“透雾”能否成为模拟枪机的强心剂

2011-07-19 16:37:23来源: CPS

  理想气候、空气洁净的地区,比如山区视觉距离能达近百公里,然而烟、雾、霾、水气、雨、雪、灰尘、黑暗、水下等环境会大大降低视觉距离,光电成像系统通常是按照标准的清洁环境设计的,在这种恶劣的户外条件下图象质量会严重下降,严重影响观察监视。在这种条件下,透雾摄像机可以使图像变得清晰,让人们看得看得更远更清晰。透雾摄像机其中的视频增强算法,采用多尺度的自适应图像图像增强算法,具有锐化、色彩恒常、颜色高保真和高动态范围压缩等特性,在处理恶劣天气下视觉质量较差的图像时,图像质量得到很大的改善。在硬件上使用高性能的DSP技术,通过优化设计,实时实现了复杂的多尺度的算法,从而确保了透雾摄像机对不同的气候环境的图像增强具有普遍适应性。

  神州数码(中国)有限公司安防事业部平原告诉记者,透雾摄像机是指在有雾的环境中,能够穿透雾气,看到雾背后、雾气中景物的摄像机。这种摄像机一般需要额外配备专业的透雾镜头,所以通常透雾摄像机多为枪机。透雾摄像机设有很多等级标准,用户可以根据雾的浓度,选择不同的透雾等级,调节摄像机的图像精准度。而普通的摄像机,没有透雾功能,在有雾气的环境中,使用效果较差。

透雾摄像机发展历程

  透雾摄像机起源于红外摄像机大热时期的2007年,迄今为止已经走过了4个年头,但是真正到了2010年底才开始了它的中兴之旅。透雾摄像机的功能是随着IR-cut滤光片切换装置的使用而被发现的:当夜晚降临时,微弱光线经过滤光片被过滤掉可见光成为黑白色图像时,其剩余光谱只留下较小波段。当出现雾霾天气时,把具有IR-cut滤光片切换装置的摄像机照搬使用,研究人员发现可以改变一定的雾霾状况,但是效果不是很理想。研究人员经过对滤光片的改良,发现特定的可见光波段具有透雾能力,其实这跟透雾镜头中内置的透雾滤光片切换装置原理相同,说白了只是搬到了另外一个场所。

  一直跟踪透雾摄像机研究数年的深圳市埃力韦森光电科技有限公司夏石英总经理介绍说,透雾摄像机的发展历经了三个时期,也就是三代,但是目前因为市场发育不成熟,市面上大部分的透雾摄像机是配置了专业的透雾镜头而达到成像的效果,也就是说“三代同堂”。具体说来,第一代透雾摄像机是借助软件对所摄图像进行后期优化处理;第二代透雾摄像机则是以光学方式借助强大的透雾镜头来实现透雾效果;第三代透雾摄像机是结合了前两代产品的优点,并具备一定的自动预处理能力。说到底,透雾摄像机的透雾原理是在不可见光的范围内,有一定频率的光线可以穿透雾气,但由于波长不同,所以需要镜头对其聚焦并进行设计,将此不可见光进行成像。由于这个不可见光没有对应的可见光色彩图,所以在监视器上呈现的图像为黑白色。面对此原理,一部分业内人士认为雾的水滴直径在2~10um,中远红外基本上透不过去,甚至雷达均不能透过云雾,所以此理论纯粹炒作概念。

  早期的传统模拟枪机借助透雾镜头在青藏线中应用,当时选择此类型镜头重要考量因素则正是高原地带大雾天气频发。如富士能最具代表性的透雾镜头D32和D60系列产品,其充分运用了特殊的光学镜片、大幅提升光通量的EBC宽带多层镀膜技术、支撑镜体内装配的十多片镜片组准确且平滑移动的精密加工技术,以及准确且能任意对马达进行控制的软件技术,从而满足了夜视、透雾、防抖等多种多样的用途需求。因为数量少、品牌少的缘故,市场上专业级日系透雾镜头售价都在万元线以上,笔者了解到,目前安防专业级透雾镜头有富士龙、科娃等几个日系品牌在做。就在配备专业镜头的透雾摄像机遭受价格高企质疑的同时,多家国内企业又推出了不依靠镜头,只依靠摄像机进行光学处理达到透雾效果的透雾摄像机。透雾摄像机的品牌也比较有限,比较知名的有日系的池野、池田,国产的有神州数码(安朋)、永辉、紫光积阳、科安信、埃力韦森、富尼泰达、亿成安、华天成、弘毅安、凯世佳等等品牌。

