视频监控:漫谈雾气影响与透雾技术剖解

2013-10-29 19:22:03来源: 中关村在线 关键字:视频监控

    最近PM2.5这一气象领域专业词汇成为社会关注的流行话题。空气中的液滴和固体小颗粒不仅危害人体健康,引起雾霾而导致交通事故频发,同时也使户外监控视频质量明显降低。在雾霾天气下,图像色彩黯淡、对比度变低,一些重要目标的细节更是淹没在雾气中难以被察觉,视频监控系统的实用性受到很大影响。 

    雾气对视频监控的影响

    一般认为,大气介质主要由空气分子、水汽和气溶胶组成。气溶胶是悬浮在气体中的小粒子构成的弥散系。某些粒子具有高吸湿性,起到水汽凝结中心的作用,其大小与环境相对湿度、水汽供应和由碰撞而发生凝聚的程度有关。由于大气中各种颗粒的大小、类型以及聚集程度的不同产生晴、霾、雾、云、雨等各种天气。

    在晴朗的天气条件下,从物体表面反射的光线基本不会受大气中各种成分的影响发生散射、吸收、反射等现象,能够直接到达成像设备,获得清晰无雾图像。

    在有雾天气下,从物体表面反射的光线在到达成像设备的过程中会受到空气中悬浮颗粒的影响。气溶胶粒子是雾霾形成的主要因素,也是图像质量产生退化的根本原因,其影响主要有以下几个方面:

    (1)气溶胶粒子对光线有散射作用,散射损失使“透射光”强度衰减,造成了图像的对比度下降。

    (2)由于气溶胶粒子的非均匀性,使球面波畸变成非球面波,导致图像变模糊,边缘和细节降低。

    (3)气溶胶粒子的粒径较大,粒子的自身成像不容忽视,可以近似理解成“噪声”。

    (4)气溶胶粒子对成像光线的散射部分会因为多次散射的作用,和原有的前向散射部分叠加在一起成像,产生一定的模糊。

    光学透雾技术剖解

    自然光由波长不同的光波组合而成,人眼可见范围大致为390nm-780nm,波长从长到短分别对应了红橙蓝绿青橙紫七种颜色,其中波长小于390nm的叫做紫外线,波长大于780nm的叫做红外线。不同波段的光因为波长的不同具有不同的特性,雾气、烟尘影响可见光成像的原因,而红外线因为拥有较长的波长,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,实现准确聚焦,这就是光学透雾的依据。

    1、镜头

    从原理可知光学透雾的重点在于对特定近红外波段光线的截取与准确聚焦,而这部分工作大都由镜头完成。可以说镜头的好坏决定了光学透雾的效果,镜头设计的难度首先在于光学设计,其中包括对光路的把握以及滤波片的选择等,其次选材与工艺技术也决定了成品的效果。而透雾镜头最大的不同在于能承载红外波段的宽度,即成焦面的宽容度。从原理上,自然是可利用的近红外波段越宽越好,但是受限于镜头光路设计的难度与CCD的感光能力,目前安防业内的镜头已知能利用的最长红外波段为1100nm。

    2、滤波片

    了解日夜转换摄像机的人对滤波片都不会陌生,一般此类型摄像机装有两块滤波片,一块负责在白天过滤掉可见光之外的光波,令成像更为清晰亮丽;一块应用在夜晚,负责放行CCD可以承载的红外波段,实现夜间的红外监控。

    专业透雾镜头内置有针对性很强的滤波片,作用是精确截取所需波段的光线,且为了适应特定环境状况,常常会加载多片针对不同波段的滤波片,并通过485接口与摄像机联动,实现切换。正常来说,配合透雾镜头的摄像机在基础成像性能上只要具备日夜转换功能即可,但是考虑到透雾镜头高昂的造价,部分摄像机厂家也开始寻求更经济实惠的光学透雾模式,不同于过去两滤波片的日夜转换摄像机,我们创新的在摄像机里边加入了四块滤波片,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;当然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。此机械装置可由摄像机自动控制,也可人工切换。而集光学透雾和电透雾两种透雾功能为一身的四滤色片光电联合智能透雾摄像机,能够实现两倍于能见度以上的透雾。

    3、瓶颈与发展

    因为直接利用可穿透雾霭的近红外波段光线进行成像,光学透雾虽然只能得到黑白监控画面,但是其成像效果突出,也已在海事、海洋有了不错的运用;另一方面,受镜头高昂成本的限制,虽然近年来平安城市等大型项目甚至民用市场也出现了一定透雾需求,但是其实际数量仍有限。

    与此同时,因为技术方面已经较为成熟,所以依靠镜头或说光学完成更好的透雾,就需要另辟蹊径。短期内镜头对波长的宽容度很难向1100nm以外延伸,但是如果不用兼顾可见光,在近红外波段内还可做到一定延伸;所以可以考虑在一套设备中加载两套镜头,正常情况下使用可见光镜头,雾天则使用专门的透雾镜头,这样既可保留可见光的彩色画面,还可把透雾镜头的宽容度做的更好,并实现多画面的对比监控。

    电子透雾技术剖解

    当安防需求从被动检测发展为主动防御,智能分析依赖的各种图像处理算法变得举足轻重起来,其中透雾处理集合了多种图像算法,是较为重要的一类图像处理技术。目前已知的透雾算法大致可以分为两大类:一种是非模型的图像增强方法,通过增强图像的对比度,满足主观视觉的要求来达到清晰化的目的;另一种是基于模型的图像复原方法,它考查图像退化的原因,将退化过程进行建模采用逆向处理,以最终解决图像的复原问题。

    为了得到更好的处理效果,摄像机厂家会增设专门的图像处理芯片,可自动侦测图像的密度,最大限度地保持图像信号的细节,实现彩色增强、反差增强、边缘增强、对比度增强和亮度增强,并进行密度分割、去模糊等运算,使不同场景下的摄像画质得到明显提高,达到透雾的目的。而根据厂家的能力与研发选择,会分别选择在DSP或FPGA等不同芯片上进行相应处理。

    芯片会实时读取视频流信息,通过对比参数判定是否需要开启透雾模式,也就是可以达到自动侦测雾气,甚至可以通过设定的预置模式判定出雾气浓淡,选择进入相应的透雾模式。

    一体机芯

    细分市场成熟的标志之一是产品走向多样化,随着细分市场的增长,一体透雾机芯的出现对于透雾产品的普及可谓意义重大。今年发布的一体机芯采用纯电子透雾,通过内嵌的FPGA芯片进行运算处理。其可输出彩色图像,且不同于过去对画面对比度整体提升,此算法可区分远景近景雾气浓淡等因素,并据此分别对每个像素点进行提升,实现区域效果最佳化,且没有延时


    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。所以一体透雾机芯普遍采用CCD传感器和大光圈镜头,以达到良好的低照效果,另一方面也较易达到高清级别透雾。过去透雾需求基本都在枪机,但是枪机的监控距离一般较短,而在较短的距离内若非浓雾,画面不会有太大影响。而一体机的监控范围更大,加上变焦可选,故而雾霭对它的影响更大。推出这款一体透雾机芯,是为了在更大监控距离内实现透雾,且随着成品化,一体透雾机芯将降低透雾设备的投入,实现更大的应用。

 

关键字:视频监控

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2013/1029/article_6325.html
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