算法透霧——智能化監(jiān)控的又一新大陸

　　在正式介紹透霧之前，筆者先為大家理清一個概念，那就是攝像機的一個普通功能——除霧。除霧技術(shù)是通過監(jiān)控設(shè)備內(nèi)置的加熱、通風設(shè)備，將凝結(jié)并依附于設(shè)備表面的水汽去除的一種防護技術(shù)，是一種物理技術(shù)手段，而非我們現(xiàn)在所說的透霧技術(shù)，兩者不是同一概念。

　　那么，什么是透霧?我們先看透霧技術(shù)應(yīng)用的場景，這是一種專門針對有水汽、霧氣、霧霾、揚塵、雨雪等飽含雜質(zhì)的空氣環(huán)境，其目的是要透過空氣中的雜質(zhì)，進而清晰獲取遠處監(jiān)控物體的影像。這是一種通過光學、算法等手段相互配合，依據(jù)圖像雜質(zhì)濃度自動調(diào)整算法，實現(xiàn)畫面的良好矯正，從而獲得與實景形成鮮明對比的清晰圖像。

　　透霧技術(shù)最初是由邊防、海防等容易起霧、又有遠距離監(jiān)控需求的場景應(yīng)用推動，因應(yīng)用少，長期以來，只有少部分廠家在推動。但隨著中國大陸的霧霾擴大化，推動了所有安防廠家對透霧產(chǎn)品的鉆研。

　　透霧設(shè)備種類

　　雖然2013年年底的那一場霧霾剛過去不久，但安防廠家的應(yīng)對非?？焖?，紛紛推出了各種各樣的透霧產(chǎn)品，其中，以攝像機透霧技術(shù)最為典型，如?？低?、大華股份、廣拓、宇視科技、三星、蘇州科達等品牌紛紛推出了槍型透霧攝像機、球型透霧攝像機，本期所測試的宇視和大華股份，所提供的就是球型攝像機產(chǎn)品。

　　若是已經(jīng)投入使用的監(jiān)控設(shè)備，自身沒有透霧處理功能，那該如何實現(xiàn)透霧呢?一些廠家也開發(fā)出了相應(yīng)的對策，如?？低暤?60H透霧DVR，該機支持16路960H模擬視頻通道的同步透霧使用。此種通過后端存儲或管理系統(tǒng)來實現(xiàn)透霧的方式，對已布建的系統(tǒng)的透霧應(yīng)用很有誘惑力。

　　不過，目前為止，尚未了解到有由平臺端實現(xiàn)透霧的軟件平臺產(chǎn)品。

　　透霧從光學伊始

　　最早研究的透霧技術(shù)，主要是從成像原理入手，也就是光學透霧，通過透霧鏡頭來過濾空氣中雜質(zhì)對影像的影響，其原理為：在不可見光的范圍內(nèi)，有一頻率的光(700nm-950nm)可以穿透霧氣，將這一頻率的不可見光進行成像，從而實現(xiàn)肉眼無法實現(xiàn)的“透視”。但由于這一波段的波長不同可見光，需要在攝像機上進行處理，才能達到對其聚焦及成像的目的。透過云霧、水氣等雜質(zhì)拍攝物體，相當于透過了兩重透鏡(水珠與實際透鏡)，除了R光線可以正確聚焦在CCD成像面上，RGB光線中的G、B均無法正常的投射在傳感器靶面上，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(如圖1所示)。而光學透霧還有一個弊端，由于可穿透空氣雜質(zhì)的不可見光沒有對應(yīng)的可見光色彩圖像信息，經(jīng)攝像機處理及呈現(xiàn)的圖像為黑白顏色。圖像信息被弱化。

　　即便如此，在迫切需求透霧成像的場所，光學透霧產(chǎn)品仍廣受歡迎，如日本TAWOV大變倍鏡頭，以其高清、長焦、透霧的優(yōu)勢，就在我國漁業(yè)養(yǎng)殖監(jiān)控領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。