  深圳市永辉科技市场部经理李善兴对透雾摄像机如此描述:“利用高集成度设计方法,通过在摄像机中放置专用的高精度光学转换器件、专用CCD成像器件,配和最新技术研发的专用摄像机滤光片切换机构,从光学、电子、软件多方面构成一个光、电一体化的专家级视频透雾监控解决方案,因为采用了影像增益引擎技术搭配影像优化电路,能够自动侦测图像中的灰度雾像数据,实时调整图形的动态范围曲线,强化色彩还原度,使该摄像机具备了彩色透雾功能,可以在彩色模式情况下,让迷雾中的景像清晰可见”,相比之前配备专业镜头的透雾摄像机,该解决方案可以“可以应用各类CCTV镜头,给用户一个广泛的应用选择”,“透雾摄像机配置专门的透雾切换控制装置,只需远程发送切换命令即可实现正常模式和透雾模式的转换。透雾摄像机配合专用特种镜头可以发挥更佳的透雾性能”。由此段描述来看,该产品架构极大地解决了之前透雾摄像机的诸多问题,方便了用户的控制切换。

雾霾,视频监控的最大障碍

  令人记忆犹新的2010年12月1日,中央气象台发布大雾蓝色预警:全国大部分地区发生大雾天气。当天的大雾给人们交通出行带来了极大的不便,其实这只是我们熟知的,大雾天气是交通事故频发的重要因素,同时,大雾天气对于视频监控也有很大的影响,特别是在交通、森林等领域,“雾”会造成有效视频监控距离大大缩短,使图像变得模糊,严重的情况下图像一片雪白,使视频监控系统变得毫无用处,严重影响到城市安全,这时候,很多人头脑中都出现了去年北京展会上风靡一时的透雾摄像机,在此情况下,透雾摄像机显得尤为重要,这到底是怎样一种产品?

  自然界中的雾是悬浮在贴近地面的大气中的大量微细水滴(或冰晶)的可见集合体,使能见度降到1公里以下。雾是基于光学成像原理的视频监控系统的大敌,雾造成有效视频监控距离大大缩短,使图像变得模糊,严重的情况下图像一片雪白,使视频监控系统变得毫无用处。不仅仅像英国伦敦、中国重庆等广为人知的各地“雾都”,近年来随着全球气候变暖、城市化进程加速、人口密度增加,城市的大雾现象变得越发严重,城市大雾对城市的治安监控、交通监控、环境监控等视频环境造成极大的损害,严重时可能造成城市安防系统瘫痪。另外,森林、大面积植被环境由于绿色植物的呼吸作用,在每年春秋季的清晨、黄昏容易造成覆盖大面积区域的雾气,这些雾气给森林的安全防范以及火灾防范造成了极大的危害,使通常的长焦距镜头摄像机系统失去原有的威力。再比如海岸、港口、河道由于水汽蒸发原因,常年湿度较大,形成无法消除的大量水雾,常年的水雾密集使港湾的监控难以有效实施。多年以来,很多的光学、电子、软件专家致力于视频图像的雾气消除研究工作,然而事实证明单一解决手段无法从根本上解决这个问题。

  透雾原理说起来简单也不简单,说复杂也不复杂:在不可见光的范围内,有一频率的光可以穿透雾气,但是由于起波长不同,所以需要在摄像机上进行处理,以达到对其聚焦的目的,同时还需要在摄像机上进行从新设计,用来将这一频率的不可见光进行成像,由于这个不可见光没有对应的可见光色彩图,所以在监视器上呈现的图像为黑白颜色。透过云雾、水气拍摄物体,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GB均无法正常的投射在CCD成像面上,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,深圳紫光积阳科技采用的镜头内置有专利设计的UD镜片组及GOTECH的技术,不但在日夜功能上及自动修正纵向色差上的特殊功能,使透雾技术及原有的日夜功能,对白天彩色RGB及夜晚的IR能量进行更精确的纵向色差调整,使RGB及IR等大自然能量更准确、集中到镜头成像面上,从而达到透过云雾、水气拍摄环境及目标图像。

