話題大家談：如何應對圖像的二次處理

　　程敏 浙江大華技術股份有限公司光學圖像部研發(fā)經理

　　程瑋 ?？低暭夹g支持部產品經理

　　李偉偉 蘇州科達科技股份有限公司市場部產品經理

　　1、光環(huán)境應對技術一般包含那些主要技術，其技術原理是什么?

　　程敏：從感知層面來看，光環(huán)境應對技術主要包括光學技術和圖像處理技術兩方面，光學技術主要表現(xiàn)在鏡頭光圈的自動控制、濾光片的自動切換、以及補光燈的使用上，鏡頭光圈的自動控制是指通過自動調整鏡頭光圈大小來改變整體通光量的大小從而使得攝像機感知到合適的亮度的一種技術，濾光片自動切換是指通過改變各種波長的光的透過率從而可選擇性的消除有害光線的一種技術，補光燈主要是針對目標區(qū)域進行補光，可以使重點區(qū)域的亮度得以提升;圖像處理技術包括寬動態(tài)、背光補償、強光抑制、3D數(shù)字降噪等技術，寬動態(tài)技術通過采用多次曝光技術，經過重新映射處理，獲取比普通相機更大動態(tài)范圍的圖像，從而解決一般攝像機存在的明亮區(qū)域曝光過度，而黑暗區(qū)域曝光不足的問題;背光補償也稱作逆光補償，它可以有效補償攝像機在逆光環(huán)境下拍攝時主體區(qū)域黑暗的缺陷，從而提升主體區(qū)域的亮度和圖像細節(jié);強光抑制技術是指在低照度環(huán)境下，遇到背景光極其強烈時采用的一種對強光源進行抑制，突出強光源前的主體物，從而提升過曝區(qū)域的圖像細節(jié)、保留暗區(qū)圖像細節(jié)的技術;背光補償和強光抑制都可以看成是寬動態(tài)技術在某些特定場景下為達到特定目的的一種圖像處理技術;3D數(shù)字降噪主要應用于低照環(huán)境下，運用視頻圖像在時域和空域的相關性和稀疏性來抑制視頻圖像的噪聲，從而達到提升視頻圖像信噪比的目的。

　　2、 光環(huán)境應對技術主要應用在哪些場景?

　　程瑋：寬動態(tài)和背光補償都適用在逆光環(huán)境下，可以解決逆光處前景較暗的問題。寬動態(tài)一般通過硬件來實現(xiàn)，將多次曝光后的圖像疊加后得到前景明亮、后景清晰的圖像;而背光補償主要通過算法來實現(xiàn)整體畫面亮度的提升，從而提升前景亮度，但往往會造成原本已經夠亮的背景過曝。

　　低照度和紅外都適用于光線條件不好的環(huán)境下，低照度主要是通過使用高感光度的圖像傳感器、鏡頭或者提高增益等方式來呈現(xiàn)比較明亮的圖像，不過其要求環(huán)境不能完全無光，否則也無法感光;紅外主要用在環(huán)境完全無光或光線極弱的條件下，可以通過自帶的紅外燈發(fā)出紅外光來照亮物體，從而實現(xiàn)補光。

　　強光抑制主要用于監(jiān)控夜間行駛車輛前車牌，通過抑制車燈亮度來實現(xiàn)看清車牌的目的，但近年來這項功能已逐步被抑制車燈效果更好的寬動態(tài)所替代，所以市場上強光抑制的設備也越來越少見了。

　　3、 光環(huán)境應對技術的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀是怎樣的?

　　程敏：光學器件從最初的一種規(guī)格打天下發(fā)展到現(xiàn)在已經能應對更復雜的環(huán)境、更多樣化的需求，在適應能力提高的同時，也實現(xiàn)了經濟化和集成化，使設備的性價比更高。例如早期的光學鏡頭只能手動調節(jié)光圈大小，后來有了DC光圈和Hall反饋型光圈鏡頭，最近又出現(xiàn)了P-iris鏡頭，結合了Hall反饋型光圈功能上的優(yōu)點和DC光圈成本上的優(yōu)點;濾光片的種類也在不斷推陳出新，根據(jù)不同的應用場景和不同的傳感器特性，有針對性的推出去摩爾紋、去紫邊、去紅燈光暈、抑制局部區(qū)域過曝等等特性的濾光片。圖像處理技術早期出現(xiàn)的是簡單的背光補償技術以及空域降噪技術，后期隨著Sensor的工藝水平和ISP處理芯片性能的提升開發(fā)了寬動態(tài)技術，之后隨著對低照度場景監(jiān)控的需求提出了強光抑制技術和3D數(shù)字降噪技術。

　　4、 模擬時代和網(wǎng)絡時代的光環(huán)境應對技術有什么不同?

