抗霧霾透霧技術深度解析

　　霧霾來勢洶洶，一般在城市中尤為嚴重，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)提出了嚴峻考驗，其主要影響有以下幾個方面：

　　1. 物體表面的反射光由于大氣粒子的散射而產生衰減，造成物體成像的亮度減弱;

　　2. 反射光經大氣粒子前向散射作用參與其它像素點成像，導致圖像模糊、分辨率下降;

　　3. 部分大氣粒子的粒徑較大，在成像過程中成為噪聲;

　　4. 與成像無關的自然光經過大氣粒子的散射，進入圖像傳感器參與成像，這種后向散射作用造成圖像飽和度、對比度降低及色調偏移。

　　伴隨著中國霧霾天氣的日益嚴峻，不少監(jiān)控攝像機已經失去了其監(jiān)控的作用，霧霾導致攝像機的監(jiān)控距離、圖像清晰度下降，甚至導致車輛、人物等監(jiān)控主體的關鍵細節(jié)信息丟失，一旦發(fā)生事件，將很難獲得有效信息，大大降低了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實用性。

　　那么視頻監(jiān)控該如何應對霧霾來襲呢?答案是透霧技術。顧名思義，透霧技術就是在霧霾天氣下，依然能夠穿透霧霾干擾，讓攝像機獲得良好的監(jiān)控效果，不會影響監(jiān)控距離和圖像清晰度。一般而言，透霧技術分為電子透霧(亦稱數字透霧)和光學透霧(亦稱物理透霧)兩種。

　　電子透霧是基于人類視覺感知模型設計的后端圖像復原技術，通過ISP算法來修復畫面、消除霧感，達到畫面更通透的視覺效果;光學透霧利用近紅外光成像，由于近紅外光波長較長，在傳播時受大氣粒子干擾較小，能穿透霧霾，從而呈現清晰的圖像細節(jié)。其實這兩種透霧技術并非是應對霧霾天氣而開發(fā)的新興技術，早期在森林、港口、碼頭等區(qū)域，由于經常容易起霧，早以通過透霧技術來實現遠距離的清晰監(jiān)控。而隨著霧霾來襲，透霧技術漸漸成為高端攝像機的標配技術，如宇視科技全系列室外應用的IPC均支持電子透霧，而最高端的HIC5600系列又在此基礎上全線支持光學透霧。

　　那么電子透霧和光學透霧這兩者之間又有什么區(qū)別，各有什么優(yōu)劣勢呢?

　　電子透霧

　　電子透霧采用的是可見光成像，并通過ISP算法來修復畫面，目前ISP算法主要分為兩大類：圖像增強透霧技術和圖像復原透霧技術。圖像增強透霧技術不考慮圖像降質原因，適用范圍廣，能有效地提高霧天圖像的對比度，改善圖像的視覺效果，但會產生更多的噪聲，甚至造成更多圖像細節(jié)的損失。圖像復原透霧技術是研究霧天圖像降質的物理過程，并建立退化模型，反演退化過程，補償退化過程造成的失真，以便獲得原始圖像的最優(yōu)估計值，從而改善圖像質量，這種方法針對性強，得到的去霧效果自然，處理的關鍵點及難點是模型中參數的估計。

　　從電子透霧的算法解釋中可以看出其優(yōu)勢在于：1、畫面色彩得以保留；2、不會增加額外硬件成本。

　　但電子透霧的劣勢也很明顯，首先由于可見光穿透能力弱，在遇到水汽、灰塵阻隔時會造成較大的散射，導致部分信息丟失，此時即使通過算法修復畫面、消除霧感，也無法對丟失的信息“從無到有”進行恢復;此外，電子透霧基于不同的算法透霧效果各有不同，簡單的算法在圖像還原效果上有局限性，而復雜的算法對硬件性能提出了更高的要求，而且就目前的圖像還原技術整體水平而言，電子透霧只能應用在一般的霧氣環(huán)境中，一旦霧霾濃度提升，電子透霧的效果就會大大降低。

　　光學透霧

　　自然光由波長不同的光波組合而成，人眼可見范圍大致為390nm-780nm，稱為可見光，而波長小于390nm的叫做紫外光，波長大于780nm的叫做紅外光。不同波段的光因為波長的不同具有不同的特性，一般紅外光由于擁有較長的波長，在傳播時受大氣粒子干擾影響較小，可穿透一定濃度的霧靄煙塵，攝像機可以利用這部分光線來實現穿透霧霾的監(jiān)控。這就是光學透霧的原理。

　　從原理可知光學透霧的優(yōu)勢在于紅外光穿透能力強，不會損失監(jiān)控主體的細節(jié)，圖像更清晰。但其劣勢也存在：1、由于紅外光沒有對應的可見光色彩圖，所以在監(jiān)視器上呈現的圖像為黑白顏色，所以不適用于必須需要彩色圖像的場所;2、光學透霧的重點在于截取近紅外光成像，而這部分工作大都由鏡頭完成，而透霧鏡頭價格昂貴，過高的成本大大限制了光學透霧在實際項目中的大規(guī)模應用。

　　全新透霧技術

　　從前文分析可以看到，電子透霧和光學透霧互有優(yōu)劣勢，并且互補。那么是否能夠融合這兩種透霧技術的優(yōu)勢，提供一種既經濟又實用的透霧攝像機呢?

　　答案是肯定的。

　　通過對各種波段光線透霧性能的細致研究，并分析在不同濃度霧霾下測試采集的大量試驗數據，最終結合監(jiān)控透霧應用需求，宇視科技全新研制出內置光學透霧+電子透霧的雙透霧功能網絡攝像機HIC5600系列。在近距離或一般霧氣環(huán)境中，該系列攝像機通過開啟電子透霧消除霧感，獲得清晰、通透的彩色圖像;一旦霧霾影響嚴重時，開啟光學透霧，即使只配備了普通鏡頭，依然能實現清晰的光學透霧效果，不會丟失任何細節(jié)，并且由于內置光學透霧組件，相較于傳統(tǒng)的光學透霧鏡頭方案大大降低了成本，可以在平安城市等行業(yè)中大規(guī)模推廣應用。由于可見光和紅外光聚焦面不一致，所以這款透霧攝像機還內置了自動后焦(ABF)裝置，在模式切換后自動觸發(fā)，以獲得最為清晰的圖像。

　　未來趨勢

　　在實際應用中，電子透霧作為一種ISP圖像還原技術，其致命缺陷在于霧霾嚴重時無法還原丟失的信息，這是其成像原理決定的，即使圖像還原算法再先進，也無法改善。一旦環(huán)境中霧霾濃度變化，電子透霧的效果將不可控，也就是說電子透霧的環(huán)境適應能力弱，而且研發(fā)更先進圖像還原算法的性價比并不高，因此筆者認為基于監(jiān)控需求的電子透霧技術將逐漸收斂。

　　而光學透霧一直以來在森林防火、海事、邊防中有應用，具有較長的實際應用歷史，其效果得到用戶的認可，只是受限于高昂的成本而無法在其他通用行業(yè)中大規(guī)模推廣，隨著新技術的產生，成本問題得到解決，相信其在各行業(yè)中的應用前景將會越來越大。

　　而提升光學透霧效果除了攝像機自身圖像處理能力的進一步提升，鏡頭、視窗等配套成像系統(tǒng)也應該對紅外光具有更高的透過率，因此配套系統(tǒng)的完善乃至sensor的進一步升級是光學透霧未來努力的方向。