一、透霧技術(shù)的研究現(xiàn)狀
人類獲得外界信息大約有70%是通過視覺獲取的。隨著多媒體技術(shù)的快速發(fā)展，視頻圖像技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、公共安全領(lǐng)域、應(yīng)急指揮領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域等。然而在城市公共安全、智能交通視頻監(jiān)控信息中，不到百分之一的信息為有用信息，因此對(duì)僅百分之一的信息品質(zhì)期望值要求越來越高。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，由于氣候環(huán)境、視頻成像、儲(chǔ)存、傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)理論上的衰耗都會(huì)造成圖像質(zhì)量降低，特別是近年來，霧霾天氣使得戶外對(duì)象成像退化，圖像變得模糊。因此，為了獲得更清晰的監(jiān)控效果，透霧技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
霧霾是由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機(jī)碳?xì)浠衔锏攘Ｗ哟罅糠e聚，形成在一定空間內(nèi)能見度低下的一種氣象。霧霾出現(xiàn)的概率聚增，已影響到國內(nèi)25 個(gè)省份，100多個(gè)大中型城市。根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的環(huán)境質(zhì)量公報(bào)，去年全國平均霧霾天數(shù)達(dá)35.9天，在此情況下室外視頻監(jiān)控系統(tǒng)，如：公共安全、交通、應(yīng)急指揮、旅游等視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值大打折扣。
因此IP攝像設(shè)備的透霧功能，特別是多級(jí)切換模式透霧功能必將成為室外攝像機(jī)的標(biāo)配功能。
透霧技術(shù)的研究現(xiàn)狀
1.1 透霧技術(shù)的定義
透霧技術(shù)，也稱為視頻圖像增透技術(shù)，是指將因霧、水汽、灰塵等導(dǎo)致模糊的圖像變得清晰，突出圖像中感興趣的部分，使得圖像的質(zhì)量得到改善，信息量得到增強(qiáng)的過程。
透霧不同于簡單的除霧技術(shù)，它需要通過光學(xué)、算法等手段相互融合，根據(jù)圖像雜質(zhì)濃度自動(dòng)調(diào)整算法，實(shí)現(xiàn)圖像的色度補(bǔ)償，從而獲得與實(shí)景無限接近的清晰圖像。
1.2 光學(xué)透霧
在光譜中，紅外線是不可見光線，波長介于微波與可見光之間。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為0.78～2.50μm；中紅外線，波長為2.50～25μm；遠(yuǎn)紅外線，波長為25～l000μm。
近紅外還可分為近紅外短波區(qū)域和近紅外長波區(qū)域，在不同波段的光因?yàn)椴ㄩL的不同呈現(xiàn)不同的光譜特性。透霧功能的實(shí)現(xiàn)基于近紅外光譜。近紅外線在傳播時(shí)受氣溶膠的影響較小，可穿透一定濃度的霧靄煙塵，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速聚焦，這就是光學(xué)透霧的依據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)云霧和煙塵天氣時(shí)，一般的可見光無法穿透，利用近紅外光線可繞射微小顆粒原理，在霧霾天氣采用近紅外濾光片、鍍膜技術(shù)及電子圖像增強(qiáng)技術(shù)，算法處理能提升遠(yuǎn)距離監(jiān)控效果。