　　從上面的介紹中，大家可以發(fā)現(xiàn)，當下的透霧鏡頭，主要用來穿越水汽來實現(xiàn)透視功能的，其“穿越”的對象主要是水分子。不一定適用于中國大陸的霧霾情況環(huán)境。為了做到更好的光學透霧，當霧霾日益嚴重時，國家組織過眾多專家、學者研究過霧霾的主要成分，以期有針對性地為光學透霧產(chǎn)品的研發(fā)提供數(shù)據(jù);但迄今為止，霧霾到底都由什么組成?依然是一個謎。霧霾情況不同于霧氣，除了水汽外，還有塵埃、油煙、燃燒廢氣、化合物等，如此多的雜質(zhì)存在，穿透對象未弄清楚情況下，不可見光能否穿透更是為光學透霧蒙上了一層未知的面紗。因此，傳統(tǒng)意義上的光學透霧，已經(jīng)受到了環(huán)境限制，不能簡單地用光學透霧來應(yīng)對當前的霧霾天氣。但如何完善，還需靜待研究結(jié)果出來后，才能有應(yīng)對之策。

　　另外，還有兩大因素也在制約著透霧鏡頭的普及。首先是研發(fā)難度大。安防行業(yè)所需的鏡頭，僅是光學產(chǎn)品的一個小分支，即便如此，國內(nèi)做得好的本土鏡頭廠家寥寥無幾，較著名的僅有鳳凰光學、福光、保千里，到近兩年，?？低暡庞辛俗约旱溺R頭產(chǎn)品線。無論國內(nèi)還是國外鏡頭廠家，有實力開發(fā)透霧鏡頭廠家的更是少之又少，這也讓透霧鏡頭價格高昂，直接影響了光學透霧產(chǎn)品的普及化。

　　算法透霧撲面而來

　　在霧霾尚未橫行之時，我刊偶爾才會看到某一款具備透霧功能的產(chǎn)品，數(shù)量鳳毛麟角。但霧霾過后，透霧攝像機如雨后春筍般涌現(xiàn)，下面我們就來了解一下算法透霧的一些基本情況。

　　算法透霧技術(shù)，也稱為視頻圖像增透技術(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，強調(diào)圖像當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，信息量得到增強。

　　算法透霧種類

　　首先是基于FPGA成像方法以及直方圖均衡化算法透霧，針對霧天圖像的退化現(xiàn)象，采用近紅外波段成像和視頻圖像處理技術(shù)相結(jié)合的方式。根據(jù)視頻圖像相鄰兩場畫面相似的一系列特點，提出了用改進的直方圖均衡化算法的方式圖像質(zhì)量。日立的透霧產(chǎn)品就有采用此類技術(shù)。

　　第二種是Retinex圖像增強算法，采用基于全局的Retinex圖像增強算法通過在對數(shù)域內(nèi)計算相鄰像素點灰度值之間的比值從而得到相鄰像素點之間的相對明暗關(guān)系，繼而通過該明暗關(guān)系對原像素點灰度值進行校正，最后再對校正后的像素點灰度值進行線性拉伸，得到增強的圖像。Retinex算法基于DSP的嵌入式硬件結(jié)構(gòu)，能自動適應(yīng)PAL制和NTSC制式視頻圖像，與其它圖像增強方法相比，Retinex算法具有銳化、顏色恒常性、動態(tài)范圍壓縮大、色彩逼真度高、處理延遲低等特點。

　　第三種則是影像信號處理器(LSP)算法透霧處理。該技術(shù)要求透霧設(shè)備必須具備“自動曝光(AE)”、“自動白平衡(AWB)”和“自動聚焦(AF)”的3A功能，適于直接內(nèi)嵌于攝像機中應(yīng)用。

