话题大家谈:如何应对图像的二次处理

2015-07-15 20:44:19来源: 安防知识网 关键字:话题  图像
     [摘要]随着视频监控行业的不断发展,针对恶劣天气、烟、雾、灰尘、夜间等微光环境下的监控问题,需要各厂商在光环境应对技术上的不断提高。那么光环境应对技术的现状及发展又是怎样的呢?本文特邀三位嘉宾为大家做一个剖析。
  
    受邀嘉宾:

  程敏 浙江大华技术股份有限公司光学图像部研发经理

  程玮 海康威视技术支持部产品经理

  李伟伟 苏州科达科技股份有限公司市场部产品经理

  1、光环境应对技术一般包含那些主要技术,其技术原理是什么?

  程敏:从感知层面来看,光环境应对技术主要包括光学技术和图像处理技术两方面,光学技术主要表现在镜头光圈的自动控制、滤光片的自动切换、以及补光灯的使用上,镜头光圈的自动控制是指通过自动调整镜头光圈大小来改变整体通光量的大小从而使得摄像机感知到合适的亮度的一种技术,滤光片自动切换是指通过改变各种波长的光的透过率从而可选择性的消除有害光线的一种技术,补光灯主要是针对目标区域进行补光,可以使重点区域的亮度得以提升;图像处理技术包括宽动态、背光补偿、强光抑制、3D数字降噪等技术,宽动态技术通过采用多次曝光技术,经过重新映射处理,获取比普通相机更大动态范围的图像,从而解决一般摄像机存在的明亮区域曝光过度,而黑暗区域曝光不足的问题;背光补偿也称作逆光补偿,它可以有效补偿摄像机在逆光环境下拍摄时主体区域黑暗的缺陷,从而提升主体区域的亮度和图像细节;强光抑制技术是指在低照度环境下,遇到背景光极其强烈时采用的一种对强光源进行抑制,突出强光源前的主体物,从而提升过曝区域的图像细节、保留暗区图像细节的技术;背光补偿和强光抑制都可以看成是宽动态技术在某些特定场景下为达到特定目的的一种图像处理技术;3D数字降噪主要应用于低照环境下,运用视频图像在时域和空域的相关性和稀疏性来抑制视频图像的噪声,从而达到提升视频图像信噪比的目的。

  2、 光环境应对技术主要应用在哪些场景?

  程玮:宽动态和背光补偿都适用在逆光环境下,可以解决逆光处前景较暗的问题。宽动态一般通过硬件来实现,将多次曝光后的图像叠加后得到前景明亮、后景清晰的图像;而背光补偿主要通过算法来实现整体画面亮度的提升,从而提升前景亮度,但往往会造成原本已经够亮的背景过曝。

  低照度和红外都适用于光线条件不好的环境下,低照度主要是通过使用高感光度的图像传感器、镜头或者提高增益等方式来呈现比较明亮的图像,不过其要求环境不能完全无光,否则也无法感光;红外主要用在环境完全无光或光线极弱的条件下,可以通过自带的红外灯发出红外光来照亮物体,从而实现补光。

  强光抑制主要用于监控夜间行驶车辆前车牌,通过抑制车灯亮度来实现看清车牌的目的,但近年来这项功能已逐步被抑制车灯效果更好的宽动态所替代,所以市场上强光抑制的设备也越来越少见了。

  3、 光环境应对技术的发展历程及现状是怎样的?

  程敏:光学器件从最初的一种规格打天下发展到现在已经能应对更复杂的环境、更多样化的需求,在适应能力提高的同时,也实现了经济化和集成化,使设备的性价比更高。例如早期的光学镜头只能手动调节光圈大小,后来有了DC光圈和Hall反馈型光圈镜头,最近又出现了P-iris镜头,结合了Hall反馈型光圈功能上的优点和DC光圈成本上的优点;滤光片的种类也在不断推陈出新,根据不同的应用场景和不同的传感器特性,有针对性的推出去摩尔纹、去紫边、去红灯光晕、抑制局部区域过曝等等特性的滤光片。图像处理技术早期出现的是简单的背光补偿技术以及空域降噪技术,后期随着Sensor的工艺水平和ISP处理芯片性能的提升开发了宽动态技术,之后随着对低照度场景监控的需求提出了强光抑制技术和3D数字降噪技术。

  4、 模拟时代和网络时代的光环境应对技术有什么不同?

