多级切换模式透雾技术 ——安防行业监控产品的新贵

    引言

    人类获得外界信息大约有70%是通过视觉获取的。随着多媒体技术的快速发展，视频图像技术被广泛应用于各个领域，如生物医学领域、公共安全领域、应急指挥领域、军事领域等。然而在城市公共安全、智能交通视频监控信息中，不到百分之一的信息为有用信息，因此对仅百分之一的信息品质期望值要求越来越高。在现实应用中，由于气候环境、视频成像、储存、传输等环节理论上的衰耗都会造成图像质量降低，特别是近年来，雾霾天气使得户外对象成像退化，图像变得模糊。因此，为了获得更清晰的监控效果，透雾技术应运而生。

    雾霾是由空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子大量积聚，形成在一定空间内能见度低下的一种气象。雾霾出现的概率聚增，已影响到国内25个省份，100多个大中型城市。根据环保部发布的环境质量公报，去年全国平均雾霾天数达35.9天，在此情况下室外视频监控系统，如：公共安全、交通、应急指挥、旅游等视频监控系统应用价值大打折扣。

    因此IP摄像设备的透雾功能，特别是多级切换模式透雾功能必将成为室外摄像机的标配功能。

    透雾技术的研究现状

    1.1透雾技术的定义

    透雾技术[1]，也称为视频图像增透技术，是指将因雾、水汽、灰尘等导致模糊的图像变得清晰，突出图像中感兴趣的部分，使得图像的质量得到改善，信息量得到增强的过程。

    透雾不同于简单的除雾技术，它需要通过光学、算法等手段相互融合，根据图像杂质浓度自动调整算法，实现图像的色度补偿，从而获得与实景无限接近的清晰图像。

    1.2光学透雾

    在光谱中，红外线是不可见光线，波长介于微波与可见光之间。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.78～2.50μm；中红外线，波长为2.50～25μm；远红外线，波长为25～l000μm。电磁波谱图如图1所示。

图1 电磁波谱图

    近红外还可分为近红外短波区域和近红外长波区域，在不同波段的光因为波长的不同呈现不同的光谱特性。透雾功能的实现基于近红外光谱。近红外线在传播时受气溶胶的影响较小，可穿透一定浓度的雾霭烟尘，实现准确快速聚焦，这就是光学透雾的依据[2]。当出现云雾和烟尘天气时，一般的可见光无法穿透，利用近红外光线可绕射微小颗粒原理，在雾霾天气采用近红外滤光片、镀膜技术及电子图像增强技术，算法处理能提升远距离监控效果。

    光学透雾的关键在于镜头与滤光片。透雾摄像设备需要具备三个要素：具有色差补偿的镜头、具备近红外线灵敏度高的CCD、黑电平调节的图像处理器。通过镜头对特定近红外波段光线进行截取，准确聚焦成像。一般的摄像机镜头，透过光谱的中心波长在500~600MM之间，而为了保证在可见光和近红外波段都有很高的透过率，且两个波段切换过程中对色差进行修正保证切换后不需要再调节焦距，透雾摄像机的镜头透过光谱的中心波长必须在780~900MM之间。因此，很多透雾镜头采用了多层镀膜技术，让500~900MM波段的透过率达到80%以上，最终实现透雾效果，这种透雾方式俗称为物理透雾。目前市场上专业级日系透雾镜头售价都在万元以上，考虑到透雾镜头高昂的造价，部分企业寻求更经济的光学透雾模式，普遍采用两滤波片的日夜转换模式，在摄像机集成加入了四块滤波片，多镜头集身于一台摄像机，除了实现日夜转换，还通过增设一块可选择性过滤400nm~600nm波段光线的滤波片，实现了强光抑制。为了更精确截取适合成像的近红外波段，也特别增加了透雾滤波片，以实现较为经济的光学透雾。

    1.3算法透雾

    摄像机的透雾概念早在2007年进入中国，但高昂的成本和复杂的技术让很多安防行业却步。经过十几年发展和专业技术的积累，透雾技术有了较大突破。而要真正实现透雾还是要依靠电子透雾算法处理，才能在应用中脱颖而出。目前行业内大致上有以下几种算法透雾[1]：

    第一种是基于FPGA成像方法以及直方图均衡化算法透雾。它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提高图像质量。此外，还可通过改善算法复杂度提高画面清晰度。

    第二种是Retinex算法，即视频增强算法。它对校正后的像素点灰度值进行线性拉伸，得到增强的图像。该算法具有锐化、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。

    1.4光电透雾技术

    光学透雾直接利用可穿透雾霭的近红外波段光线进行成像，但只能得到黑白监控画面，而光电透雾技术将光学透雾和算法透雾两种透雾功能相结合，通过机芯一体化通过内嵌的FPGA芯片和ISP/DSP进行运算处理实现彩色画面输出。一方面，该透雾技术可区分远景近景雾气浓淡等因素，选择透雾级别，可实现区域效果最佳，不同于过去对画面对比度整体的提高，且没有延时。另一方面，芯片的高速运算必将产生噪声点，夜间光照不足时影响尤为突出，所以一体机芯普遍需要采用CCD传感器和大光圈镜头，以达到良好的低照效果。

