雾霾围城,且看透雾技术如何化解

2015-03-18 19:40:48来源: 安防知识网 关键字:雾霾  围城  技术
    2015年的中国,环境污染依然在继续,在环境保护部于近期发布的一份城市空气质量报告中,参与调查的74个城市(包括京津冀、长三角、珠三角区域及直辖市、省会城市等)其轻度污染天数比例为22.2%,中度污染为8.0%,重度污染为4.6%,严重污染为1.6%。这些**裸的数字说明环境污染正时刻环绕在你我身边,而城市雾霾天气越发密集的出现恰恰就是环境污染最为直观的反应。

  雾霾,你的真名叫什么

  雾霾的形成在相当程度上是由于环境污染导致的,这点毫无疑问,但雾霾的具体成分又是什么呢?严格来说,雾霾是由两种成分组成,即雾与霾。雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统,是一种近地面层空气中水汽凝结的产物;而霾的成分则相对要复杂得多了,空气中的灰尘、硫酸、硝酸、有机碳氢化合物等粒子都是其组成部分,细心的读者此时就会问了,那对能见度影响较为严重的是雾还是霾呢?由前述的介绍可知,雾当然会对能见度构成影响,因为雾的成分主要是水滴与冰晶体,二者对光的反射、折射、散射以及本身的浑浊与否都会对能见度产生影响,但无论是水滴还是冰晶体都会随着温度的升高而蒸发,这也是为什么起雾天时,早上的雾气最为浓密,而等到上午时,雾气会变得稀薄甚至消失的原因了。由此可见,主要影响能见度的是霾了,很明显这些固态的成分是没法凭空消失的,最多亦只会由此处飘往彼处罢了。

  解决方案在曲折中产生

  俗话说,知己知彼,方能百战不殆,那么在我们对雾霾有了较为详尽的了解后,难题亦随之摆在了我们眼前,要知道在视频监控领域中,对画面的要求第一是清晰,第二是清晰,第三还是清晰,而雾霾又会对能见度构成致命影响,矛盾产生,那么又该如何化解呢?透雾技术便是由此而生的。在谈论透雾技术前,有一个概念比较容易与之混绕,那便是除雾功能,此功能在一些球机与一体机中较为常见,比如在一些室外温度较低的情况下,由于一体机或者球机本身在运行时是会产生热量的,导致机身内外有个温度差,此时可能会在机身内部产生水滴及水蒸汽从而导致起雾,这当然会对监控画面的清晰度构成影响,此时一体机或者球机一般会通过加热、通风设备来完成对水蒸气的去除,此便称之为除雾功能,应该说其与本文所要探讨的透雾技术的概念还是颇为不同的。

  现在回到本文的主角-透雾技术,何为透雾技术?在这里小编拒绝故弄玄虚,不妨直接望文生义一番,透雾技术即是穿透雾霾的技术,什么穿透雾霾?视频监控画面穿透雾霾,即是让摄像机即使是在雾霾天气时亦能展现出清晰的画面来。

  正如本文的开头部分所言,随着环境污染的加重,城市雾霾天气的出现越发频繁,而普通摄像机在雾霾天气下的监控效果往往差强人意,其画面犹如一幅抽象画,除了朦胧还是朦胧,让人不明所以,一旦有安全事故发生,其视频的参考价值相当有限,而一向以贩卖“安全”为生的安防行业岂能容忍?也因此加持透雾技术的摄像机越来越广泛地得以应用,国内各大厂商纷纷发力于透雾技术的研发,可谓硕果累累。

  就目前的视频监控而言,透雾技术的实现主要分为两种,其一是基于人类视觉感知模型而设计的图像复原技术,再结合先进的算法来修复画面,此乃电子透雾也;其二是利用近红外光相对可见光在传播时受气溶胶的影响较小,可穿透一定浓度雾霾的特性来实现透雾功能,我们通常称之为光学透雾;两种透雾技术均能取得不错的透雾效果,但这二者的透雾效果孰优孰劣呢?真可谓一言难尽,暂且将其搁置,留待后文再细细详述了。

  电子透雾,缤纷世界的呈现

  “电子透雾主要是采用图像处理技术,根据雾霾退化模型建立起对图像内容的数学描述,并通过分析计算(即算法),提取以及强化景物特征,同时弱化乃至消除雾霾成分的影响,进行逆向的退化模型的还原。”在谈到何为电子透雾时,来自杭州海康威视数字技术股份有限公司的工程师范蒙对笔者如是回答,依据海康威视工程师范蒙的解释可知,电子透雾技术可算得上是一种修修补补的技术,也就是说,它是由一种业已生成图像这种结果去逆推图像本来之真面目的,然后把这个经过透雾技术优化后的所谓真面目输出显示,很明显,这是一种逆向的推演过程。

