透霧攝像機透霧原理及應用前景分析

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟狀態(tài)的迅速增長(cháng)，各行業(yè)都開(kāi)始以驚人的速度崛起，而且隨著(zhù)安防產(chǎn)品趨于智能化、高清化、網(wǎng)絡(luò )化得發(fā)展勢頭，安防各行業(yè)都已經(jīng)從過(guò)去的同質(zhì)化低端惡性競爭，逐步走向差異化，個(gè)性化的發(fā)展道路。

　　透霧攝像機透霧原理

　　鏡頭透霧技術(shù)

　　在不可見(jiàn)光的范圍內，有一頻率的光可以穿透霧氣，但是由于起波長(cháng)不同，所以需要在攝像機上進(jìn)行處理，以達到對其聚焦的目的，同時(shí)還需要在攝像機上進(jìn)行從新設計，用來(lái)將這一頻率的不可見(jiàn)光進(jìn)行成像，由于這個(gè)不可見(jiàn)光沒(méi)有對應的可見(jiàn)光色彩圖，所以在上呈現的圖像為黑白顏色。透過(guò)云霧、水氣拍攝物體，相當于透過(guò)了兩重透鏡(水珠與實(shí)際透鏡)，除了R光線(xiàn)可以正確聚焦在CCD成像面上，RGB光線(xiàn)中的GB均無(wú)法正常的投射在CCD成像面上，這樣就造成了普通模式鏡頭無(wú)法正常、清晰的得到云霧、水氣中的圖像。

　　過(guò)去CCTV鏡頭還處于300mm以下階段時(shí)，觀(guān)測距離一般限定在1公里以?xún)?，這種應用對天氣能見(jiàn)度的要求比較低，但是焦距已經(jīng)發(fā)展到750mm的今天，霧天對監控圖像的影響就不得不引起我們的重視了。這種情況尤其是在高速公路、森林防火、油田監控和離海面較近的港口碼頭等遠距離監控中尤為重要。這種環(huán)境往往更容易產(chǎn)生霧氣，使24小時(shí)不間斷監控面臨新的挑戰。

　　針對這種情況，少數有設計、研發(fā)能力的廠(chǎng)商經(jīng)過(guò)努力開(kāi)發(fā)出了具有透霧功能的鏡頭，并成功實(shí)現了成品上市。這種技術(shù)的出現，大大拓寬了視頻監控的應用范圍，并且是人類(lèi)依靠聰明智慧戰勝自然環(huán)境的又一經(jīng)典案例。市場(chǎng)上少數廠(chǎng)商在不具備生產(chǎn)透霧鏡頭產(chǎn)品能力的情況下，使用普通的產(chǎn)品充當透霧鏡頭來(lái)銷(xiāo)售，宣稱(chēng)具有透霧功能，是極不負責任的行為。當然，在實(shí)際測試中無(wú)法蒙混過(guò)關(guān)，最終擺脫不了被淘汰的命運，但給lcd液晶屏圖對此功能有需求的用戶(hù)在產(chǎn)品選擇上制造了許多障礙和浪費許多時(shí)間。

　　視頻分析算法

　　透霧鏡頭雖然效果突出，但因為價(jià)格上的局限性，在商用、民用范圍內很難普及，在這種情況下，很多企業(yè)推出了更為實(shí)惠的數字DSP處理技術(shù)，通過(guò)視頻分析算法來(lái)達到透霧功能，俗稱(chēng)：數字透霧。

　　1、FPGA成像方法以及直方圖均衡化算法

　　根據日立公司的薛總工程師介紹，日立透霧攝像機采用DSP處理的同時(shí)，還啟用了FPGA的紅外實(shí)時(shí)透霧成像方法：FPGA成像方法針對霧天圖像的退化現象，采用近紅外波段成像和視頻圖像處理技術(shù)相結合的方式。根據視頻圖像相鄰兩場(chǎng)畫(huà)面相似的一系列特點(diǎn)，提出了用改進(jìn)的直方圖均衡化算法的方式圖像質(zhì)量。

　　改進(jìn)過(guò)的算法不僅可以提高畫(huà)面清晰度，還可以簡(jiǎn)化系統結構，節約存儲器部分硬件資源。實(shí)驗表明，采用FPGA成像方法，在增強霧天圖像的同時(shí)滿(mǎn)足標準視頻圖像處理25fr鋤/s的實(shí)時(shí)性要求，結合近紅外波段透霧能力使霧天圖像能見(jiàn)距離提高1.5倍以上。并且可以生成彩色畫(huà)面。