    1.5假透雾

    通过人为调节对比度、锐度、饱和度、亮度等数值，或做一些滤镜切换装置，让图像重点突出，从而改善主观视觉效果，这就是所说的假透雾。假透雾在雾霾环境下，切换到选择夜间红外感应模式时，可以看到一定效果的图像画面，但镜头不能对景物重新进行聚焦，因而不满足视觉体验。非透雾摄像机可以实现一定程度的“透雾”，但透雾效果非常有限。

    透雾技术的实现

    2.1透雾原理

    当可见光通过空气中的雾霾时，会被阻挡反射而无法通过，所以只能接收可见光的眼睛看不到雾霾后面的物体。在可见光与微波之间，有一组红外光线可以穿透雾气，且摄像机的感光元件可以感应到这部分近红外光线。但是由于红外光谱各波段的波长不同，需要摄像机进行过滤处理，利用过滤后的近红外光进行成像。由于这种不可见光在监视器上呈现的图像为黑白颜色，由于景物边缘呈现的灰度不连续特性，于是对图像边缘进行加强。RGB光线中除了R光线可以正确聚焦在CCD成像面上，GB光线均无法正常地投射在CCD成像面上，这样要求可见光成像画面和近红外光成像画面叠加复合后进行色差补偿，满足成像主观体验要求[3]。

    2.2透雾功能设计

    透雾功能的实现系统由成像单元、成像控制单元、温控单元、视频增强单元以及主处理器五个部分组成，如图2所示。成像单元由镜头、滤光片及CCD组成，温控单元由温度开关、风扇组成。温控单元独立存在于成像控制单元上，根据温度开关输出的电平高低启动散热风扇。成像单元、温控单元及成像控制单元整合在一起，紫外滤光片与红外滤光片由控制单元控制镜头电机进行切换，同时通过串口控制视频增强保证可见光波段彩色图像输出。再经过主处理器计算处理，确定雾霾程度与级别，从而保证透雾功能分级实现。

图2 透雾实现原理图

    通过镜头变换滤光片的方法，可将可见光波段和近红外线波段的分开使用，以达到用可见光波段来提高图像的清晰程度、主管视觉体验和利用近红外波段穿透云雾的能力来增加透视距离。为了得到远距离物体的清晰图像信号，采用电子处理技术，通过ISP/DSP主处理器计算，将视频信号中的雾霾部分过滤掉，再用白光进行叠加处理。其基本开发流程是先对复合视频信号进行同步分离，去掉其中雾霾、彩色同步信号，将彩色图像转换为黑白图像，然后进行灰度图像边缘增强，处理完成后再进行白光叠加和同步合成以及色差修正，最后输出标准的复合视频信号。图像处理流程如图3所示。

图3 图像处理流程

    多级切换模式透雾技术的发展前景

    基于DSP算法透雾和光学透雾形成的光电透雾技术，现阶段应该是摄像设备的主要发展方向。就操作层面上讲，光电透雾技术的智能化程度比较高，无需繁琐、人为调节干预即可实现良好的透雾应用。值得思考的是，透雾功能的启用级别应随气候环境变化而变化，不要一种透雾状态自始至终，而应根据雾霾的浓度自动调整算法，且针对不同的雾气、雾霾浓度，提供多个透雾功能等级模式供选择，通过不同的等级调节，可将设备透雾效果调至最佳。与此同时，适时调节DSP计算的难易度，也可延长设备寿命。

    随着我国平安城市建设力度的不断加大，视频监控设备被越来越多地应用到各行各业，用户对监控需求不断提升，透雾摄像机的市场应用规模不断扩大，通过对视频图像质量的提升，使模糊图像变得更加清晰可见，从而提高监控系统对周围环境的感知能力。因此，多级切换模式透雾技术将会是安防业未来的发展趋势。

    那么已经投入工程使用的监控设备没有透雾功能如何实现透雾呢？行业内一些厂家已作了一些探索，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。这种通过后端存储或管理系统来实现透雾的方式，为安防工程的改造升级提供了一种新的解决方案。而且，为减少前端摄像设备算法处理难度以及传输带宽、储存容量和网络环境现实制约，设计开发由平台端实现透雾功能的软件平台产品也是未来探索思路之一。

    结束语

    随着人们对安防知识和安防产品的了解越来越多，无论是工业安防还是民用安防的需求将更专业，光电透雾技术将会在创新中不断成熟，多级切换模式透雾的安防产品很快会在未来安防市场上诞生。本文在已有的透雾功能实现系统中增加了主处理器，经过主处理器计算处理，确定雾霾程度与级别，从而保证透雾功能分级实现。多级切换模式透雾摄像产品由于其成像具有独特优势，其技术应用将会推动摄像安防产品的科技进步，同时也为我国的“反暴恐”安全和公共安全工作提供了新的强有力的保障。