霧霾圍城，且看透霧技術(shù)如何化解

　　霧霾，你的真名叫什么

　　霧霾的形成在相當(dāng)程度上是由于環(huán)境污染導(dǎo)致的，這點毫無疑問，但霧霾的具體成分又是什么呢?嚴(yán)格來說，霧霾是由兩種成分組成，即霧與霾。霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，是一種近地面層空氣中水汽凝結(jié)的產(chǎn)物;而霾的成分則相對要復(fù)雜得多了，空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳?xì)浠衔锏攘Ｗ佣际瞧浣M成部分，細(xì)心的讀者此時就會問了，那對能見度影響較為嚴(yán)重的是霧還是霾呢?由前述的介紹可知，霧當(dāng)然會對能見度構(gòu)成影響，因為霧的成分主要是水滴與冰晶體，二者對光的反射、折射、散射以及本身的渾濁與否都會對能見度產(chǎn)生影響，但無論是水滴還是冰晶體都會隨著溫度的升高而蒸發(fā)，這也是為什么起霧天時，早上的霧氣最為濃密，而等到上午時，霧氣會變得稀薄甚至消失的原因了。由此可見，主要影響能見度的是霾了，很明顯這些固態(tài)的成分是沒法憑空消失的，最多亦只會由此處飄往彼處罷了。

　　解決方案在曲折中產(chǎn)生

　　俗話說，知己知彼，方能百戰(zhàn)不殆，那么在我們對霧霾有了較為詳盡的了解后，難題亦隨之?dāng)[在了我們眼前，要知道在視頻監(jiān)控領(lǐng)域中，對畫面的要求第一是清晰，第二是清晰，第三還是清晰，而霧霾又會對能見度構(gòu)成致命影響，矛盾產(chǎn)生，那么又該如何化解呢?透霧技術(shù)便是由此而生的。在談?wù)撏胳F技術(shù)前，有一個概念比較容易與之混繞，那便是除霧功能，此功能在一些球機與一體機中較為常見，比如在一些室外溫度較低的情況下，由于一體機或者球機本身在運行時是會產(chǎn)生熱量的，導(dǎo)致機身內(nèi)外有個溫度差，此時可能會在機身內(nèi)部產(chǎn)生水滴及水蒸汽從而導(dǎo)致起霧，這當(dāng)然會對監(jiān)控畫面的清晰度構(gòu)成影響，此時一體機或者球機一般會通過加熱、通風(fēng)設(shè)備來完成對水蒸氣的去除，此便稱之為除霧功能，應(yīng)該說其與本文所要探討的透霧技術(shù)的概念還是頗為不同的。

　　現(xiàn)在回到本文的主角-透霧技術(shù)，何為透霧技術(shù)?在這里小編拒絕故弄玄虛，不妨直接望文生義一番，透霧技術(shù)即是穿透霧霾的技術(shù)，什么穿透霧霾?視頻監(jiān)控畫面穿透霧霾，即是讓攝像機即使是在霧霾天氣時亦能展現(xiàn)出清晰的畫面來。

　　正如本文的開頭部分所言，隨著環(huán)境污染的加重，城市霧霾天氣的出現(xiàn)越發(fā)頻繁，而普通攝像機在霧霾天氣下的監(jiān)控效果往往差強人意，其畫面猶如一幅抽象畫，除了朦朧還是朦朧，讓人不明所以，一旦有安全事故發(fā)生，其視頻的參考價值相當(dāng)有限，而一向以販賣“安全”為生的安防行業(yè)豈能容忍?也因此加持透霧技術(shù)的攝像機越來越廣泛地得以應(yīng)用，國內(nèi)各大廠商紛紛發(fā)力于透霧技術(shù)的研發(fā)，可謂碩果累累。

　　就目前的視頻監(jiān)控而言，透霧技術(shù)的實現(xiàn)主要分為兩種，其一是基于人類視覺感知模型而設(shè)計的圖像復(fù)原技術(shù)，再結(jié)合先進(jìn)的算法來修復(fù)畫面，此乃電子透霧也;其二是利用近紅外光相對可見光在傳播時受氣溶膠的影響較小，可穿透一定濃度霧霾的特性來實現(xiàn)透霧功能，我們通常稱之為光學(xué)透霧;兩種透霧技術(shù)均能取得不錯的透霧效果，但這二者的透霧效果孰優(yōu)孰劣呢?真可謂一言難盡，暫且將其擱置，留待后文再細(xì)細(xì)詳述了。