透雾为全天候摄像机打开缺口

  长期以来,红外摄像机一度被人称为全天候摄像机,但是却因为雾霾、积尘等原因达不到人们的期望值。除具备基本功能外,如何在大雾环境下记录高清图像,成为这些行业用户的实际需求。透雾摄像机能够清晰记录图像,广泛应用于这些领域,并得到用户的高度好评。透雾摄像机中植入的宽动态夜视增强功能,其实夜晚的光照条件远比白天复杂,动态范围不亚于银行门口的室内外的光照差异程度,夜晚要实现夜视图像的宽动态,用通常的白天宽动态的处理方法存在局限性,比如2次曝光成像中的一张通常是1/50秒,可是在夜晚的低照度条件下1/50秒的曝光时间仍然不能得到正常图像时,透雾DSP就需要增强了。透雾摄像机采用夜视增强的方式来提升,智能电透雾是随着摄像机DSP技术的发展而开发出的一种机型,暗处的照度实现整个图像的宽动态,再加上智能边缘锐化智能视频信号处理技术,是摄像机的DSP自动侦测图、伽马值调整增色等智能处理得到其他技术所无可比拟的像的密度,自动调整颜色对比度和亮度。因为环境因素引起变差的图像得到纠正达到透雾的目的,普通夜视高清摄像机光线复杂时不能兼顾。

  为满足许多特定监视摄像场景图像增强的需求,使得摄像机在烟雾、雨雾、尘雾、霾、蒸汽、水汽、逆光、反光、弱光、眩光、强红外光等环境下获得理想的画质,透雾摄像机一般都融入数字宽域图像增强技术,宽动态夜视增强摄像机与传统CCD摄像机相比,具有以下显着功能特点:在亮度未变的情况下,暗处的亮度得到了提升,车子和车牌照得以能够辨认;红外夜视增强功能,有效解决红外成像画面“白蒙蒙”现象,使画面层次突显;夜视能见度增强30以上;彩色夜视色彩增强功能,使夜晚低照度下画面颜色更加丰富、层次更加分明、提高画质;彩色低照能见度增强30以上;烟、雾、尘、霾增透功能,能见度增强40以上;DAY/FOG/NIGHT三模摄像机普通双滤色片的切换,是以摄像机设别到环境照度为基准的,而三模摄像机的设别内容增加为三个即:白天、雾天、夜晚。摄像机根据这三种设别来自动选择滤色片,三模摄像机能够根据照度和大气中的浑浊程度来选择光学,摄像机的DSP在获取图像的参数智能滤光片和进行相应的智能透雾宽动态夜视增强处理、提高、识别出雾的存在,进而进入智能处理得出较清晰的图像,其图像质量可谓真正的全天候摄像机。

各种透雾摄像机的解决之道

  国内有实力开发透雾摄像机的厂家并不多,已经推出该摄像机的安防厂商,其透雾技术应用的基本原理都是类似的。但传统的透雾摄像机,都只能在黑白的状态下透雾,而神州数码AMPON(安朋)开发了黑白、彩色两种模式下的透雾功能,实现了在两种模态下的透雾,这是与市场同类产品最大的不同。以神州数码AMPON(安朋)高清透雾DCS-B730摄像机为例,该摄像机采用最先进的影像增益引擎技术搭配影像优化电路,使该摄像机具备双模透雾功能,可自动侦测图像中的灰度雾像数据,并统计全区图像的亮度数据,经由高精细图像处理算法,结合图像处理芯片灰阶曲线变换,针对各点计算出最佳修正曲线及对比度,实时调整图像的动态范围曲线并强化色彩还原度,以减少雾气对图像所产生的原始影像干扰,让迷雾中的景象清晰可见,轻松还原高清图像,广泛应用于交通、港口、森林防火等监控场所。此外AMPON(安朋)透雾摄像机,集成了交通强光抑制、红绿灯识别、暗区补偿等功能,是一款功能全面、性能优秀的产品。

  说起来, 透雾摄像机的结构并不是很复杂, 其外形也与常见的传统模拟枪机相似, 一般来说采用超级灵敏度传感器1 / 2 ” S O N Y E x w a v e H a d I I代或1/3”SONY SuperHad II代(内部代号638/639AK)CCD,配合红外修正IR镜头,使黑白感红外模式清晰成像,内置机械式切换红外线滤镜,有效保证夜间超高灵敏度的红外线吸收能力,自动黑电平调整和轮廓校正功能,灰度等级达到135级标准,可以在有雾气和阴霾天气下的达到明显透视效果,广泛应用于公里、铁路等交通系统、国防边境、城市环境监视、森林防火监控等重要环境的视频监控。