　　透霧應(yīng)用需智能化處理

　　目前as所接觸過的攝像機，一般是基于DSP處理芯片的圖像增強算法。就測試情況看，在操作層面上，處理的智能化程度比較高，無需過多的人為手動調(diào)節(jié)干預(yù)，即可實現(xiàn)良好的透霧應(yīng)用。而有部分攝像機，針對不同的霧氣/霧霾濃度，提供有多個透霧等級供選擇，通過不同的等級調(diào)節(jié)，可將透霧效果調(diào)至最佳。

　　而衡量一款透霧攝像機的好壞，透霧的效果固然很重要，必須是可將朦朧的圖像處理為清晰視覺效果。在此，筆者要表達的是，透霧一定是要有理有據(jù)，不能因為開啟了透霧功能，而對沒有霧氣的環(huán)境，設(shè)備也對圖像進行處理為不正常的顯示效果，這樣的一根筋設(shè)備，勢必會形成反面的透霧應(yīng)用。因此，透霧設(shè)備一定要有自動分析圖像清晰度的功能，然后根據(jù)圖像的情況自動處理透霧等級，方能在各類環(huán)境中自如應(yīng)對。

　　透霧功能的檢測

　　as的每一個設(shè)備功能的測試，都是依據(jù)應(yīng)用需求而定，透霧功能也不例外。針對通過算法實現(xiàn)的透霧功能，從“算法透霧”的原理可知，設(shè)備是根據(jù)圖像的畫質(zhì)效果來定義透霧處理的，是由圖像的質(zhì)量來啟動透霧;因此，無論霧氣、霧霾、塵埃等環(huán)境，所得的圖像最終都是一副朦朧的畫面，攝像機就是根據(jù)這樣的畫面來啟動算法。

　　由此，as的測試，將模擬朦朧場景來給透霧設(shè)備創(chuàng)造朦朧影響，再觀察設(shè)備處理后的透霧效果如何，是否較實際場景清晰。依透霧原理來選定的透霧測試手段很多，如大樓的玻璃、各種不同透明程度的塑料膜、煙霧、水汽，如條件允許，則直接用現(xiàn)實的霧霾環(huán)境做檢測。

　　若是光學透霧，則需要模擬光學透霧手段來進行產(chǎn)品檢測，包括霧氣環(huán)境、煙霧環(huán)境、霧霾環(huán)境、多種雜質(zhì)混合環(huán)境，通過不同的環(huán)境來檢驗光學透霧的穿透性能。

　　通過算法來實現(xiàn)透霧的技術(shù)手段，在很大程度上解決了圖像模糊不清的視覺處理需求，而軟件的可復(fù)制化，也讓透霧產(chǎn)品量產(chǎn)成了現(xiàn)實，只要硬件處理性能允許，任何一臺攝像機都可以做到透霧功能，不再受限于基于光學的透霧鏡頭的限制，而且，算法透霧所得出的圖像是彩色圖像，景物的色彩信息不丟失。

　　不過，我們也還需理智的認識到，雖然透霧算法已經(jīng)初露端倪，但并不是每一款透霧攝像機都能自如應(yīng)對霧霾環(huán)境，有些攝像機雖然有透霧效果，但畫質(zhì)并不理想，環(huán)境霧霾稍微濃一點，就有可能處理過度，造成畫面色彩不協(xié)調(diào)。

　　謹防假透霧

　　除了專門的透霧攝像機外，非透霧攝像機也可實現(xiàn)一定程度的“透霧”應(yīng)用，這就類似于第三種影像信號處理器(LSP)算法，通過手動調(diào)節(jié)圖像的對比度、銳度、飽和度、亮度等數(shù)值，通過圖像算法矯正，讓重點區(qū)域凸顯出來。當然，這種假透霧方式只是人為輕微矯正圖像的成像，所能提升的透霧效果是有限的，不能稱之為透霧算法;如需真正實現(xiàn)透霧應(yīng)用，廠家還需認真透霧精力去開發(fā)透霧算法。只有依據(jù)透霧算法的透霧，才能在應(yīng)用中脫穎而出。