關(guān)于鏡頭三種透霧技術(shù)分析介紹

一般認(rèn)為，大氣介質(zhì)主要由空氣分子、水汽和氣溶膠組成。氣溶膠是懸浮在氣體中的小粒子構(gòu)成的彌散系。某些粒子具有高吸濕性，起到水汽凝結(jié)中心的作用，其大小與環(huán)境相對(duì)濕度、水汽供應(yīng)和由碰撞而發(fā)生凝聚的程度有關(guān)。由于大氣中各種顆粒的大小、類型以及聚集程度的不同產(chǎn)生晴、霾、霧、云、雨等各種天氣。
當(dāng)下，霧霾天氣橫行，我們經(jīng)常會(huì)用PM2.5的數(shù)值大小來(lái)衡量霧霾。PM2.5是指直徑小于等于2.5微米的細(xì)顆粒物。相比于粗大的顆粒物，細(xì)小的PM2.5降低能見度的能力更強(qiáng)，能見度降低了我們看東西的時(shí)候就會(huì)受到阻礙，出現(xiàn)模糊，視物不清等等，還會(huì)阻礙光的照射。PM2.5環(huán)境與一般環(huán)境的不同之處在于細(xì)顆粒物的濃度更高。
再來(lái)看細(xì)顆粒物對(duì)視頻監(jiān)控的影響：在有霧天氣下，從物體表面反射的光線在到達(dá)成像設(shè)備的過程中會(huì)受到空氣中懸浮顆粒的影響。氣溶膠粒子是霧霾形成的主要因素，也是圖像質(zhì)量產(chǎn)生退化的根本原因，其影響主要有以下幾個(gè)方面：
氣溶膠粒子對(duì)光線有散射作用，散射損失使“透射光”強(qiáng)度衰減，造成了圖像的對(duì)比度下降。
由于氣溶膠粒子的非均勻性，使球面波畸變成非球面波，導(dǎo)致圖像變模糊，邊緣和細(xì)節(jié)降低。
氣溶膠粒子的粒徑較大，粒子的自身成像不容忽視，可以近似理解成“噪聲”。
氣溶膠粒子對(duì)成像光線的散射部分會(huì)因?yàn)槎啻紊⑸涞淖饔?，和原有的前向散射部分疊加在一起成像，產(chǎn)生一定的模糊。
由此看來(lái)，細(xì)微顆粒物更多的環(huán)境，會(huì)造成更多次散射，從而造成更嚴(yán)重的模糊，給實(shí)時(shí)透霧造成更大的難度。而就當(dāng)下來(lái)看，由水汽、煙塵等構(gòu)成的氣溶膠粒子是霧霾的主體，也是造成圖像質(zhì)量退化的根本原因。霧霾天氣下圖像色彩黯淡、對(duì)比度較低，一些重要目標(biāo)的細(xì)節(jié)更是淹沒在霧氣中難以被察覺。因此，去除視頻中的霧氣，改善成像質(zhì)量，是提升戶外視頻監(jiān)控應(yīng)用價(jià)值的一項(xiàng)重要技術(shù)。
透霧技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，經(jīng)歷了多個(gè)階段，形成了以彩色透霧和黑白透霧兩種不同的需求方向。彩色成像的數(shù)字透霧，以當(dāng)下各大安防廠家競(jìng)爭(zhēng)的“透霧算法”為核心關(guān)鍵;黑白成像的光學(xué)透霧，則是以“光學(xué)透霧”為基礎(chǔ)和典型代表;當(dāng)然，現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)一種增加了透霧算法的光學(xué)透霧，力求得到更好的透霧效果，也就是”光學(xué)+算法雙重透霧”，在濃霧下依舊清晰成像。

穿透迷霧，各顯神通
還原彩色世界的數(shù)字透霧
數(shù)字透霧技術(shù)的發(fā)展一般有兩個(gè)階段：第一個(gè)階段——“淺透霧”階段，這類方法通過調(diào)整傳感器采集信息的分布，增強(qiáng)觀測(cè)目標(biāo)的色彩與細(xì)節(jié)，使信息減少在后續(xù)處理(例如ISP和編碼壓縮)中的損失，用戶觀測(cè)效果也能獲得提高。但是這種透霧效果不明顯，也稱假性透霧。“淺透霧”也是目前市面上普遍采用的透霧技術(shù)。第二個(gè)階段——“算法透霧”階段，算法透霧可根據(jù)物理上霧霾的形成模型，通過局部區(qū)域灰白程度判斷霧霾的濃度，從而復(fù)原出清晰的無(wú)霧霾圖像。算法透霧能夠保留圖像的原有色彩，同時(shí)能夠在“淺透霧”的基礎(chǔ)上大幅提升圖像透霧效果。
