實時視頻透霧技術(shù)在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

最近PM2.5這一氣象領(lǐng)域?qū)I(yè)詞匯成為社會關(guān)注的流行話題?？諝庵械囊旱魏凸腆w小顆粒不僅危害人體健康，引起霧霾而導(dǎo)致交通事故頻發(fā)，同時也使戶外監(jiān)控視頻質(zhì)量明顯降低。在霧霾天氣下，圖像色彩黯淡、對比度變低，一些重要目標(biāo)的細(xì)節(jié)更是淹沒在霧氣中難以被察覺，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實用性受到很大影響。

因此，去除視頻中的霧氣，進(jìn)而改善圖像質(zhì)量，成為提升戶外視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用價值越發(fā)重要的一項關(guān)鍵技術(shù)。

一、霧氣對視頻監(jiān)控的影響

一般認(rèn)為，大氣介質(zhì)主要由空氣分子、水汽和氣溶膠組成。氣溶膠是懸浮在氣體中的小粒子構(gòu)成的彌散系。某些粒子具有高吸濕性，起到水汽凝結(jié)中心的作用，其大小與環(huán)境相對濕度、水汽供應(yīng)和由碰撞而發(fā)生凝聚的程度有關(guān)。由于大氣中各種顆粒的大小、類型以及聚集程度的不同產(chǎn)生晴(Clearness)、霾（Haze）,霧(Fog)，云(Cloud)、雨(Rain)等各種天氣。

在晴朗的天氣條件下，從物體表面反射的光線基本不會受大氣中各種成分的影響發(fā)生散射、吸收、反射等現(xiàn)象，能夠直接到達(dá)成像設(shè)備，獲得清晰無霧圖像。

在有霧天氣下，從物體表面反射的光線在到達(dá)成像設(shè)備的過程中會受到空氣中懸浮顆粒的影響。氣溶膠粒子是霧霾形成的主要因素，也是圖像質(zhì)量產(chǎn)生退化的根本原因，其影響主要有以下幾個方面:

(1)氣溶膠粒子對光線有散射作用，散射損失使“透射光”強(qiáng)度衰減，造成了圖像的對比度下降。

(2)由于氣溶膠粒子的非均勻性，使球面波畸變成非球面波，導(dǎo)致圖像變模糊，邊緣和細(xì)節(jié)降低。

(3)氣溶膠粒子的粒徑較大，粒子的自身成像不容忽視，可以近似理解成“噪聲”。

(4)氣溶膠粒子對成像光線的散射部分會因為多次散射的作用，和原有的前向散射部分疊加在一起成像，產(chǎn)生一定的模糊。

二、實時視頻透霧技術(shù)與其他透霧技術(shù)的比較分析

目前已知的透霧算法大致可以分為兩大類:一種是非模型的圖像增強(qiáng)方法，通過增強(qiáng)圖像的對比度，滿足主觀視覺的要求來達(dá)到清晰化的目的；另一種是基于模型的圖像復(fù)原方法，它考查圖像退化的原因，將退化過程進(jìn)行建模，采用逆向處理，以最終解決圖像的復(fù)原問題。

目前通過增強(qiáng)的方式來進(jìn)行透霧處理典型的方法包括：直方圖均衡化、濾波變換方法和基于模糊邏輯的方法。直方圖均衡化方法，其中全局化方法運(yùn)算量小但對細(xì)節(jié)的增強(qiáng)不夠；局部均衡方法效果較好，但可能引入塊狀效應(yīng)、計算量大、噪聲被放大及算法效果不易控制的問題。濾波變換的透霧算法，通過局部處理能獲得相對較好的處理結(jié)果，但它們的計算量巨大、資源消耗多、不適于實時性要求較高的設(shè)備?；谀：壿嫷姆椒ㄍ胳F的效果不夠理想。

基于增強(qiáng)的方法能在一定程度上提高圖像對比度，并通過增強(qiáng)感興趣區(qū)域來提升可識別度。但該方法未能從圖像退化過程的原因入手來進(jìn)行補(bǔ)償，因此它只能改善視覺效果而不能獲得很好的透霧效果。
目前基于圖像復(fù)原的方法主要有以下幾類：濾波方法、最大熵方法與圖像退化函數(shù)估計法等。濾波方法如卡曼濾波方法，整體而言計算量較大。最大熵法能獲得較高的分辨率但是其非線性、計算量大、數(shù)值求解困難。

