手段很多，如大樓的玻璃、各種不同透明程度的塑料膜、煙霧、水汽，如條件允許，則直接用現(xiàn)實(shí)的霧霾環(huán)境做檢測。

　　若是光學(xué)透霧，則需要模擬光學(xué)透霧手段來進(jìn)行產(chǎn)品檢測，包括霧氣環(huán)境、煙霧環(huán)境、霧霾環(huán)境、多種雜質(zhì)混合環(huán)境，通過不同的環(huán)境來檢驗(yàn)光學(xué)透霧的穿透性能。

　　通過算法來實(shí)現(xiàn)透霧的技術(shù)手段，在很大程度上解決了圖像模糊不清的視覺處理需求，而軟件的可復(fù)制化，也讓透霧產(chǎn)品量產(chǎn)成了現(xiàn)實(shí)，只要硬件處理性能允許，任何一臺攝像機(jī)都可以做到透霧功能，不再受限于基于光學(xué)的透霧鏡頭的限制，而且，算法透霧所得出的圖像是彩色圖像，景物的色彩信息不丟失。

　　不過，我們也還需理智的認(rèn)識到，雖然透霧算法已經(jīng)初露端倪，但并不是每一款透霧攝像機(jī)都能自如應(yīng)對霧霾環(huán)境，有些攝像機(jī)雖然有透霧效果，但畫質(zhì)并不理想，環(huán)境霧霾稍微濃一點(diǎn)，就有可能處理過度，造成畫面色彩不協(xié)調(diào)。

　　謹(jǐn)防假透霧

　　除了專門的透霧攝像機(jī)外，非透霧攝像機(jī)也可實(shí)現(xiàn)一定程度的“透霧”應(yīng)用，這就類似于第三種影像信號處理器(LSP)算法，通過手動調(diào)節(jié)圖像的對比度、銳度、飽和度、亮度等數(shù)值，通過圖像算法矯正，讓重點(diǎn)區(qū)域凸顯出來。當(dāng)然，這種假透霧方式只是人為輕微矯正圖像的成像，所能提升的透霧效果是有限的，不能稱之為透霧算法;如需真正實(shí)現(xiàn)透霧應(yīng)用，廠家還需認(rèn)真透霧精力去開發(fā)透霧算法。只有依據(jù)透霧算法的透霧，才能在應(yīng)用中脫穎而出。