雾霾天气严重 透雾摄像机如何大显身手

    随着又一年的冬季来临，我国东北、华北等大部分地区又将面临一次雾霾的考验，从近期公布的《社会建设蓝皮书(2013)》发现，北京市频遭雾霾天气笼罩，空气污染严重。2013年成为北京市60多年来雾霾多、频繁的年份。从十月底开始号称“史上严重雾霾”笼罩东三省，而随着冬季取暖增多，雾霾持续数日。近日又有媒体指出由于浓重雾霾影响，任何监控摄像头都将失去应用作用。在大雾笼罩之下，视频监控系统能否发挥其应有的作用？安防行业内频繁出现的透雾摄像机是否也能在此种天气下大显身手？ 

    目前许多安防企业纷纷推出透雾摄像机，尽管市场应用需求不尽相同，但是整体结构和实现的功能大致相同。

    透雾摄像机透雾原理

    镜头透雾技术

    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。

    过去CCTV镜头还处于300mm以下阶段时，观测距离一般限定在1公里以内，这种应用对天气能见度的要求比较低，但是焦距已经发展到750mm的今天，雾天对监控图像的影响就不得不引起我们的重视了。这种情况尤其是在高速公路、森林防火、油田监控和离海面较近的港口码头等远距离监控中尤为重要。这种环境往往更容易产生雾气，使24小时不间断监控面临新的挑战。

    针对这种情况，少数有设计、研发能力的厂商经过努力开发出了具有透雾功能的镜头，并成功实现了成品上市。这种技术的出现，大大拓宽了视频监控的应用范围，并且是人类依靠聪明智慧战胜自然环境的又一经典案例。市场上少数厂商在不具备生产透雾镜头产品能力的情况下，使用普通的产品充当透雾镜头来销售，宣称具有透雾功能，是极不负责任的行为。当然，在实际测试中无法蒙混过关，终摆脱不了被淘汰的命运，但给lcd液晶屏图对此功能有需求的用户在产品选择上制造了许多障碍和浪费许多时间。

    视频分析算法

    透雾镜头虽然效果突出，但因为价格上的局限性，在商用、民用范围内很难普及，在这种情况下，很多企业推出了更为实惠的数字DSP处理技术，通过视频分析算法来达到透雾功能，俗称：数字透雾。

    1、FPGA成像方法以及直方图均衡化算法

    根据日立公司的薛总工程师介绍，日立透雾摄像机采用DSP处理的同时，还启用了FPGA的红外实时透雾成像方法：FPGA成像方法针对雾天图像的退化现象，采用近红外波段成像和视频图像处理技术相结合的方式。根据视频图像相邻两场画面相似的一系列特点，提出了用改进的直方图均衡化算法的方式图像质量。

    改进过的算法不仅可以提高画面清晰度，还可以简化系统结构，节约存储器部分硬件资源。实验表明，采用FPGA成像方法，在增强雾天图像的同时满足标准视频图像处理25fr锄/s的实时性要求，结合近红外波段透雾能力使雾天图像能见距离提高1.5倍以上。并且可以生成彩色画面。

    2、视频增强算法(Retinex算法)

    Retinex算法是基于人类视觉系统感知和调节物体颜色和亮度的模型，这个模型解释了一般颜色理论无法解释的人眼对颜色的波长与亮度不是特别对应的现象。Land通过大量的实验证明我提的表面颜色不会因为光照条件的变化而改变即颜色恒常性。简单来说颜色恒常就是说无论是在正午的阳光下、白炽灯下，还是在阴暗的光照条件下，人类感觉到的同样物体颜色是一致的。正因如此，在进行图像操作时应当去除光照强度，照射不均等一些不确定和非本质的影响，只保留物体本质的反射性质如反射率等信息。基于这种方法处理的图像可以使图像在边缘锐化、动态范围压缩和颜色的恒定方面都有很好的效果，

    Retinex理论的基本思想就是将原始图像看成是由照射图像和物体反射属性组成，照射光图像直接决定一幅图像中像素能够达到的动态范围，物体反射属性决定了图像的内在性质，因此，在原始图像中去除或降低照射图像的影响从而保留本质的反射属性是Retinex理论的基本思想。与其它图像增强方法相比，Retinex算法具有锐化、颜色恒常性、动态范围压缩大、色彩逼真度高等特点。