經(jīng)歷了以上兩個(gè)透霧發(fā)展階段也形成了兩種透霧處理模式：一種是非模型的圖像增強(qiáng)方法，通過提高比度，滿足主觀視覺的要求來(lái)達(dá)到清晰化的目的;另一種是基于模型的圖像復(fù)原方法，它考查圖像退化的原因，將退化過程進(jìn)行建模，采用逆向處理，以最終解決圖像的復(fù)原問題。
目前通過增強(qiáng)的方式(淺透霧)來(lái)進(jìn)行透霧處理典型的方法包括：直方圖均衡化、濾波變換方法和基于模糊邏輯的方法。直方圖均衡化方法，其中全局化方法運(yùn)算量小但對(duì)細(xì)節(jié)的增強(qiáng)不夠;局部均衡方法效果較好，但可能引入塊狀效應(yīng)、計(jì)算量大、噪聲被放大及算法效果不易控制的問題。濾波變換的透霧算法，通過局部處理能獲得相對(duì)較好的處理結(jié)果，但它們的計(jì)算量巨大、資源消耗多、不適于實(shí)時(shí)性要求較高的設(shè)備。已知的基于模糊邏輯的方法透霧的效果不夠理想。
基于圖像增強(qiáng)的方法(算法透霧)能在一定程度上提高圖像對(duì)比度，并通過增強(qiáng)感興趣區(qū)域來(lái)提升可識(shí)別度。但該方法未能從圖像退化過程的原因入手來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，因此它只能改善視覺感受而不能獲得很好的透霧效果。
基于圖像復(fù)原的方法主要有以下幾類：濾波方法、最大熵方法與圖像退化函數(shù)估計(jì)法等。濾波方法如卡爾曼濾波方法，整體而言計(jì)算量較大。最大熵法能獲得較高的分辨率但是其非線性、計(jì)算量大、數(shù)值求解困難。圖像退化函數(shù)估計(jì)法大多依據(jù)一定的物理模型(如大氣散射模型與偏振特性的透霧模型)來(lái)設(shè)計(jì)，需要在不同的時(shí)間點(diǎn)采集多幅圖像作為參考圖像，以便確定物理模型中的多個(gè)參數(shù)，而最終求解得到無(wú)霧狀態(tài)下的結(jié)果圖像。透霧算法也是當(dāng)前安防行業(yè)有實(shí)力的廠家透霧產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)點(diǎn)。
追求更好還原的光學(xué)透霧
來(lái)看光學(xué)透霧的依據(jù)：自然光由波長(zhǎng)不同的光波組合而成，人眼可見范圍大致為390nm-780nm，波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短分別對(duì)應(yīng)了紅橙藍(lán)綠青橙紫七種顏色，其中波長(zhǎng)小于390nm的叫做紫外線，波長(zhǎng)大于780nm的叫做紅外線。不同波段的光因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)的不同具有不同的特性，而紅外線因?yàn)閾碛休^長(zhǎng)的波長(zhǎng)，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)確聚焦。