　　電子透霧，繽紛世界的呈現(xiàn)

　　“電子透霧主要是采用圖像處理技術(shù)，根據(jù)霧霾退化模型建立起對圖像內(nèi)容的數(shù)學(xué)描述，并通過分析計算(即算法)，提取以及強化景物特征，同時弱化乃至消除霧霾成分的影響，進(jìn)行逆向的退化模型的還原。”在談到何為電子透霧時，來自杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司的工程師范蒙對筆者如是回答，依據(jù)?？低暪こ處煼睹傻慕忉尶芍?，電子透霧技術(shù)可算得上是一種修修補補的技術(shù)，也就是說，它是由一種業(yè)已生成圖像這種結(jié)果去逆推圖像本來之真面目的，然后把這個經(jīng)過透霧技術(shù)優(yōu)化后的所謂真面目輸出顯示，很明顯，這是一種逆向的推演過程。

電子透霧關(guān)

電子透霧開

　　那么在這種逆向推演過程中，影響最終成像效果的關(guān)鍵因素是什么呢?那便是透霧技術(shù)的算法，談到透霧算法，恐怕不得不提及何愷明博士于2009年發(fā)表的論文《Single Image Haze Removal Using Dark Channel Prior》，作為當(dāng)年計算機視覺領(lǐng)域最頂尖國際會議的最佳論文，其主要的貢獻(xiàn)在于總結(jié)出了含霧圖像的基本規(guī)律-暗通道先驗理論，簡單說就是霧霾總是呈現(xiàn)灰白色，一旦景物受到霧霾影響，皆顯出灰白色來，然后依據(jù)物理上霧霾的形成公式，根據(jù)物體的灰白程度來判斷出霧霾的濃度，從而有效地消除霧霾對畫面產(chǎn)生的影響，還原出更為真實的畫面來。“何愷明博士的理論可算是近年在電子透霧技術(shù)方面所取得的最大進(jìn)展之一。”?？低暪こ處煼睹山榻B道，但該算法亦有其局限性，比如在監(jiān)控雪地、大海等場景時，其透霧效果往往會不太理想，再者該算法盡管透霧效果良好，但算法的復(fù)雜程度頗高，導(dǎo)致其運算速度不快，影響了監(jiān)控畫面的實時性。

　　近年來，國內(nèi)各大安防廠商對電子透霧技術(shù)的研發(fā)幾乎都是建立在何愷明博士所提出的暗通道先驗理論上，盡管透霧算法是電子透霧效果好壞的決定性因素，但僅有優(yōu)質(zhì)的算法顯然是不夠的，一個足球團(tuán)隊的優(yōu)秀表現(xiàn)需要11個人的通力合作，電子透霧技術(shù)亦是如此，先進(jìn)的算法還需相對應(yīng)的硬件支撐方能實現(xiàn)，因為先進(jìn)的算法往往是復(fù)雜的，而算法越復(fù)雜，就越需要強悍的硬件性能來配合完成。

　　“電子透霧技術(shù)作為一種較佳的透霧解決方案，有其先天性不足的一面，那就是作為一種圖像增強技術(shù)，對大氣傳播過程中已經(jīng)損失掉的圖像信息，是無法實現(xiàn)“從無到有”般地恢復(fù)。”在言及電子透霧技術(shù)的局限性時，浙江宇視科技有限公司IPC團(tuán)隊回應(yīng)道。此外，電子透霧技術(shù)在利用透霧算法進(jìn)行逆向的退化模型還原時，當(dāng)畫面中所含有的景物信息偏弱時，對景物的還原往往還可能引入一定程度的噪聲，而在面對較為嚴(yán)重的霧霾時，采用電子透霧技術(shù)的話，透霧效果往往會不明顯。當(dāng)然我們需懷著一顆哲思的心去評判世間萬物，從來就不存在什么一勞永逸的解決方案，概莫能外。