光學(xué)透霧的關(guān)鍵在于鏡頭與濾光片。透霧攝像設(shè)備需要具備三個(gè)要素：具有色差補(bǔ)償?shù)溺R頭、具備近紅外線靈敏度高的CCD、黑電平調(diào)節(jié)的圖像處理器。通過鏡頭對(duì)特定近紅外波段光線進(jìn)行截取，準(zhǔn)確聚焦成像。一般的攝像機(jī)鏡頭，透過光譜的中心波長在500~600MM之間，而為了保證在可見光和近紅外波段都有很高的透過率，且兩個(gè)波段切換過程中對(duì)色差進(jìn)行修正保證切換后不需要再調(diào)節(jié)焦距，透霧攝像機(jī)的鏡頭透過光譜的中心波長必須在780~900MM之間。因此，很多透霧鏡頭采用了多層鍍膜技術(shù)，讓500~900MM波段的透過率達(dá)到80%以上，最終實(shí)現(xiàn)透霧效果，這種透霧方式俗稱為物理透霧。目前市場(chǎng)上專業(yè)級(jí)日系透霧鏡頭售價(jià)都在萬元以上，考慮到透霧鏡頭高昂的造價(jià)，部分企業(yè)尋求更經(jīng)濟(jì)的光學(xué)透霧模式，普遍采用兩濾波片的日夜轉(zhuǎn)換模式，在攝像機(jī)集成加入了四塊濾波片，多鏡頭集身于一臺(tái)攝像機(jī)，除了實(shí)現(xiàn)日夜轉(zhuǎn)換，還通過增設(shè)一塊可選擇性過濾400nm~600nm波段光線的濾波片，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)光抑制。為了更精確截取適合成像的近紅外波段，也特別增加了透霧濾波片，以實(shí)現(xiàn)較為經(jīng)濟(jì)的光學(xué)透霧。
1.3 算法透霧
攝像機(jī)的透霧概念早在2007年進(jìn)入中國，但高昂的成本和復(fù)雜的技術(shù)讓很多安防行業(yè)卻步。經(jīng)過十幾年發(fā)展和專業(yè)技術(shù)的積累，透霧技術(shù)有了較大突破。而要真正實(shí)現(xiàn)透霧還是要依靠電子透霧算法處理，才能在應(yīng)用中脫穎而出。目前行業(yè)內(nèi)大致上有以下幾種算法透霧：
第一種是基于FPGA成像方法以及直方圖均衡化算法透霧。它針對(duì)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)合提高圖像質(zhì)量。此外，還可通過改善算法復(fù)雜度提高畫面清晰度。
第二種是Retinex算法，即視頻增強(qiáng)算法。它對(duì)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。該算法具有銳化、顏色恒常性、動(dòng)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(hào)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(dòng)曝光（AE）”、“自動(dòng)白平衡（AWB）”和“自動(dòng)聚焦（AF）”的3A功能，適于直接內(nèi)嵌于攝像機(jī)中應(yīng)用。
1.4 光電透霧技術(shù)
光學(xué)透霧直接利用可穿透霧靄的近紅外波段光線進(jìn)行成像，但只能得到黑白監(jiān)控畫面，而光電透霧技術(shù)將光學(xué)透霧和算法透霧兩種透霧功能相結(jié)合，通過機(jī)芯一體化通過內(nèi)嵌的FPGA芯片和ISP/DSP進(jìn)行運(yùn)算處理實(shí)現(xiàn)彩色畫面輸出。一方面，該透霧技術(shù)可區(qū)分遠(yuǎn)景近景霧氣濃淡等因素，選擇透霧級(jí)別，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域效果最佳，不同于過去對(duì)畫面對(duì)比度整體的提高，且沒有延時(shí)。另一方面，芯片的高速運(yùn)算必將產(chǎn)生噪聲點(diǎn)，夜間光照不足時(shí)影響尤為突出，所以一體機(jī)芯普遍需要采用CCD傳感器和大光圈鏡頭，以達(dá)到良好的低照效果。
1.5 假透霧
通過人為調(diào)節(jié)對(duì)比度、銳度、飽和度、亮度等數(shù)值，或做一些濾鏡切換裝置，讓圖像重點(diǎn)突出，從而改善主觀視覺效果，這就是所說的假透霧。假透霧在霧霾環(huán)境下，切換到選擇夜間紅外感應(yīng)模式時(shí)，可以看到一定效果的圖像畫面，但鏡頭不能對(duì)景物重新進(jìn)行聚焦，因而不滿足視覺體驗(yàn)。非透霧攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)一定程度的“透霧”，但透霧效果非常有限。