电子透雾关

电子透雾开

  那么在这种逆向推演过程中,影响最终成像效果的关键因素是什么呢?那便是透雾技术的算法,谈到透雾算法,恐怕不得不提及何恺明博士于2009年发表的论文《Single Image Haze Removal Using Dark Channel Prior》,作为当年计算机视觉领域最顶尖国际会议的最佳论文,其主要的贡献在于总结出了含雾图像的基本规律-暗通道先验理论,简单说就是雾霾总是呈现灰白色,一旦景物受到雾霾影响,皆显出灰白色来,然后依据物理上雾霾的形成公式,根据物体的灰白程度来判断出雾霾的浓度,从而有效地消除雾霾对画面产生的影响,还原出更为真实的画面来。“何恺明博士的理论可算是近年在电子透雾技术方面所取得的最大进展之一。”海康威视工程师范蒙介绍道,但该算法亦有其局限性,比如在监控雪地、大海等场景时,其透雾效果往往会不太理想,再者该算法尽管透雾效果良好,但算法的复杂程度颇高,导致其运算速度不快,影响了监控画面的实时性。
 

  近年来,国内各大安防厂商对电子透雾技术的研发几乎都是建立在何恺明博士所提出的暗通道先验理论上,尽管透雾算法是电子透雾效果好坏的决定性因素,但仅有优质的算法显然是不够的,一个足球团队的优秀表现需要11个人的通力合作,电子透雾技术亦是如此,先进的算法还需相对应的硬件支撑方能实现,因为先进的算法往往是复杂的,而算法越复杂,就越需要强悍的硬件性能来配合完成。

  “电子透雾技术作为一种较佳的透雾解决方案,有其先天性不足的一面,那就是作为一种图像增强技术,对大气传播过程中已经损失掉的图像信息,是无法实现“从无到有”般地恢复。”在言及电子透雾技术的局限性时,浙江宇视科技有限公司IPC团队回应道。此外,电子透雾技术在利用透雾算法进行逆向的退化模型还原时,当画面中所含有的景物信息偏弱时,对景物的还原往往还可能引入一定程度的噪声,而在面对较为严重的雾霾时,采用电子透雾技术的话,透雾效果往往会不明显。当然我们需怀着一颗哲思的心去评判世间万物,从来就不存在什么一劳永逸的解决方案,概莫能外。

  那么在面对电子透雾技术无能为力的高浓度雾霾时,我们又该如何是好呢?科学的发展是没有极限的,下面我们就来重点探讨一下高浓度雾霾的克星-光学透雾技术。

  无限接近真实细节,光学透雾

  光学透雾技术相对电子透雾技术而言,产生的时间可能更早,其产生之初主要应用在边防系统、海防系统以及森林防火等领域中,随着技术的进步及价格的回落,应用在民用级领域的情况也渐渐多了起来。

  那么什么是光学透雾技术呢?光学透雾即是利用透雾镜头完成对特定波长之光线(近红外光线)的扑捉从而实现清晰成像的。这里有两点需要注意,其一是特定波长之光线,我们知道自然光是由紫、蓝、青、绿、黄、橙、红七种不同颜色的光线组合而成的,并且每一种颜色光线的波长是不同的,其中波长在100-380nm间的是紫外线,可见光的波长范围则在380-780nm间,而光学透雾所言特定波长之光线则在780nm以上,即红外线之波长范围,由于红外线的波长较长,在传播时其受气溶胶的影响较小,对雾霾烟尘具备一定的穿透能力,从而帮助镜头实现准确的聚焦。

  其二是透雾镜头,“透雾镜头与普通镜头最大的不同在于能承受红外波段的宽度上,也即成焦面的宽容度,透雾镜头的宽容度肯定要更宽些。”来自深圳优色专显科技有限公司工程主管陈文永在回答透雾镜头与普通镜头的区别时作如是回应。上述的回答很明显包含了这样一个意思,那就是镜头能够扑捉到的红外线的波长范围越大,参与成像的红外线便越多,画面的亮度就越高,最终的成像自然就越清晰,透雾效果当然就更好了。那么实际情况又是怎样的呢?“受限于镜头光路设计的难度及CCD的感光能力,在目前已知的安防透雾镜头中,可利用的最长红外波段为1100nm。”优色专显科技工程主管陈文永补充道。也就是说,目前的安防行业中,透雾镜头可采集到的红外线的波长范围大致在780-1100nm间。