  程敏:早期的模拟摄像机解决的是“看得见”的问题,从模拟摄像机发展到网络高清摄像机,人们的思想观念逐渐从“看得见”转换到了“看得清”,网络高清摄像机对整体清晰度和细节还原的要求更高,应用场景也更丰富多变,这就要求设备有极高的适应能力,可以说在网络高清时代,光环境应对技术的要求更多样化、手段方法更丰富、技术难度也更高。

  程玮:现在的监控以网络为主,网络高清产品的更新换代速度也更快,而基于网络高清产品的光环境应对技术的发展也比模拟时代更快速,效果也更好。

  5、 光环境应对技术现在发展是否已经成熟?

  程敏:技术始终在进步,应用需求也一直在跟着变动,所以光环境应对技术还有很大的提升空间。

  6、 各公司产品光环境应对在测试中实际效果差别很大,您认为有哪些主要因素?

  程敏:目前,各厂家的光环境应对技术都是以自主研发为主,因此所采用的技术也不尽相同。例如在光学方案及器件的选用上差别就比较大,一是所用镜头不同,在光圈大小与控制、强光控制等方面上差异比较大,二是其它光学器件比如滤光片的效果存在差异,三是在照明补光方面也有差异。除此之外,在图像处理算法上,各厂商纷纷提出了自己的解决方案,这里也是专利产生数量最多的一块。这就导致了各产品在光环境的应对测试中实际效果差别较大。

  李伟伟:比如宽动态:分为数字宽动态、2帧合一、3帧合一、4帧合一宽动态技术,不同的技术其效果也不尽相同,即使采用相同的技术,不同场景的处理方法上也有差异,因此造成一些差别。

  另外,自适应性也非常重要,有些场景下光线呈现并非全天候一个状态,因此需要摄像机具备良好的智能检测技术,可以做大自适应启动宽动态、强光抑制等功能,达到全天候最佳效果

  7、 芯片、传感器、镜头等硬件对光环境应对技术有哪些影响?

  程玮:芯片平台决定了摄像机的性能、图像处理能力、处理运算速度等;传感器决定了摄像机感应光能力的强弱,好的传感器灵敏度高,感光性能好;镜头决定了进光量、通透性等因素。

  8、近期SVAC、H.265等新标准的应用、4K等新技术的发展对光环境应对技术有哪些影响?

  程敏:近期,H.265、SVAC、4K等新标准、新技术不断涌现,对图像的分辨率提出了更高的要求,分辨率更高的高清镜头随之而来,图像处理的数据量大大增加,这对宽动态和3D数字降噪技术的处理性能提出了更大的挑战,急需要研发出在处理效果和性能两方面都满足要求的新技术。

  程玮:H.265、4K等技术和光环境应对技术是相互促进的关系,未来的发展趋势一定是朝着更高清的方向去发展,围绕着超高清摄像机相应的编码效率、图像效果都需要得到提升。

  9、光环境应对技术的提升空间在哪里?

  程敏:从光学上来看,当前主要是全局处理,调节的是整体亮度,而实际需求往往是只需要降低局部小区域内的亮度即可,因此需要研发出具有局域特性的光学器件;从图像处理的角度来看,提升宽动态技术的自适应能力,解决多次曝光合成的宽动态效果中的运动区域补偿问题,以及进一步提升传感器的信噪比,有效区分运动和静止区域噪声等等都是目前正在研究的课题。另外,以道路监控为例,夜间爆闪灯光污染是很严重的,未来如果在此方面进行变革,那设备应对低照环境的能力就要有很大的提升。

  10、该技术在实用中经常遇见的问题有哪些?该如何避免这些问题?

  程敏:实际应用中经常会遇到一些光线条件很极端的场景,比如晨昏时分太阳接近地平线,强烈的阳光直射到镜头内导致画面上半部分过曝和严重的杂光,此时单靠设备本身是调整不过来的,这种情况需要通过对现场环境的观察选择合适的安装位置、调整设备的方位角、利用护罩的遮光作用等方法把强光源的干扰给排除掉。

  11、具备光环境应对技术的产品在选型时,有哪些注意事项?

