算法透雾——智能化监控的又一新大陆

    当雾气来临，如果您选用的仍是非透雾摄像机，除了获得一片朦胧的，甚至是什么都看不清的图像外，无法从监控视频中获取到有用的信息，如有事件发生，这将会形成监控盲区。尤其是从2013年年底开始，全国范围性的雾霾天气，逼迫透雾设备的加速推进。那么，现在的透雾摄像机发展如何呢?我们为您试做一番分析。

　　“除雾”不是透雾

　　在正式介绍透雾之前，笔者先为大家理清一个概念，那就是摄像机的一个普通功能——除雾。除雾技术是通过监控设备内置的加热、通风设备，将凝结并依附于设备表面的水汽去除的一种防护技术，是一种物理技术手段，而非我们现在所说的透雾技术，两者不是同一概念。

　　那么，什么是透雾?我们先看透雾技术应用的场景，这是一种专门针对有水汽、雾气、雾霾、扬尘、雨雪等饱含杂质的空气环境，其目的是要透过空气中的杂质，进而清晰获取远处监控物体的影像。这是一种通过光学、算法等手段相互配合，依据图像杂质浓度自动调整算法，实现画面的良好矫正，从而获得与实景形成鲜明对比的清晰图像。

　　透雾技术最初是由边防、海防等容易起雾、又有远距离监控需求的场景应用推动，因应用少，长期以来，只有少部分厂家在推动。但随着中国大陆的雾霾扩大化，推动了所有安防厂家对透雾产品的钻研。

　　透雾设备种类

　　虽然2013年年底的那一场雾霾刚过去不久，但安防厂家的应对非常快速，纷纷推出了各种各样的透雾产品，其中，以摄像机透雾技术最为典型，如海康威视、大华股份、广拓、宇视科技、三星、苏州科达等品牌纷纷推出了枪型透雾摄像机、球型透雾摄像机，本期所测试的宇视和大华股份，所提供的就是球型摄像机产品。

　　若是已经投入使用的监控设备，自身没有透雾处理功能，那该如何实现透雾呢?一些厂家也开发出了相应的对策，如海康威视的960H透雾DVR，该机支持16路960H模拟视频通道的同步透雾使用。此种通过后端存储或管理系统来实现透雾的方式，对已布建的系统的透雾应用很有诱惑力。

　　不过，目前为止，尚未了解到有由平台端实现透雾的软件平台产品。

　　透雾从光学伊始

　　最早研究的透雾技术，主要是从成像原理入手，也就是光学透雾，通过透雾镜头来过滤空气中杂质对影像的影响，其原理为：在不可见光的范围内，有一频率的光(700nm-950nm)可以穿透雾气，将这一频率的不可见光进行成像，从而实现肉眼无法实现的“透视”。但由于这一波段的波长不同可见光，需要在摄像机上进行处理，才能达到对其聚焦及成像的目的。透过云雾、水气等杂质拍摄物体，相当于透过了两重透镜(水珠与实际透镜)，除了R光线可以正确聚焦在CCD成像面上，RGB光线中的G、B均无法正常的投射在传感器靶面上，这样就造成了普通模式镜头无法正常、清晰的得到云雾、水气中的图像(如图1所示)。而光学透雾还有一个弊端，由于可穿透空气杂质的不可见光没有对应的可见光色彩图像信息，经摄像机处理及呈现的图像为黑白颜色。图像信息被弱化。

　　即便如此，在迫切需求透雾成像的场所，光学透雾产品仍广受欢迎，如日本TAWOV大变倍镜头，以其高清、长焦、透雾的优势，就在我国渔业养殖监控领域占据了一席之地。

　　从上面的介绍中，大家可以发现，当下的透雾镜头，主要用来穿越水汽来实现透视功能的，其“穿越”的对象主要是水分子。不一定适用于中国大陆的雾霾情况环境。为了做到更好的光学透雾，当雾霾日益严重时，国家组织过众多专家、学者研究过雾霾的主要成分，以期有针对性地为光学透雾产品的研发提供数据;但迄今为止，雾霾到底都由什么组成?依然是一个谜。雾霾情况不同于雾气，除了水汽外，还有尘埃、油烟、燃烧废气、化合物等，如此多的杂质存在，穿透对象未弄清楚情况下，不可见光能否穿透更是为光学透雾蒙上了一层未知的面纱。因此，传统意义上的光学透雾，已经受到了环境限制，不能简单地用光学透雾来应对当前的雾霾天气。但如何完善，还需静待研究结果出来后，才能有应对之策。

　　另外，还有两大因素也在制约着透雾镜头的普及。首先是研发难度大。安防行业所需的镜头，仅是光学产品的一个小分支，即便如此，国内做得好的本土镜头厂家寥寥无几，较著名的仅有凤凰光学、福光、保千里，到近两年，海康威视才有了自己的镜头产品线。无论国内还是国外镜头厂家，有实力开发透雾镜头厂家的更是少之又少，这也让透雾镜头价格高昂，直接影响了光学透雾产品的普及化。

