抗雾霾透雾技术深度解析

2015-03-18 19:44:55来源: 安防知识网
    2013年,“雾霾”成为年度关键词。这一年的1月,4次重雾霾笼罩30个省(区、市)。在北京,仅有5天不是雾霾天。有报告显示,中国最大的500个城市中,只有不到1%的城市达到世界卫生组织推荐的空气质量标准,与此同时,世界上污染最严重的10个城市有7个在中国。

  雾霾来势汹汹,一般在城市中尤为严重,对视频监控系统提出了严峻考验,其主要影响有以下几个方面:

  1. 物体表面的反射光由于大气粒子的散射而产生衰减,造成物体成像的亮度减弱;

  2. 反射光经大气粒子前向散射作用参与其它像素点成像,导致图像模糊、分辨率下降;

  3. 部分大气粒子的粒径较大,在成像过程中成为噪声;

  4. 与成像无关的自然光经过大气粒子的散射,进入图像传感器参与成像,这种后向散射作用造成图像饱和度、对比度降低及色调偏移。

  伴随着中国雾霾天气的日益严峻,不少监控摄像机已经失去了其监控的作用,雾霾导致摄像机的监控距离、图像清晰度下降,甚至导致车辆、人物等监控主体的关键细节信息丢失,一旦发生事件,将很难获得有效信息,大大降低了视频监控系统的实用性。

  那么视频监控该如何应对雾霾来袭呢?答案是透雾技术。顾名思义,透雾技术就是在雾霾天气下,依然能够穿透雾霾干扰,让摄像机获得良好的监控效果,不会影响监控距离和图像清晰度。一般而言,透雾技术分为电子透雾(亦称数字透雾)和光学透雾(亦称物理透雾)两种。

  电子透雾是基于人类视觉感知模型设计的后端图像复原技术,通过ISP算法来修复画面、消除雾感,达到画面更通透的视觉效果;光学透雾利用近红外光成像,由于近红外光波长较长,在传播时受大气粒子干扰较小,能穿透雾霾,从而呈现清晰的图像细节。其实这两种透雾技术并非是应对雾霾天气而开发的新兴技术,早期在森林、港口、码头等区域,由于经常容易起雾,早以通过透雾技术来实现远距离的清晰监控。而随着雾霾来袭,透雾技术渐渐成为高端摄像机的标配技术,如宇视科技全系列室外应用的IPC均支持电子透雾,而最高端的HIC5600系列又在此基础上全线支持光学透雾。

  那么电子透雾和光学透雾这两者之间又有什么区别,各有什么优劣势呢?

  电子透雾

  电子透雾采用的是可见光成像,并通过ISP算法来修复画面,目前ISP算法主要分为两大类:图像增强透雾技术和图像复原透雾技术。图像增强透雾技术不考虑图像降质原因,适用范围广,能有效地提高雾天图像的对比度,改善图像的视觉效果,但会产生更多的噪声,甚至造成更多图像细节的损失。图像复原透雾技术是研究雾天图像降质的物理过程,并建立退化模型,反演退化过程,补偿退化过程造成的失真,以便获得原始图像的最优估计值,从而改善图像质量,这种方法针对性强,得到的去雾效果自然,处理的关键点及难点是模型中参数的估计。

  从电子透雾的算法解释中可以看出其优势在于:1、画面色彩得以保留;2、不会增加额外硬件成本。

  但电子透雾的劣势也很明显,首先由于可见光穿透能力弱,在遇到水汽、灰尘阻隔时会造成较大的散射,导致部分信息丢失,此时即使通过算法修复画面、消除雾感,也无法对丢失的信息“从无到有”进行恢复;此外,电子透雾基于不同的算法透雾效果各有不同,简单的算法在图像还原效果上有局限性,而复杂的算法对硬件性能提出了更高的要求,而且就目前的图像还原技术整体水平而言,电子透雾只能应用在一般的雾气环境中,一旦雾霾浓度提升,电子透雾的效果就会大大降低。

  光学透雾

  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,称为可见光,而波长小于390nm的叫做紫外光,波长大于780nm的叫做红外光。不同波段的光因为波长的不同具有不同的特性,一般红外光由于拥有较长的波长,在传播时受大气粒子干扰影响较小,可穿透一定浓度的雾霭烟尘,摄像机可以利用这部分光线来实现穿透雾霾的监控。这就是光学透雾的原理。

  从原理可知光学透雾的优势在于红外光穿透能力强,不会损失监控主体的细节,图像更清晰。但其劣势也存在:1、由于红外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,所以不适用于必须需要彩色图像的场所;2、光学透雾的重点在于截取近红外光成像,而这部分工作大都由镜头完成,而透雾镜头价格昂贵,过高的成本大大限制了光学透雾在实际项目中的大规模应用。

  全新透雾技术

  从前文分析可以看到,电子透雾和光学透雾互有优劣势,并且互补。那么是否能够融合这两种透雾技术的优势,提供一种既经济又实用的透雾摄像机呢?

  答案是肯定的。

  通过对各种波段光线透雾性能的细致研究,并分析在不同浓度雾霾下测试采集的大量试验数据,最终结合监控透雾应用需求,宇视科技全新研制出内置光学透雾+电子透雾的双透雾功能网络摄像机HIC5600系列。在近距离或一般雾气环境中,该系列摄像机通过开启电子透雾消除雾感,获得清晰、通透的彩色图像;一旦雾霾影响严重时,开启光学透雾,即使只配备了普通镜头,依然能实现清晰的光学透雾效果,不会丢失任何细节,并且由于内置光学透雾组件,相较于传统的光学透雾镜头方案大大降低了成本,可以在平安城市等行业中大规模推广应用。由于可见光和红外光聚焦面不一致,所以这款透雾摄像机还内置了自动后焦(ABF)装置,在模式切换后自动触发,以获得最为清晰的图像。

  未来趋势

  在实际应用中,电子透雾作为一种ISP图像还原技术,其致命缺陷在于雾霾严重时无法还原丢失的信息,这是其成像原理决定的,即使图像还原算法再先进,也无法改善。一旦环境中雾霾浓度变化,电子透雾的效果将不可控,也就是说电子透雾的环境适应能力弱,而且研发更先进图像还原算法的性价比并不高,因此笔者认为基于监控需求的电子透雾技术将逐渐收敛。

  而光学透雾一直以来在森林防火、海事、边防中有应用,具有较长的实际应用历史,其效果得到用户的认可,只是受限于高昂的成本而无法在其他通用行业中大规模推广,随着新技术的产生,成本问题得到解决,相信其在各行业中的应用前景将会越来越大。

  而提升光学透雾效果除了摄像机自身图像处理能力的进一步提升,镜头、视窗等配套成像系统也应该对红外光具有更高的透过率,因此配套系统的完善乃至sensor的进一步升级是光学透雾未来努力的方向。

关键字:雾霾  技术  深度  解析

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2015/0318/article_8209.html
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