光學(xué)透霧技術(shù)就是采用針對(duì)紅外波段成像特殊優(yōu)化的鏡頭，通過濾光片對(duì)特定近紅外波段光線進(jìn)行截取，從而利用霧氣中的紅外光進(jìn)行成像。因此，一般光學(xué)透霧的透霧處理大都由鏡頭完成。專業(yè)透霧鏡頭內(nèi)置有針對(duì)性很強(qiáng)的濾波片，作用是精確截取所需波段的光線，且為了適應(yīng)特定環(huán)境狀況，常常會(huì)加載多片針對(duì)不同波段的濾波片，并通過485接口與攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)切換。光學(xué)透霧對(duì)于霧氣的穿透力非常強(qiáng)，成像效果表現(xiàn)較好，但由于是紅外波段成像，所以呈現(xiàn)的也只能是黑白圖像，并且這種透霧方式設(shè)備成本投入較大，一般用戶有需求但會(huì)望而卻步。
精益求精的第三代透霧
除了使用低照度性能更好的感光芯片，部分廠家甚至另辟蹊徑在機(jī)器內(nèi)部增加專門的透霧濾光片，以尋求更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的光學(xué)透霧模式，在兩濾波片的日夜轉(zhuǎn)換攝像機(jī)的基礎(chǔ)上增加透霧濾波片，可截取適合成像的近紅外波段，以實(shí)現(xiàn)較為經(jīng)濟(jì)的光學(xué)透霧。此機(jī)械裝置可由攝像機(jī)自動(dòng)控制，也可人工切換。
在當(dāng)下，市場(chǎng)上出現(xiàn)了第三代透霧技術(shù)，最典型的代表就是配合光學(xué)透霧增加了相應(yīng)的算法透霧，有人稱之為“光學(xué)+算法雙重透霧”。光學(xué)+算法雙重透霧是在光學(xué)透霧的基礎(chǔ)上集成透霧算法，在原有光學(xué)透霧的基礎(chǔ)上使透霧效果得到進(jìn)一步的提升。這種技術(shù)對(duì)于安防廠家的要求非常高，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)，就需要通過大量的實(shí)驗(yàn)論證，從多種方案中選擇出最合適的濾光片、鏡頭、傳感器和特定的透霧算法組合，在保證了透霧效果的同時(shí)，需要避免出現(xiàn)圖像噪聲過大，清晰度下降的情況，從而得到進(jìn)一步提升的透霧效果。
第三代“光學(xué)+算法透霧”技術(shù)：超級(jí)透霧，業(yè)界首創(chuàng)集成光學(xué)透霧、SSD透霧算法、自適應(yīng)感應(yīng)算法三位一體技術(shù)。自適應(yīng)透霧算法可根據(jù)圖像灰白程度智能判斷霧霾濃度，在不同的透霧模式下可自動(dòng)調(diào)節(jié)透霧等級(jí)：當(dāng)淺霧時(shí)開啟SSD算法透霧模式，根據(jù)霧的濃度，自動(dòng)調(diào)節(jié)透霧程度，提升透霧效果，圖像彩色;當(dāng)濃霧時(shí)開啟超級(jí)透霧模式，根據(jù)霧的濃度，自動(dòng)調(diào)節(jié)透霧程度，增強(qiáng)透霧效果，圖像黑白。

不同透霧，不同視界
綜合來(lái)看，在選擇一臺(tái)透霧設(shè)備的時(shí)候，除了攝像機(jī)硬件本身的能力，還需要比較各個(gè)品牌產(chǎn)品之間的“軟實(shí)力”，也就是透霧算法上的優(yōu)劣。因?yàn)楦鱾€(gè)廠家的圖像處理技術(shù)能力不同，圖像效果也會(huì)有較大差異。而數(shù)字透霧和光學(xué)透霧的成像效果區(qū)別，也恰恰決定了數(shù)字透霧和光學(xué)透霧不同的應(yīng)用方向。數(shù)字透霧能夠保留圖像原有的色彩，圖像還原能力比光學(xué)透霧略差，但是還是有部分場(chǎng)景會(huì)要求保留圖像原有的色彩，此時(shí)數(shù)字透霧會(huì)是比較理想的選擇。光學(xué)透霧則由于是利用紅外成像，所以圖像是黑白的，但是圖像還原能力更好，甚至有加入算法透霧的第三代透霧技術(shù)，可得到更好的透霧效果，在濃霧下依舊清晰成像。