光学透雾关

光学透雾开

  
        既然透雾镜头依靠的是红外线的特征来实现透雾的,那么其扑捉到的图像是否会失去色彩的丰富性,只能呈现出黑白的画面?是的,这可算是光学透雾的一个缺陷,毕竟技术亦有其局限性。

  由前述的探讨我们知道,要想实现优质的光学透雾效果,其关键在于透雾镜头,难点亦在其上。专业的透雾镜头一般内置有针对性很强的滤波片,滤波片的作用在于更加精确的截取所需波段长度的光线,同时为了应对不同环境下的透雾功能,往往还需要加载多片滤波片以满足对不同波段光线的有效截取,那么在不同的滤波片间是如何实现切换的呢?联动,透雾镜头与摄像机联动的方式通常是通过RS485接口来实现的。当然,专业的透雾镜头对与之搭配的摄像机亦是有一定要求的,那就是摄像机起码得具备基本的日夜转换功能。

  “光学透雾的最终成像效果还会受到被监控物体与背景本身对红外光的反射性质等因素的影响,被监控物与背景反射红外光的差异越大,光学透雾的效果便越好。”宇视科技IPC团队最后补充道。由前述的介绍我们可知,光学透雾技术是从图像的源头发力,尽管其会失去色彩的丰富性,但在画面的真实性及细节的丰富性上算得上是相当给力的。

  孰优孰劣

  前文中我们就电子透雾与光学透雾进行了较为深入的探讨,那么在这两种透雾技术中,哪种透雾技术之效果会更好呢?笔者对此问题亦是感到颇为头疼,一种莫可名状、一言难尽的感觉涌上心头,但也不妨以本人浅薄的知识积累来稍加分析。

  电子透雾的一个优势在于色彩表现上,也即经过电子透雾技术处理后的图像,其对色彩的还原是颇为真实的,此为其一;其二是电子透雾的应用范围更加广泛,因为电子透雾技术的核心在于透雾算法,而算法是可以加诸在任何硬件设备上的,只要该硬件设备满足透雾算法加诸的条件即可,因此,我们不但可以在作为前端的摄像机上见到电子透雾功能,在后端的DVR、NVR甚至显示器上亦可见到电子透雾功能,电子透雾可算是一种应用范围广、经济实惠且效果不错的一种透雾技术,但其有一些先天性不足的地方,作为一种后端图像复原技术,电子透雾是一种依靠透雾算法来逆向演推的过程,当景物信息相对偏弱时,对图像的还原往往还会引入噪声,这点跟降噪算法颇为相似,当降噪功能开启后,在抹平画面噪声的同时,亦会导致画面细节的损失,鱼与熊掌,不可兼得。再者,糟糕的透雾算法甚至可能会导致画面失真,而优质的透雾算法往往会相对复杂些,这对背后支持该算法运行的硬件设备亦是有要求的。

  与治标的电子透雾不同,光学透雾可算是一种治本之策,因为它依据的是近红外光的特性实现在图像源头便进行真实扑捉的一种技术,尽管其扑捉到的图像失去了色彩的丰富性,但画面的真实性更为可靠,也因此,在电子透雾面对浓重雾霾一筹莫展之际,光学透雾却能取得绝佳的透雾效果(见图2),即使是在雾霾非常少的情况下,光学透雾相对电子透雾在对远景细节的把控上依然具备优势,但其实现方式相对要复杂些,专业的透雾镜头+滤光片,导致光学透雾的实现成本相当高昂,限制了其应用范围,目前光学透雾主要应用在边防系统、海防系统以及森林防火等领域中,再者鉴于光学透雾的实现原理,目前其只能应用在前端采集设备的摄像机上。

  结语

  安防行业中,对视频监控画面的要求永远是“清无止境”的,而雾霾对画面清晰度的影响可谓是致命性的,透雾技术的出现可谓解了安防行业的燃眉之急,但无论是电子透雾抑或光学透雾,均有其局限性,可喜的是目前国内一些知名安防厂商已开发出集电子透雾+光学透雾的双透雾功能于一身的摄像机,且实际的应用效果亦相当不错(详见本期的专题评测),这更加坚定了笔者的一个信念:随着技术的不断进化完善,雾霾下的高清晰监控成像终将成为铁一般的现实。

关键字:雾霾  围城  技术

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2015/0318/article_8208.html
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