    现在多部分的lcd液晶屏图视频增强器只是采用基于全局的Retinex图像增强算法通过在对数域内计算相邻像素点灰度值之间的比值从而得到相邻像素点之间的相对明暗关系，继而通过该明暗关系对原像素点灰度值进行校正，后再对校正后的像素点灰度值进行线性拉伸，得到增强的图像。所以得到的增强图像对比度不高。而CASEVisionVE9901视频增强器采用先进的多尺度Retinex图像增强算法，具有较强的普适性。同时提供优化的对数直方图均衡处理和多种噪声滤波算法。它基于DSP的嵌入式硬件结构，具有尺寸小、功耗低、高性能的优点。且实时对图像处理，自动适应PAL制和NTSC制式视频图像。并具有极低的延迟，延迟时间不超过一帧，即PAL制视频延迟40ms，NTSC制式视频延迟33ms。同时，它还支持lcd液晶屏图全屏增强和局部窗口增强，局部增强窗口大小和位置可动态调整。

    3、影像信号处理器(LSP)

    在视频采集过程中，前端所要求的是把CCD或CMOS感光传感器所采集的影像经过视频接口采集，然后通过ISP进行成像处理，其中需要有“自动曝光(AE)”、“自动白平衡(AWB)”和“自动聚焦(AF)”处理，统称为(3A)。那么前端需要有3A柱状图分析，而统计信息则经由ISP中的H3A单元处理；由于考虑到镜头的畸形效果，因此需要LCD处理；为适应成像过程的高速相应，所谓IMCOP的影像性处理器和IPIPE影像流水处理单元也是必不可少的。这三个部分都存在于ISP中，同时集成的还有OSD以支持屏幕图文显示。并不是所有ISP都可以轻易地把人脸检测功能集成进来，而部分企业开发的ISP还有透雾功能，能有效地支持了智能应用。可以清晰还原雾气、阴霾、雨雪、沙尘暴等天气下的图像效果

    透雾摄像机实现多行业应用

    透雾摄像机遵循安防市场的发展，在各个领域都有着突出的作用，尽管透雾摄像机的用途相对特殊，以前都会应用在森林等空旷地区，由于天气变化无常，目前在城市道路中使用也不足为奇。

    透雾摄像机大多应用于森林、江河、国境海岸、油田等地区，随着我国平安城市建设力度的不断加大，在城镇道路、车载透雾、城镇取水口等地方也有广泛的应用。随着用户对监控需求的不断提升，透雾摄像机以其良好的透雾效果赢得市场好评。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。

    透雾摄像机之所以能够在市场上占得一席之地，离不开DSP数字信号处理器，更离不开良好的CCD图像处理器与专业镜头设备生产商的努力。透雾摄像机的诞生就是为了要实现更清晰的监控效果，所以谁拥有百万高清镜头技术谁才能拥有话语权，这种新技术使得镜头的适应范围更广。IP时代来临，透雾摄像机已经做好了全部准备。

    除了上述的“透视”技术外，目前也有部分安防厂商针对透雾功能研发除了相应的对策。“透雾清晰化增强引擎技术”或许能够让更多的安防人关注，它根据监控画面白雾情况下进行特殊数字运算，并采用专用芯片对图像进行处理，将图像画面的白雾去除，从而还原出清晰、亮丽的画面。

    无论采用何种技术，无论使用哪种实现方式，我们的目标就是在应对雾霾天气时，监控摄像机能够更好地“透视”到想要的画面，同时能够保证图像清晰度，以实现高清的需求。随着科技的进步，或许在不久的将来有更先进的技术应对雾霾天气，但是当下的透雾摄像机绝对是雾霾天气的克星，能够满足市场的需求。

    透雾技术发展前景

    在舰、船、飞机等上，观瞄系统对感知其周围的态势有着非常重要的作用，观瞄系统一般由CCD摄像机和红外成像系统组成。雾、水气、雨雪等恶劣海洋气象环境会严重影响CCD和红外成像系统的图像质量，主要表现在图像对比度下降，远处目标模糊不清，难以分辨。从而影响对周围态势的感知能力。

    通过图像处理算法，来提升图像的对比度，也就是视频增透技术，在国外尤其是美国的观瞄系统已经广泛采用。

    通过对视频的增透处理，使图像的对比度得到了很大的提升，原先模糊不清的船只，变得更加清晰可见，从而提高了观瞄系统的观察距离，提高了系统对周围态势的感知能力。因此，视频增透技术在舰船飞机等观瞄系统上具有很好的应用前景。而这种视频增透技术应用，由于算法和硬件实现技术的限制，在我国刚刚起步，商业化的成熟产品更是很少见到。

    海洋的环境极为恶劣，雾、雨、水气等天气是常见的，而观瞄系统需要有能力对远距离的、微小的、高速移动的目标进行及时的观察。如果不能及时发现目标，就可能使己方处于被动状态。因此lcd液晶屏图装备这种视频增透设备，对提升观瞄系统的观察能力是非常必要的。

    小结

    我们相信随着摄像机透雾技术的不断完善，视频监控依然能在雾霾笼罩的天气下发挥作用，在维护社会稳定保证社会正常秩序中发挥关键作用。