　　2、視頻增強算法(Retinex算法)

　　Retinex算法是基于人類(lèi)視覺(jué)系統感知和調節物體顏色和亮度的模型，這個(gè)模型解釋了一般顏色理論無(wú)法解釋的人眼對顏色的波長(cháng)與亮度不是特別對應的現象。Land通過(guò)大量的實(shí)驗證明我提的表面顏色不會(huì )因為光照條件的變化而改變即顏色恒常性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)顏色恒常就是說(shuō)無(wú)論是在正午的陽(yáng)光下、白熾燈下，還是在陰暗的光照條件下，人類(lèi)感覺(jué)到的同樣物體顏色是一致的。正因如此，在進(jìn)行圖像操作時(shí)應當去除光照強度，照射不均等一些不確定和非本質(zhì)的影響，只保留物體本質(zhì)的反射性質(zhì)如反射率等信息?；谶@種方法處理的圖像可以使圖像在邊緣銳化、動(dòng)態(tài)范圍壓縮和顏色的恒定方面都有很好的效果，

　　Retinex理論的基本思想就是將原始圖像看成是由照射圖像和物體反射屬性組成，照射光圖像直接決定一幅圖像中像素能夠達到的動(dòng)態(tài)范圍，物體反射屬性決定了圖像的內在性質(zhì)，因此，在原始圖像中去除或降低照射圖像的影響從而保留本質(zhì)的反射屬性是Retinex理論的基本思想。與其它圖像增強方法相比，Retinex算法具有銳化、顏色恒常性、動(dòng)態(tài)范圍壓縮大、色彩逼真度高等特點(diǎn)。

　　現在多部分的lcd液晶屏圖視頻增強器只是采用基于全局的Retinex圖像增強算法通過(guò)在對數域內計算相鄰像素點(diǎn)灰度值之間的比值從而得到相鄰像素點(diǎn)之間的相對明暗關(guān)系，繼而通過(guò)該明暗關(guān)系對原像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行校正，最后再對校正后的像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行線(xiàn)性拉伸，得到增強的圖像。所以得到的增強圖像對比度不高。而CASEVisionVE9901視頻增強器采用先進(jìn)的多尺度Retinex圖像增強算法，具有較強的普適性。同時(shí)提供優(yōu)化的對數直方圖均衡處理和多種噪聲濾波算法。它基于DSP的嵌入式硬件結構，具有尺寸小、功耗低、高性能的優(yōu)點(diǎn)。且實(shí)時(shí)對圖像處理，自動(dòng)適應PAL制和NTSC制式視頻圖像。并具有極低的延遲，延遲時(shí)間不超過(guò)一幀，即PAL制視頻延遲40ms，NTSC制式視頻延遲33ms。同時(shí)，它還支持lcd液晶屏圖全屏增強和局部窗口增強，局部增強窗口大小和位置可動(dòng)態(tài)調整。

　　3、影像信號處理器(LSP)

　　在視頻采集過(guò)程中，前端所要求的是把CCD或CMOS感光傳感器所采集的影像經(jīng)過(guò)視頻接口采集，然后通過(guò)ISP進(jìn)行成像處理，其中需要有“自動(dòng)曝光(AE)”、“自動(dòng)白平衡(AWB)”和“自動(dòng)聚焦(AF)”處理，統稱(chēng)為(3A)。那么前端需要有3A柱狀圖分析，而統計信息則經(jīng)由ISP中的H3A單元處理;由于考慮到鏡頭的畸形效果，因此需要LCD處理;為適應成像過(guò)程的高速相應，所謂IMCOP的影像性處理器和IPIPE影像流水處理單元也是必不可少的。這三個(gè)部分都存在于ISP中，同時(shí)集成的還有OSD以支持屏幕圖文顯示。并不是所有ISP都可以輕易地把人臉檢測功能集成進(jìn)來(lái)，而部分企業(yè)開(kāi)發(fā)的ISP還有透霧功能，能有效地支持了智能應用?？梢郧逦€原霧氣、陰霾、雨雪、沙塵暴等天氣下的圖像效果。

　　透霧攝像機應用前景

　　透霧攝像機遵循安防市場(chǎng)的發(fā)展，在各個(gè)領(lǐng)域都有著(zhù)突出的作用，盡管透霧攝像機的用途相對特殊，以前都會(huì )應用在森林等空曠地區，由于天氣變化無(wú)常，目前在城市道路中使用也不足為奇。