　　程敏：早期的模擬攝像機解決的是“看得見”的問題，從模擬攝像機發(fā)展到網(wǎng)絡高清攝像機，人們的思想觀念逐漸從“看得見”轉換到了“看得清”，網(wǎng)絡高清攝像機對整體清晰度和細節(jié)還原的要求更高，應用場景也更豐富多變，這就要求設備有極高的適應能力，可以說在網(wǎng)絡高清時代，光環(huán)境應對技術的要求更多樣化、手段方法更豐富、技術難度也更高。

　　程瑋：現(xiàn)在的監(jiān)控以網(wǎng)絡為主，網(wǎng)絡高清產品的更新?lián)Q代速度也更快，而基于網(wǎng)絡高清產品的光環(huán)境應對技術的發(fā)展也比模擬時代更快速，效果也更好。

　　5、 光環(huán)境應對技術現(xiàn)在發(fā)展是否已經成熟?

　　程敏：技術始終在進步，應用需求也一直在跟著變動，所以光環(huán)境應對技術還有很大的提升空間。

　　6、 各公司產品光環(huán)境應對在測試中實際效果差別很大，您認為有哪些主要因素?

　　程敏：目前，各廠家的光環(huán)境應對技術都是以自主研發(fā)為主，因此所采用的技術也不盡相同。例如在光學方案及器件的選用上差別就比較大，一是所用鏡頭不同，在光圈大小與控制、強光控制等方面上差異比較大，二是其它光學器件比如濾光片的效果存在差異，三是在照明補光方面也有差異。除此之外，在圖像處理算法上，各廠商紛紛提出了自己的解決方案，這里也是專利產生數(shù)量最多的一塊。這就導致了各產品在光環(huán)境的應對測試中實際效果差別較大。

　　李偉偉：比如寬動態(tài)：分為數(shù)字寬動態(tài)、2幀合一、3幀合一、4幀合一寬動態(tài)技術，不同的技術其效果也不盡相同，即使采用相同的技術，不同場景的處理方法上也有差異，因此造成一些差別。

　　另外，自適應性也非常重要，有些場景下光線呈現(xiàn)并非全天候一個狀態(tài)，因此需要攝像機具備良好的智能檢測技術，可以做大自適應啟動寬動態(tài)、強光抑制等功能，達到全天候最佳效果

　　7、 芯片、傳感器、鏡頭等硬件對光環(huán)境應對技術有哪些影響?

　　程瑋：芯片平臺決定了攝像機的性能、圖像處理能力、處理運算速度等;傳感器決定了攝像機感應光能力的強弱，好的傳感器靈敏度高，感光性能好;鏡頭決定了進光量、通透性等因素。

　　8、近期SVAC、H.265等新標準的應用、4K等新技術的發(fā)展對光環(huán)境應對技術有哪些影響?

　　程敏：近期，H.265、SVAC、4K等新標準、新技術不斷涌現(xiàn)，對圖像的分辨率提出了更高的要求，分辨率更高的高清鏡頭隨之而來，圖像處理的數(shù)據(jù)量大大增加，這對寬動態(tài)和3D數(shù)字降噪技術的處理性能提出了更大的挑戰(zhàn)，急需要研發(fā)出在處理效果和性能兩方面都滿足要求的新技術。

　　程瑋：H.265、4K等技術和光環(huán)境應對技術是相互促進的關系，未來的發(fā)展趨勢一定是朝著更高清的方向去發(fā)展，圍繞著超高清攝像機相應的編碼效率、圖像效果都需要得到提升。

　　9、光環(huán)境應對技術的提升空間在哪里?

　　程敏：從光學上來看，當前主要是全局處理，調節(jié)的是整體亮度，而實際需求往往是只需要降低局部小區(qū)域內的亮度即可，因此需要研發(fā)出具有局域特性的光學器件;從圖像處理的角度來看，提升寬動態(tài)技術的自適應能力，解決多次曝光合成的寬動態(tài)效果中的運動區(qū)域補償問題，以及進一步提升傳感器的信噪比，有效區(qū)分運動和靜止區(qū)域噪聲等等都是目前正在研究的課題。另外，以道路監(jiān)控為例，夜間爆閃燈的光污染是很嚴重的，未來如果在此方面進行變革，那設備應對低照環(huán)境的能力就要有很大的提升。

　　10、該技術在實用中經常遇見的問題有哪些?該如何避免這些問題?

　　程敏：實際應用中經常會遇到一些光線條件很極端的場景，比如晨昏時分太陽接近地平線，強烈的陽光直射到鏡頭內導致畫面上半部分過曝和嚴重的雜光，此時單靠設備本身是調整不過來的，這種情況需要通過對現(xiàn)場環(huán)境的觀察選擇合適的安裝位置、調整設備的方位角、利用護罩的遮光作用等方法把強光源的干擾給排除掉。

　　11、具備光環(huán)境應對技術的產品在選型時，有哪些注意事項?