  程玮:星光级超低照度摄像机是目前低照度领域夜晚监控效果最好的一类摄像机,因其出色的夜晚成像效果,广泛应用于平安城市、平安乡镇、交通、金融、高档楼宇、住宅小区、校园、港口、高速公路、街道等对摄像机性能要求比较高但又不宜外加补光设备的环境下。例如夜晚道路监控行驶车辆前车牌的场景,有些城市居民会觉得加了补光灯后造成光污染,比较排斥补光设备,而红外摄像机照射车牌后,车牌的特殊材质会导致反光,从而看不清车牌细节,所以如果要看清车牌并不适合用红外摄像机,星光级超低照度摄像机一出现,就立刻成为平安城市道路监控炙手可热的机型,只需要利用一些微弱的路灯或环境光来进行补光就可以呈现明亮的图像,达到看清车牌的目的。

  当环境光暗到一定程度时,红外摄像机会自动开启自带的红外灯,主动发射红外光,照亮监控目标,再通过采集场景中原有的光线及反射回来的红外光,从而生成图像,是一种主动式红外。这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像,而不是可见光反射所成的影像,这样就可以拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的物体,也就是人们常说的可以达到0lux。但是,如果是比较空旷的环境,红外灯没有可反射的物体,这样在图像的显示效果就不会很好了。对红外摄像机来说,红外灯的寿命是用户普遍比较关注的问题,而温度过高是导致红外灯失效的主要因素之一。有研究表明,温度每降低10°,红外灯的寿命可延长1年。因此,红外灯电路的散热设计、功率大小都至关重要,尤其是远距离红外,距离越远,红外灯的功率越高,热量也会越大,当温度高到一定程度,甚至会影响到摄像机图像传感器的效果。这是红外摄像机主要存在的问题。

  程敏:在选购产品时,首先明确自己的需求,根据使用环境、所需功能等方面来考虑需要什么样的产品,这样在选择时比较有针对性,比如低照环境需搭配大光圈的镜头,雾天环境需配置有透雾功能的产品,走廊环境需要有P-iris功能的设备等等;其次是对比同类型产品的各项指标情况,不能单从宣传上看,比如强光抑制或宽动态效果,最好能对比各产品的实际效果然后再做选择。

  12、各公司在该类技术的研发有哪些投入?

  程敏:投入了大量资源进行相关技术的研究,包括镜头、补光灯等光学设备的研发,以及ISP图像处理算法的研究,并提供各种实验条件进行光学方案和图像效果的测试验证,取得了很多的突破,确保了在效果上不输与竞争对手的同时,在成本价格上相比国外同类产品具有绝对的优势

  程玮:设立了自己的研究院,其中就包括了光环境应对技术的图像处理研发团队,采用最先进的硬件芯片,结合海康威视自主研发算法,可以实现优异的图像效果。

  李伟伟:目前,科达与光技术有关的智能交通前端产品包括微光电子警察系统、四合一电子警察系统。科达微光电子警察系统选用低照度元器件,并增强了图像处理的算法,因而无需任何补光设备即可采集高清晰图像,彻底杜绝传统电子警察的闪光灯带来的光污染问题;科达四合一电子警察系统的补光设备采用了专利技术,其闪光灯功率是36J,闪光时间为0.3毫秒,相比市场上大部分闪光灯的功率是200J、闪光时间长达3毫秒,科达电子警察系统的补光效率领先了同行10倍

  13、国内相关技术与国外有差距吗,如果有,差距在哪里?

  程敏:国外对光环境应对技术研究开始得较早,技术积累较成熟,比如像AXIS这样的国际巨头,最早推出Q1602低照度枪机和Q1604宽动态枪机,近期又推出了Q1635自动宽动态设备,自适应效果处于行业领先地位

  海康威视:目前在光环境应对技术这部分,国内外的差距已经不明显了。国内很多品牌的光环境应对技术效果已经可以和国际媲美。

关键字:话题  图像

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2015/0715/article_8626.html
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