　　那么在面對電子透霧技術(shù)無能為力的高濃度霧霾時，我們又該如何是好呢?科學(xué)的發(fā)展是沒有極限的，下面我們就來重點探討一下高濃度霧霾的克星-光學(xué)透霧技術(shù)。

　　無限接近真實細(xì)節(jié)，光學(xué)透霧

　　光學(xué)透霧技術(shù)相對電子透霧技術(shù)而言，產(chǎn)生的時間可能更早，其產(chǎn)生之初主要應(yīng)用在邊防系統(tǒng)、海防系統(tǒng)以及森林防火等領(lǐng)域中，隨著技術(shù)的進(jìn)步及價格的回落，應(yīng)用在民用級領(lǐng)域的情況也漸漸多了起來。

　　那么什么是光學(xué)透霧技術(shù)呢?光學(xué)透霧即是利用透霧鏡頭完成對特定波長之光線(近紅外光線)的撲捉從而實現(xiàn)清晰成像的。這里有兩點需要注意，其一是特定波長之光線，我們知道自然光是由紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅七種不同顏色的光線組合而成的，并且每一種顏色光線的波長是不同的，其中波長在100-380nm間的是紫外線，可見光的波長范圍則在380-780nm間，而光學(xué)透霧所言特定波長之光線則在780nm以上，即紅外線之波長范圍，由于紅外線的波長較長，在傳播時其受氣溶膠的影響較小，對霧霾煙塵具備一定的穿透能力，從而幫助鏡頭實現(xiàn)準(zhǔn)確的聚焦。

　　其二是透霧鏡頭，“透霧鏡頭與普通鏡頭最大的不同在于能承受紅外波段的寬度上，也即成焦面的寬容度，透霧鏡頭的寬容度肯定要更寬些。”來自深圳優(yōu)色專顯科技有限公司工程主管陳文永在回答透霧鏡頭與普通鏡頭的區(qū)別時作如是回應(yīng)。上述的回答很明顯包含了這樣一個意思，那就是鏡頭能夠撲捉到的紅外線的波長范圍越大，參與成像的紅外線便越多，畫面的亮度就越高，最終的成像自然就越清晰，透霧效果當(dāng)然就更好了。那么實際情況又是怎樣的呢?“受限于鏡頭光路設(shè)計的難度及CCD的感光能力，在目前已知的安防透霧鏡頭中，可利用的最長紅外波段為1100nm。”優(yōu)色專顯科技工程主管陳文永補充道。也就是說，目前的安防行業(yè)中，透霧鏡頭可采集到的紅外線的波長范圍大致在780-1100nm間。

光學(xué)透霧關(guān)

光學(xué)透霧開

　　
既然透霧鏡頭依靠的是紅外線的特征來實現(xiàn)透霧的，那么其撲捉到的圖像是否會失去色彩的豐富性，只能呈現(xiàn)出黑白的畫面?是的，這可算是光學(xué)透霧的一個缺陷，畢竟技術(shù)亦有其局限性。

　　由前述的探討我們知道，要想實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)的光學(xué)透霧效果，其關(guān)鍵在于透霧鏡頭，難點亦在其上。專業(yè)的透霧鏡頭一般內(nèi)置有針對性很強的濾波片，濾波片的作用在于更加精確的截取所需波段長度的光線，同時為了應(yīng)對不同環(huán)境下的透霧功能，往往還需要加載多片濾波片以滿足對不同波段光線的有效截取，那么在不同的濾波片間是如何實現(xiàn)切換的呢?聯(lián)動，透霧鏡頭與攝像機聯(lián)動的方式通常是通過RS485接口來實現(xiàn)的。當(dāng)然，專業(yè)的透霧鏡頭對與之搭配的攝像機亦是有一定要求的，那就是攝像機起碼得具備基本的日夜轉(zhuǎn)換功能。

　　“光學(xué)透霧的最終成像效果還會受到被監(jiān)控物體與背景本身對紅外光的反射性質(zhì)等因素的影響，被監(jiān)控物與背景反射紅外光的差異越大，光學(xué)透霧的效果便越好。”宇視科技IPC團(tuán)隊最后補充道。由前述的介紹我們可知，光學(xué)透霧技術(shù)是從圖像的源頭發(fā)力，盡管其會失去色彩的豐富性，但在畫面的真實性及細(xì)節(jié)的豐富性上算得上是相當(dāng)給力的。