　　透霧攝像機大多應用于森林、江河、國境海岸、油田等地區，隨著(zhù)我國平安城市建設力度的不斷加大，在城鎮道路、車(chē)載透霧、城鎮取水口等地方也有廣泛的應用。隨著(zhù)用戶(hù)對監控需求的不斷提升，透霧攝像機以其良好的透霧效果贏(yíng)得市場(chǎng)好評。透霧攝像機的市場(chǎng)規模在不斷擴大，按照目前測算的結果，透霧攝像機每年會(huì )有超過(guò)10萬(wàn)臺以上的市場(chǎng)需求。

　　透霧攝像機之所以能夠在市場(chǎng)上占得一席之地，離不開(kāi)DSP數字信號處理器，更離不開(kāi)良好的CCD圖像處理器與專(zhuān)業(yè)鏡頭設備生產(chǎn)商的努力。透霧攝像機的誕生就是為了要實(shí)現更清晰的監控效果，所以誰(shuí)擁有百萬(wàn)高清鏡頭技術(shù)誰(shuí)才能擁有話(huà)語(yǔ)權，這種新技術(shù)使得鏡頭的適應范圍更廣。IP時(shí)代來(lái)臨，透霧攝像機已經(jīng)做好了全部準備。

　　除了上述的“透視”技術(shù)外，目前也有部分安防廠(chǎng)商針對透霧功能研發(fā)除了相應的對策。“透霧清晰化增強引擎技術(shù)”或許能夠讓更多的安防人關(guān)注，它根據監控畫(huà)面白霧情況下進(jìn)行特殊數字運算，并采用專(zhuān)用芯片對圖像進(jìn)行處理，將圖像畫(huà)面的白霧去除，從而還原出清晰、亮麗的畫(huà)面。

　　無(wú)論采用何種技術(shù)，無(wú)論使用哪種實(shí)現方式，我們的目標就是在應對霧霾天氣時(shí)，監控攝像機能夠更好地“透視”到想要的畫(huà)面，同時(shí)能夠保證圖像清晰度，以實(shí)現高清的需求。隨著(zhù)科技的進(jìn)步，或許在不久的將來(lái)有更先進(jìn)的技術(shù)應對霧霾天氣，但是當下的透霧攝像機絕對是霧霾天氣的克星，能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。

　　在艦、船、飛機等上，觀(guān)瞄系統對感知其周?chē)膽B(tài)勢有著(zhù)非常重要的作用，觀(guān)瞄系統一般由CCD攝像機和紅外成像系統組成。霧、水氣、雨雪等惡劣海洋氣象環(huán)境會(huì )嚴重影響CCD和紅外成像系統的圖像質(zhì)量，主要表現在圖像對比度下降，遠處目標模糊不清，難以分辨。從而影響對周?chē)鷳B(tài)勢的感知能力。

　　通過(guò)圖像處理算法，來(lái)提升圖像的對比度，也就是視頻增透技術(shù)，在國外尤其是美國的觀(guān)瞄系統已經(jīng)廣泛采用。

　　通過(guò)對視頻的增透處理，使圖像的對比度得到了很大的提升，原先模糊不清的船只，變得更加清晰可見(jiàn)，從而提高了觀(guān)瞄系統的觀(guān)察距離，提高了系統對周?chē)鷳B(tài)勢的感知能力。因此，視頻增透技術(shù)在艦船飛機等觀(guān)瞄系統上具有很好的應用前景。而這種視頻增透技術(shù)應用，由于算法和硬件實(shí)現技術(shù)的限制，在我國剛剛起步，商業(yè)化的成熟產(chǎn)品更是很少見(jiàn)到。

　　海洋的環(huán)境極為惡劣，霧、雨、水氣等天氣是常見(jiàn)的，而觀(guān)瞄系統需要有能力對遠距離的、微小的、高速移動(dòng)的目標進(jìn)行及時(shí)的觀(guān)察。如果不能及時(shí)發(fā)現目標，就可能使己方處于被動(dòng)狀態(tài)。因此lcd液晶屏圖裝備這種視頻增透設備，對提升觀(guān)瞄系統的觀(guān)察能力是非常必要的。

　　結束語(yǔ)：我們相信隨著(zhù)攝像機透霧技術(shù)的不斷完善，視頻監控依然能在霧霾籠罩的天氣下發(fā)揮作用，在維護社會(huì )穩定保證社會(huì )正常秩序中發(fā)揮關(guān)鍵作用。