　　算法透雾扑面而来

　　在雾霾尚未横行之时，我刊偶尔才会看到某一款具备透雾功能的产品，数量凤毛麟角。但雾霾过后，透雾摄像机如雨后春笋般涌现，下面我们就来了解一下算法透雾的一些基本情况。

　　算法透雾技术，也称为视频图像增透技术，一般指将因雾和水气灰尘等导致朦胧不清的图像变得清晰，强调图像当中某些感兴趣的特征，抑制不感兴趣的特征，使得图像的质量改善，信息量得到增强。

　　算法透雾种类

　　首先是基于FPGA成像方法以及直方图均衡化算法透雾，针对雾天图像的退化现象，采用近红外波段成像和视频图像处理技术相结合的方式。根据视频图像相邻两场画面相似的一系列特点，提出了用改进的直方图均衡化算法的方式图像质量。日立的透雾产品就有采用此类技术。

　　第二种是Retinex图像增强算法，采用基于全局的Retinex图像增强算法通过在对数域内计算相邻像素点灰度值之间的比值从而得到相邻像素点之间的相对明暗关系，继而通过该明暗关系对原像素点灰度值进行校正，最后再对校正后的像素点灰度值进行线性拉伸，得到增强的图像。Retinex算法基于DSP的嵌入式硬件结构，能自动适应PAL制和NTSC制式视频图像，与其它图像增强方法相比，Retinex算法具有锐化、颜色恒常性、动态范围压缩大、色彩逼真度高、处理延迟低等特点。

　　第三种则是影像信号处理器(LSP)算法透雾处理。该技术要求透雾设备必须具备“自动曝光(AE)”、“自动白平衡(AWB)”和“自动聚焦(AF)”的3A功能，适于直接内嵌于摄像机中应用。

　　透雾应用需智能化处理

　　目前a&s所接触过的摄像机，一般是基于DSP处理芯片的图像增强算法。就测试情况看，在操作层面上，处理的智能化程度比较高，无需过多的人为手动调节干预，即可实现良好的透雾应用。而有部分摄像机，针对不同的雾气/雾霾浓度，提供有多个透雾等级供选择，通过不同的等级调节，可将透雾效果调至最佳。

　　而衡量一款透雾摄像机的好坏，透雾的效果固然很重要，必须是可将朦胧的图像处理为清晰视觉效果。在此，笔者要表达的是，透雾一定是要有理有据，不能因为开启了透雾功能，而对没有雾气的环境，设备也对图像进行处理为不正常的显示效果，这样的一根筋设备，势必会形成反面的透雾应用。因此，透雾设备一定要有自动分析图像清晰度的功能，然后根据图像的情况自动处理透雾等级，方能在各类环境中自如应对。

　　透雾功能的检测

　　a&s的每一个设备功能的测试，都是依据应用需求而定，透雾功能也不例外。针对通过算法实现的透雾功能，从“算法透雾”的原理可知，设备是根据图像的画质效果来定义透雾处理的，是由图像的质量来启动透雾;因此，无论雾气、雾霾、尘埃等环境，所得的图像最终都是一副朦胧的画面，摄像机就是根据这样的画面来启动算法。

　　由此，a&s的测试，将模拟朦胧场景来给透雾设备创造朦胧影响，再观察设备处理后的透雾效果如何，是否较实际场景清晰。依透雾原理来选定的透雾测试手段很多，如大楼的玻璃、各种不同透明程度的塑料膜、烟雾、水汽，如条件允许，则直接用现实的雾霾环境做检测。

　　若是光学透雾，则需要模拟光学透雾手段来进行产品检测，包括雾气环境、烟雾环境、雾霾环境、多种杂质混合环境，通过不同的环境来检验光学透雾的穿透性能。

　　通过算法来实现透雾的技术手段，在很大程度上解决了图像模糊不清的视觉处理需求，而软件的可复制化，也让透雾产品量产成了现实，只要硬件处理性能允许，任何一台摄像机都可以做到透雾功能，不再受限于基于光学的透雾镜头的限制，而且，算法透雾所得出的图像是彩色图像，景物的色彩信息不丢失。

　　不过，我们也还需理智的认识到，虽然透雾算法已经初露端倪，但并不是每一款透雾摄像机都能自如应对雾霾环境，有些摄像机虽然有透雾效果，但画质并不理想，环境雾霾稍微浓一点，就有可能处理过度，造成画面色彩不协调。

　　谨防假透雾

　　除了专门的透雾摄像机外，非透雾摄像机也可实现一定程度的“透雾”应用，这就类似于第三种影像信号处理器(LSP)算法，通过手动调节图像的对比度、锐度、饱和度、亮度等数值，通过图像算法矫正，让重点区域凸显出来。当然，这种假透雾方式只是人为轻微矫正图像的成像，所能提升的透雾效果是有限的，不能称之为透雾算法;如需真正实现透雾应用，厂家还需认真透雾精力去开发透雾算法。只有依据透雾算法的透雾，才能在应用中脱颖而出。