　　孰優(yōu)孰劣

　　前文中我們就電子透霧與光學(xué)透霧進(jìn)行了較為深入的探討，那么在這兩種透霧技術(shù)中，哪種透霧技術(shù)之效果會更好呢?筆者對此問題亦是感到頗為頭疼，一種莫可名狀、一言難盡的感覺涌上心頭，但也不妨以本人淺薄的知識積累來稍加分析。

　　電子透霧的一個優(yōu)勢在于色彩表現(xiàn)上，也即經(jīng)過電子透霧技術(shù)處理后的圖像，其對色彩的還原是頗為真實的，此為其一;其二是電子透霧的應(yīng)用范圍更加廣泛，因為電子透霧技術(shù)的核心在于透霧算法，而算法是可以加諸在任何硬件設(shè)備上的，只要該硬件設(shè)備滿足透霧算法加諸的條件即可，因此，我們不但可以在作為前端的攝像機上見到電子透霧功能，在后端的DVR、NVR甚至顯示器上亦可見到電子透霧功能，電子透霧可算是一種應(yīng)用范圍廣、經(jīng)濟(jì)實惠且效果不錯的一種透霧技術(shù)，但其有一些先天性不足的地方，作為一種后端圖像復(fù)原技術(shù)，電子透霧是一種依靠透霧算法來逆向演推的過程，當(dāng)景物信息相對偏弱時，對圖像的還原往往還會引入噪聲，這點跟降噪算法頗為相似，當(dāng)降噪功能開啟后，在抹平畫面噪聲的同時，亦會導(dǎo)致畫面細(xì)節(jié)的損失，魚與熊掌，不可兼得。再者，糟糕的透霧算法甚至可能會導(dǎo)致畫面失真，而優(yōu)質(zhì)的透霧算法往往會相對復(fù)雜些，這對背后支持該算法運行的硬件設(shè)備亦是有要求的。

　　與治標(biāo)的電子透霧不同，光學(xué)透霧可算是一種治本之策，因為它依據(jù)的是近紅外光的特性實現(xiàn)在圖像源頭便進(jìn)行真實撲捉的一種技術(shù)，盡管其撲捉到的圖像失去了色彩的豐富性，但畫面的真實性更為可靠，也因此，在電子透霧面對濃重霧霾一籌莫展之際，光學(xué)透霧卻能取得絕佳的透霧效果(見圖2)，即使是在霧霾非常少的情況下，光學(xué)透霧相對電子透霧在對遠(yuǎn)景細(xì)節(jié)的把控上依然具備優(yōu)勢，但其實現(xiàn)方式相對要復(fù)雜些，專業(yè)的透霧鏡頭+濾光片，導(dǎo)致光學(xué)透霧的實現(xiàn)成本相當(dāng)高昂，限制了其應(yīng)用范圍，目前光學(xué)透霧主要應(yīng)用在邊防系統(tǒng)、海防系統(tǒng)以及森林防火等領(lǐng)域中，再者鑒于光學(xué)透霧的實現(xiàn)原理，目前其只能應(yīng)用在前端采集設(shè)備的攝像機上。

　　結(jié)語

　　安防行業(yè)中，對視頻監(jiān)控畫面的要求永遠(yuǎn)是“清無止境”的，而霧霾對畫面清晰度的影響可謂是致命性的，透霧技術(shù)的出現(xiàn)可謂解了安防行業(yè)的燃眉之急，但無論是電子透霧抑或光學(xué)透霧，均有其局限性，可喜的是目前國內(nèi)一些知名安防廠商已開發(fā)出集電子透霧+光學(xué)透霧的雙透霧功能于一身的攝像機，且實際的應(yīng)用效果亦相當(dāng)不錯(詳見本期的專題評測)，這更加堅定了筆者的一個信念：隨著技術(shù)的不斷進(jìn)化完善，霧霾下的高清晰監(jiān)控成像終將成為鐵一般的現(xiàn)實。