透過(guò)迷霧不再迷茫 淺析?？低曂胳F技術(shù)

視頻監(jiān)控的需求主要分為兩類，白天的需求和夜間的需求。夜間效果主要的提升之道以低照度和補(bǔ)光居多，也就造成了現(xiàn)在市面上白光補(bǔ)光、紅外補(bǔ)光、激光補(bǔ)光等各式各樣的攝像機(jī)盛行;非補(bǔ)光類的，當(dāng)屬星光級(jí)超級(jí)照度是為當(dāng)下熱門。而關(guān)于白天效果的提升，一大關(guān)鍵點(diǎn)是能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境變化，也就是我們通常所說(shuō)的“全天候”。

監(jiān)控?cái)z像機(jī)常常面對(duì)室外全天候監(jiān)控的考驗(yàn)，除了強(qiáng)光、暗夜、雨雪天氣，霧霾就是監(jiān)控的一大“天敵”。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(méi)在霧氣中難以被察覺(jué)。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)的發(fā)展

透霧監(jiān)控需求最早出現(xiàn)在海事邊防等國(guó)防應(yīng)用，一開(kāi)始相關(guān)產(chǎn)品都只在透霧鏡頭上做研究，研發(fā)了一種光學(xué)透霧技術(shù)，也就是我們通常所說(shuō)的第一代透霧技術(shù)。光學(xué)透霧采用針對(duì)紅外波段成像特殊優(yōu)化的鏡頭，通過(guò)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。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。

近幾年隨著民用需求的增長(zhǎng)，也為了實(shí)現(xiàn)更好的透霧效果，相關(guān)廠家開(kāi)始在攝像機(jī)視頻圖像增強(qiáng)技術(shù)上做研究，也就是現(xiàn)在在安防監(jiān)控市場(chǎng)上非常普遍的數(shù)字算法透霧攝像機(jī)，我們稱之為第二代透霧技術(shù)。數(shù)字透霧技術(shù)目前很多安防廠家主要停留在第一個(gè)階段——“淺透霧”階段，這類方法通過(guò)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)。

但是總是有那么一部分用戶不滿足于對(duì)比度的提升，所以數(shù)字透霧攝像機(jī)進(jìn)入了第二個(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(guò)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。

圖1第一代和第二代透霧技術(shù)

而在當(dāng)下，部分廠家精益求精，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種第三代透霧技術(shù)。除了使用低照度性能更好的感光芯片，甚至另辟蹊徑在機(jī)器內(nèi)部增加專門的透霧濾光片，而最主要的革新是配合光學(xué)透霧鏡頭增加了相應(yīng)的算法透霧，有人稱之為“光學(xué)+算法透霧”。光學(xué)+算法透霧，著手于在光學(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)依賴于各大廠家透霧算法技術(shù)的不同，效果也有好壞。

圖2光學(xué)+算法透霧與光學(xué)透霧效果對(duì)比

由此看來(lái)，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)品之前的“軟實(shí)力”，也就是透霧算法上的優(yōu)劣。

彩色透霧熱點(diǎn)：透霧算法

數(shù)字透霧技術(shù)可以在透霧的同時(shí)，保留圖像原有的色彩，而數(shù)字透霧的核心就是透霧算法。前面提到，透霧算法技術(shù)主要有兩個(gè)階段，可以分為兩類：一種是非模型的圖像增強(qiáng)方法，通過(guò)提高比度，滿足主觀視覺(jué)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(guò)程進(jìn)行建模，采用逆向處理，以最終解決圖像的復(fù)原問(wèn)題。

目前通過(guò)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(wèn)題。濾波變換的透霧算法，通過(guò)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(guò)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(guò)程的原因入手來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，因此它只能改善視覺(jué)感受而不能獲得很好的透霧效果。所以，真正的數(shù)字透霧是基于圖像復(fù)原來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是我們通常所說(shuō)的“算法透霧”。

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。

圖3基于圖像增強(qiáng)透霧和基于圖像復(fù)原透霧效果差異

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)。以?？低?/strong>為例，在充分分析透霧理論的優(yōu)勢(shì)與不足，并進(jìn)行深入的研究探索后，?？低暯Y(jié)合安防監(jiān)控領(lǐng)域的視頻圖像透霧的特殊要求，開(kāi)發(fā)了一種實(shí)時(shí)視頻透霧技術(shù)。該技術(shù)基于大氣光學(xué)原理，區(qū)分圖像不同區(qū)域景深與霧濃度進(jìn)行濾波處理，獲得準(zhǔn)確、自然的透霧圖像，稱之為“SSD算法透霧”。