　　程瑋：星光級超低照度攝像機是目前低照度領域夜晚監(jiān)控效果最好的一類攝像機，因其出色的夜晚成像效果，廣泛應用于平安城市、平安鄉(xiāng)鎮(zhèn)、交通、金融、高檔樓宇、住宅小區(qū)、校園、港口、高速公路、街道等對攝像機性能要求比較高但又不宜外加補光設備的環(huán)境下。例如夜晚道路監(jiān)控行駛車輛前車牌的場景，有些城市居民會覺得加了補光燈后造成光污染，比較排斥補光設備，而紅外攝像機照射車牌后，車牌的特殊材質會導致反光，從而看不清車牌細節(jié)，所以如果要看清車牌并不適合用紅外攝像機，星光級超低照度攝像機一出現(xiàn)，就立刻成為平安城市道路監(jiān)控炙手可熱的機型，只需要利用一些微弱的路燈或環(huán)境光來進行補光就可以呈現(xiàn)明亮的圖像，達到看清車牌的目的。

　　當環(huán)境光暗到一定程度時，紅外攝像機會自動開啟自帶的紅外燈，主動發(fā)射紅外光，照亮監(jiān)控目標，再通過采集場景中原有的光線及反射回來的紅外光，從而生成圖像，是一種主動式紅外。這時我們所看到的是由紅外線反射所成的影像，而不是可見光反射所成的影像，這樣就可以拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的物體，也就是人們常說的可以達到0lux。但是，如果是比較空曠的環(huán)境，紅外燈沒有可反射的物體，這樣在圖像的顯示效果就不會很好了。對紅外攝像機來說，紅外燈的壽命是用戶普遍比較關注的問題，而溫度過高是導致紅外燈失效的主要因素之一。有研究表明，溫度每降低10°，紅外燈的壽命可延長1年。因此，紅外燈電路的散熱設計、功率大小都至關重要，尤其是遠距離紅外，距離越遠，紅外燈的功率越高，熱量也會越大，當溫度高到一定程度，甚至會影響到攝像機圖像傳感器的效果。這是紅外攝像機主要存在的問題。

　　程敏：在選購產品時，首先明確自己的需求，根據(jù)使用環(huán)境、所需功能等方面來考慮需要什么樣的產品，這樣在選擇時比較有針對性，比如低照環(huán)境需搭配大光圈的鏡頭，霧天環(huán)境需配置有透霧功能的產品，走廊環(huán)境需要有P-iris功能的設備等等;其次是對比同類型產品的各項指標情況，不能單從宣傳上看，比如強光抑制或寬動態(tài)效果，最好能對比各產品的實際效果然后再做選擇。

　　12、各公司在該類技術的研發(fā)有哪些投入?

　　程敏：投入了大量資源進行相關技術的研究，包括鏡頭、補光燈等光學設備的研發(fā)，以及ISP圖像處理算法的研究，并提供各種實驗條件進行光學方案和圖像效果的測試驗證，取得了很多的突破，確保了在效果上不輸與競爭對手的同時，在成本價格上相比國外同類產品具有絕對的優(yōu)勢。

　　程瑋：設立了自己的研究院，其中就包括了光環(huán)境應對技術的圖像處理研發(fā)團隊，采用最先進的硬件芯片，結合?？低曌灾餮邪l(fā)算法，可以實現(xiàn)優(yōu)異的圖像效果。

　　李偉偉：目前，科達與光技術有關的智能交通前端產品包括微光電子警察系統(tǒng)、四合一電子警察系統(tǒng)。科達微光電子警察系統(tǒng)選用低照度元器件，并增強了圖像處理的算法，因而無需任何補光設備即可采集高清晰圖像，徹底杜絕傳統(tǒng)電子警察的閃光燈帶來的光污染問題;科達四合一電子警察系統(tǒng)的補光設備采用了專利技術，其閃光燈功率是36J,閃光時間為0.3毫秒，相比市場上大部分閃光燈的功率是200J、閃光時間長達3毫秒，科達電子警察系統(tǒng)的補光效率領先了同行10倍。

　　13、國內相關技術與國外有差距嗎，如果有，差距在哪里?

　　程敏：國外對光環(huán)境應對技術研究開始得較早，技術積累較成熟，比如像AXIS這樣的國際巨頭，最早推出Q1602低照度槍機和Q1604寬動態(tài)槍機，近期又推出了Q1635自動寬動態(tài)設備，自適應效果處于行業(yè)領先地位

　　海康威視：目前在光環(huán)境應對技術這部分，國內外的差距已經不明顯了。國內很多品牌的光環(huán)境應對技術效果已經可以和國際媲美。