淺析：如何利用部分光線實(shí)現(xiàn)透霧監(jiān)控

　　近年來，隨著終端用戶對(duì)圖像質(zhì)量越來越高要求，攝像機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)從過去的同質(zhì)化低端惡性競(jìng)爭(zhēng)，逐步走向差異化，個(gè)性化的發(fā)展道路。細(xì)分市場(chǎng)出現(xiàn)了超低照度攝像機(jī)，超寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)，照車牌攝像機(jī)，和透霧攝像機(jī)等應(yīng)對(duì)不同領(lǐng)域終端用戶的專業(yè)產(chǎn)品。其中又以透霧攝像機(jī)的技術(shù)含量最高，利潤(rùn)空間最大。隨著近幾年極端天氣不斷增多，全球各地出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間大霧籠罩的天氣，透霧攝像機(jī)的應(yīng)用更是大大提升。

透霧技術(shù)發(fā)展前景

在艦、船、飛機(jī)等上，觀瞄系統(tǒng)對(duì)感知其周圍的態(tài)勢(shì)有著非常重要的作用，觀瞄系統(tǒng)一般由CCD攝像機(jī)和紅外成像系統(tǒng)組成。霧、水氣、雨雪等惡劣海洋氣象環(huán)境會(huì)嚴(yán)重影響CCD和紅外成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量，主要表現(xiàn)在圖像對(duì)比度下降，遠(yuǎn)處目標(biāo)模糊不清，難以分辨。從而影響對(duì)周圍態(tài)勢(shì)的感知能力。

通過圖像處理算法，來提升圖像的對(duì)比度，也就是視頻增透技術(shù)，在國(guó)外尤其是美國(guó)的觀瞄系統(tǒng)已經(jīng)廣泛采用，圖像處理前后的對(duì)比效果如下：

從這個(gè)對(duì)比的效果圖片中，我們很明顯感受到，通過對(duì)視頻的增透處理，使圖像的對(duì)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，從而提高了觀瞄系統(tǒng)的觀察距離，提高了系統(tǒng)對(duì)周圍態(tài)勢(shì)的感知能力。因此，視頻增透技術(shù)在艦船飛機(jī)等觀瞄系統(tǒng)上具有很好的應(yīng)用前景。而這種視頻增透技術(shù)應(yīng)用，由于算法和硬件實(shí)現(xiàn)技術(shù)的限制，在我國(guó)剛剛起步，商業(yè)化的成熟產(chǎn)品更是很少見到。

海洋的環(huán)境極為惡劣，霧、雨、水氣等天氣是常見的，而觀瞄系統(tǒng)需要有能力對(duì)遠(yuǎn)距離的、微小的、高速移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行及時(shí)的觀察。如果不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，就可能使己方處于被動(dòng)狀態(tài)。因此裝備這種視頻增透設(shè)備，對(duì)提升觀瞄系統(tǒng)的觀察能力是非常必要的。

鏡頭透霧技術(shù)

近年來，采用視頻監(jiān)控設(shè)備保衛(wèi)安全已經(jīng)成為了各行各業(yè)的必要手段。但是傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控設(shè)備無一例外的都有一個(gè)弊端，就是在夜間和霧天的監(jiān)控效果十分不理想，而夜間和霧天又是案件多發(fā)時(shí)間。另外，對(duì)于距離稍遠(yuǎn)的監(jiān)控，幾乎更是一片空白。

透霧原理是這樣的，在不可見光的范圍內(nèi)，有一頻率的光可以穿透霧氣，但是由于起波長(zhǎng)不同，所以需要在攝像機(jī)上進(jìn)行處理，以達(dá)到對(duì)其聚焦的目的,同時(shí)還需要在攝像機(jī)上進(jìn)行從新設(shè)計(jì)，用來將這一頻率的不可見光進(jìn)行成像，由于這個(gè)不可見光沒有對(duì)應(yīng)的可見光色彩圖，所以在監(jiān)視器上呈現(xiàn)的圖像為黑白顏色。透過云霧、水氣拍攝物體，相當(dāng)于透過了兩重透鏡(水珠與實(shí)際透鏡)，除了R光線可以正確聚焦在CCD成像面上，RGB光線中的GB均無法正常的投射在CCD成像面上，這樣就造成了普通模式鏡頭無法正常、清晰的得到云霧、水氣中的圖像。