  深圳市山禾乐科技市场部经理柳顺禄指出,其一、各品牌的透雾摄像机原理及结构基本是一致的,并且外观、镜头、激光灯都成为可选搭配。其二、功能上主要取决于市场的需求来区别结构的组配,如长焦变倍镜头、激光灯、透雾镜头,激光透雾模块等。透雾摄像机应用了两大技术,分别为智能图像纠正(ImageCorrection)和光学透雾(OpticalFog Reduction)。光学透雾是通过选择物体反射的近红外波段进行成像智能图像纠正增强技术,采用基于模糊理论的单层次原理来实现透雾的。因为近红外线能够绕过悬浮颗粒物,使用多层次图像增强算法及自适应图像增强非线性算法解决以上问题,再采用滤波算法祛除空气中的小水珠雾气灰尘和水汽的结合体霾,在滤除噪声的同时,最大限度地保持图像信号的高质量。遇到浮在空气中的烟尘等,绕过后直行,不改变方向和可见光频谱细节,实现彩色增强、反差增强、边缘增强、密度分离,可见光则受到上面这些诸多因素的映像产生光线传输的方向、模糊等,使不同场景下的摄像画质得到明显提高改变。物体反射光线透雾分为光学透雾和电透雾,根据不同的使用场合和不同的客户要求,透雾摄像机采用光学透雾,或者采用物镜、蓝、绿、红CCD靶面,用电透雾或者采用光电两者结合智能透雾方式再配合夜视增强和宽动态的要求生产出不同种类的摄像机。

  透雾摄像机的核心是多波段摄像机和高灵敏度的微光CCD。CCD可根据环境自动在微光和近红外两种模式间切换,同时CCD的近红外波段透雾特点还采用了独特的时间域与空间域相结合的图像处理技术,在雾天使用时,可具有3倍能见度的透雾能力,彻底改善了以往雾天监控效果差的弊端,使得雾天监控也可以像晴天时一样清晰可见。而在晴天的夜晚,测试结果显示,透雾摄像机可以完成对民航客机300多公里的超远距离探测测试。当然,光是硬件支持仅仅是一个方面,还需要针对透雾的实时图像处理软件,并固化在DSP(数字信号处理)上得以实现。通过此软件处理的拍摄图像,在远程、透雾、夜视等方面均有进一步的提高。

  透雾摄像机拍摄模式的自动切换,以及实时图像处理软件等技术的运用,进一步简化了透雾摄像机应用,并大幅度降低了成本,将原本主要应用于军事领域的产品技术带入到更多行业。去年在本刊评测室亮相的神州数码AMPONDCS-B730,采用影像增益引擎技术搭配影像优化电路,自动侦测图像中的灰度雾像数据,实时调整图形的动态范围曲线,强化色彩还原度,使该摄像机具备了彩色透雾功能,可以在彩色模式情况下,让迷雾中的景象清晰可见,使其可广泛应用于防空、海防、边防的安全保卫,大型设施、油田、高速公路、海上养殖基地、海上重要设施的视频监控。另外,CBC推出的一款名为MIST透雾摄像机则能有效保证航海船只的正常运行,该摄像机水平清晰度达到540TVL,具备高感度数字式、机械式日夜转换功能以及高速日夜模式切换,并且摄像机内部的新图像处理系统,能自动检测并判断大雾、雨雪等恶劣的气候环境,它能根据可视环境的恶劣程度自动进行图像修正和对阴暗区域进行亮度调整。

结束语

  从目前透雾摄像机的应用现状看,在边防、港口、高速公路,收费站等场所都部署了透雾摄像机,也取得了较好的监控效果。但随着用户监控需求的不断提升,透雾摄像机还需改善产品性能,从多方面对其进行功能开发,以获取更高清的图像,实现监控的高清化、智能化、网络化。神州数码平原认为,未来透雾摄像机需从两个方面来提升应用品质。一方面,产品的性能始终都有提升的空间,因此,需进一步加强透雾的效果,这也是透雾摄像机的基本目标。如在提升透雾技术的同时,神州数码AMPON(安朋)透雾摄像机还具有暗区补偿、强光抑制、交通和红绿灯辨别功能等等,通过多功能的完善,神州数码AMPON(安朋)透雾摄像机可轻松满足行业用户需求,为用户实时应用体验提供最大价值。随着近年来这些行业的增长和对安防监控的近一步重视,透雾摄像机的市场规模在不断扩大,按照目前测算的结果,透雾摄像机每年会有超过10万台以上的市场需求。可见,透雾摄像机的应用市场和发展前景是非常广阔的。可以预见,透雾摄像机在解决了夜间和雾天视频监控难题的同时,大幅度降低了应用成本和复杂度,如果全天候摄像机能够如预料的那样应运而生的话,必将开启一个视频监控应用的新时代。



关键字:视频监控  透雾镜头  透雾摄像机  海防监控

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2011/0719/article_3884.html
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