在圖像處理中，一般用下述模型來(lái)表達(dá)所看到的有霧圖像：

代表所看到的圖像強(qiáng)度，是景物光線強(qiáng)度，是大氣光成分，是用來(lái)描述光線通過(guò)媒介時(shí)沒(méi)有被散射掉的那部分。透霧的目標(biāo)就是從中恢復(fù)出、、，即對(duì)應(yīng)于透霧后的結(jié)果圖像。其中，稱為直接衰減項(xiàng)，代表的是景物光線在媒介中經(jīng)過(guò)衰減后的部分，為大氣光成分，由前方散射引起。

實(shí)時(shí)視頻透霧處理的流程見(jiàn)圖4所示。其輸入為點(diǎn)陣格式視頻數(shù)據(jù)，輸出為經(jīng)處理后的結(jié)果，與輸入視頻格式相同。由于實(shí)時(shí)視頻透霧方法能夠?qū)⒓?xì)節(jié)進(jìn)行有效的恢復(fù)和增強(qiáng)處理，因此對(duì)經(jīng)過(guò)一定程度有損壓縮后的視頻也能夠起到相當(dāng)?shù)男Ч斎胍曨l數(shù)據(jù)可以是未經(jīng)有損壓縮編碼處理的有霧視頻，也可以是壓縮有霧視頻的解碼圖像，相對(duì)而言，未經(jīng)有損編碼處理的視頻，由于其包含的信息量更為豐富，透霧后能獲得更為理想的處理結(jié)果。

圖4實(shí)時(shí)視頻透霧流程圖

基于輸入的有霧視頻，本方法利用大氣成像模型來(lái)分析特征，估計(jì)出大氣光值和透射率兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理算法，利用直方圖統(tǒng)計(jì)、對(duì)比度增強(qiáng)與濾波等處理來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻的實(shí)時(shí)透霧。

由于同時(shí)包含了全局和局部的霧濃度估計(jì)，該實(shí)時(shí)視頻透霧技術(shù)能夠根據(jù)霧況自動(dòng)調(diào)整適應(yīng)各種變化場(chǎng)景以及場(chǎng)景內(nèi)的局部區(qū)域，避免出現(xiàn)近景透霧過(guò)度發(fā)黑而遠(yuǎn)景模糊的情況；同時(shí)兼顧了實(shí)現(xiàn)的效率與復(fù)雜度，保證了整個(gè)透霧的實(shí)時(shí)性與可工程化。

黑白透霧熱點(diǎn)：突破極限

前面我們有提到透霧發(fā)展的第三個(gè)階段“光學(xué)+算法透霧”，在黑白成像的光學(xué)透霧的基礎(chǔ)上增加各家的透霧算法，突破極限。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(guò)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(guò)大，清晰度下降的情況，從而得到一種震撼的透霧效果。

圖5光學(xué)+算法透霧原理示意圖

還是以海康威視為例，?？低曌灾餮邪l(fā)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)。超級(jí)透霧可用于多種戶外需要預(yù)防濃霧的場(chǎng)合，如高速公路、鐵路、航運(yùn)、機(jī)場(chǎng)跑道等重要或事故易發(fā)區(qū)段；發(fā)電廠與電力傳輸設(shè)備、通訊基站等重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域；河道、港口、邊境、海事監(jiān)控、森林防火等觀察距離較長(zhǎng)的監(jiān)控應(yīng)用；中小學(xué)校園、城市廣場(chǎng)、旅游景區(qū)等。從應(yīng)用的行業(yè)來(lái)看，包括交通、公安、航空、通訊、環(huán)保、水利、農(nóng)林牧漁，以及邊防等。

總結(jié)

透霧技術(shù)經(jīng)過(guò)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；黑白透霧，則是以“光學(xué)透霧”為基礎(chǔ)和典型代表，可增加透霧算法來(lái)達(dá)到更好的透霧效果，力求得到更好的透霧效果，最典型的做法是“光學(xué)+算法透霧”，在濃霧下依舊清晰成像。透霧技術(shù)的發(fā)展也一直伴隨著透霧算法的進(jìn)步，可以說(shuō)，安防廠家誰(shuí)掌握了透霧的核心算法，誰(shuí)就掌握了“霧霾天”下的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

透霧技術(shù)，助你撥開(kāi)迷霧、不再迷茫。你是選擇彩色？還是更透的黑白？