過去CCTV鏡頭還處于300mm以下階段時(shí)，觀測(cè)距離一般限定在1公里以內(nèi)，這種應(yīng)用對(duì)天氣能見度的要求比較低，但是焦距已經(jīng)發(fā)展到750mm的今天，霧天對(duì)監(jiān)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(jiān)控和離海面較近的港口碼頭等遠(yuǎn)距離監(jiān)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(jiān)控面臨新的挑戰(zhàn)。

　　針對(duì)這種情況，少數(shù)有設(shè)計(jì)、研發(fā)能力的廠商經(jīng)過努力開發(fā)出了具有透霧功能的鏡頭，并成功實(shí)現(xiàn)了成品上市。這種技術(shù)的出現(xiàn)，大大拓寬了視頻監(jiān)控的應(yīng)用范圍，并且是人類依靠聰明智慧戰(zhàn)勝自然環(huán)境的又一經(jīng)典案例。市場(chǎng)上少數(shù)廠商在不具備生產(chǎn)透霧鏡頭產(chǎn)品能力的情況下，使用普通的產(chǎn)品充當(dāng)透霧鏡頭來銷售，宣稱具有透霧功能，是極不負(fù)責(zé)任的行為。當(dāng)然，在實(shí)際測(cè)試中無法蒙混過關(guān)，最終擺脫不了被淘汰的命運(yùn)，但給對(duì)此功能有需求的用戶在產(chǎn)品選擇上制造了許多障礙和浪費(fèi)許多時(shí)間。

視頻透霧增透技術(shù)

視頻增透技術(shù)，一般指將因霧和水氣灰塵等導(dǎo)致朦朧不清的圖像變得清晰，強(qiáng)調(diào)圖像當(dāng)中某些感興趣的特征，抑制不感興趣的特征，使得圖像的質(zhì)量改善，信息量更加豐富。增強(qiáng)后的圖像為圖像的下一步應(yīng)用提供良好的條件。一般來說增透技術(shù)有兩種：空域的和頻域的方法。但這些方法的對(duì)不同圖像的適應(yīng)性還存在一些缺陷。在上個(gè)世紀(jì)70年代，美國(guó)物理學(xué)家Land等提出了Retinex圖像增強(qiáng)方法，它是基于人類視覺感知的圖像處理模型。它能壓縮圖像動(dòng)態(tài)范圍，顯示圖像中被湮沒的細(xì)節(jié)。但算法復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)難度大，尤其是對(duì)實(shí)時(shí)視頻的實(shí)時(shí)增強(qiáng)，因?yàn)橛?jì)算量大，導(dǎo)致很難實(shí)際應(yīng)用。隨著硬件性能的提高，我們終于能把這個(gè)具有普遍適應(yīng)性的圖像增強(qiáng)算法變成實(shí)際的工程化產(chǎn)品。這是業(yè)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)的Retinex算法的硬件產(chǎn)品。

Retinex算法是基于人類視覺系統(tǒng)感知和調(diào)節(jié)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法解釋的人眼對(duì)顏色的波長(zhǎng)與亮度不是特別對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象。Land通過大量的實(shí)驗(yàn)證明我提的表面顏色不會(huì)因?yàn)楣庹諚l件的變化而改變即顏色恒常性。簡(jiǎn)單來說顏色恒常就是說無論是在正午的陽(yáng)光下、白熾燈下，還是在陰暗的光照條件下，人類感覺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(yīng)當(dāng)去除光照強(qiáng)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(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍，物體反射屬性決定了圖像的內(nèi)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(qiáng)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(xiàn)在多部分的視頻增強(qiáng)器只是采用基于全局的Retinex圖像增強(qiáng)算法通過在對(duì)數(shù)域內(nèi)計(jì)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(duì)明暗關(guān)系，繼而通過該明暗關(guān)系對(duì)原像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行校正，最后再對(duì)校正后的像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行線性拉伸，得到增強(qiáng)的圖像。所以得到的增強(qiáng)圖像對(duì)比度不高。而CASEVisionVE9901視頻增強(qiáng)器采用先進(jìn)的多尺度Retinex圖像增強(qiáng)算法，具有較強(qiáng)的普適性。同時(shí)提供優(yōu)化的對(duì)數(shù)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(jié)構(gòu)，具有尺寸小、功耗低、高性能的優(yōu)點(diǎn)。且實(shí)時(shí)對(duì)圖像處理，自動(dòng)適應(yīng)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)，它還支持全屏增強(qiáng)和局部窗口增強(qiáng)，局部增強(qiáng)窗口大小和位置可動(dòng)態(tài)調(diào)整。