圖像退化函數(shù)估計法大多依據(jù)一定的物理模型（如大氣散射模型與偏振特性的透霧模型）來設(shè)計，需要在不同的時間點采集多幅圖像作為參考圖像，以便確定物理模型中的多個參數(shù)，而最終求解得到無霧狀態(tài)下的結(jié)果圖像。這一點限制了此類方法在實時監(jiān)控中的應(yīng)用。

安防產(chǎn)品現(xiàn)已應(yīng)用于各種復(fù)雜場景、惡劣天氣，全天候?qū)崟r監(jiān)控對產(chǎn)品的便攜性與功耗、處理效果、處理的自適應(yīng)性等方面都提出了較為苛刻的要求。良好的視頻透霧技術(shù)應(yīng)當(dāng)在大氣透射模型的基礎(chǔ)上融合圖像增強(qiáng)與圖像復(fù)原的技術(shù)優(yōu)勢，從而能夠獲得較為理想的圖像效果并被實際工程化引用。

在圖像處理中，一般用下述模型來表達(dá)所看到的有霧圖像：

I(X)=J(X)t(x)+A(1-t(x))

I代表所看到的圖像強(qiáng)度，J是景物光線強(qiáng)度，A是大氣光成分，t是用來描述光線通過媒介時沒有被散射掉的那部分。透霧的目標(biāo)就是從I中恢復(fù)出J、A、t，J即對應(yīng)于透霧后的結(jié)果圖像。其中，J(X)t(x)稱為直接衰減項，代表的是景物光線在媒介中經(jīng)過衰減后的部分，A(1-t(x)為大氣光成分，由前方散射引起。

在充分分析透霧理論的優(yōu)勢與不足，并進(jìn)行深入的研究探索后，?？低暯Y(jié)合安防監(jiān)控領(lǐng)域的視頻圖像透霧的特殊要求，開發(fā)了一種實時視頻透霧技術(shù)。該技術(shù)基于大氣光學(xué)原理，區(qū)分圖像不同區(qū)域景深與霧濃度進(jìn)行濾波處理，獲得準(zhǔn)確、自然的透霧圖像。

該實時視頻透霧技術(shù)能夠根據(jù)霧況的變化自動調(diào)整從而適應(yīng)各種場景應(yīng)用，避免出現(xiàn)近景透霧過度發(fā)黑而遠(yuǎn)景模糊的情況；同時兼顧了實現(xiàn)的效率與復(fù)雜度，保證了整個透霧的實時性與可工程化。

同時，這項實時視頻透霧技術(shù)不但可以有效去除霧氣帶來的影響，而且能夠避免對某些場景的過渡處理導(dǎo)致的色彩誤差，以及霧氣過度去除帶來的不真實感。如圖2-1，其中a是包含薄霧的圖像，b是傳統(tǒng)透霧方法的效果，c則是實時透霧技術(shù)處理后的效果?？梢钥吹剑捎陟F氣本身不厚，傳統(tǒng)透霧方法b中由于缺乏自適應(yīng)能力，紅框內(nèi)出現(xiàn)了發(fā)黑及色彩失真現(xiàn)象，c中的紅框內(nèi)圖像效果則自然真實。

實時視頻透霧技術(shù)與其它透霧方法相比的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾方面：

1）透霧能力強(qiáng)。實時視頻透霧技術(shù)能夠根據(jù)不同的景深準(zhǔn)確的去除相應(yīng)程度的霧氣。傳統(tǒng)圖像增強(qiáng)的方法可能出現(xiàn)近景透霧效果較好而遠(yuǎn)景則仍然殘余了很多朦朧霧氣的問題；而基于圖像復(fù)原方法的透霧效果與選擇成分的準(zhǔn)確性有關(guān)，成分選擇準(zhǔn)確則透霧處理效果較好，如成分選擇不準(zhǔn)確則可能出現(xiàn)很糟糕的結(jié)果，因此該方法的透霧算法性能不夠穩(wěn)定。

2)通透性好。經(jīng)過實時視頻透霧技術(shù)處理后的圖像很通透，有較好的對比度。而其它方法因為對景深估計不準(zhǔn)確而殘余了霧氣,使透霧后的圖像并不是很通透。

3)細(xì)節(jié)保留程度高。實時視頻透霧技術(shù)中包含保持細(xì)節(jié)的特殊處理，因此透霧后的圖像能把原來隱藏在霧氣后的細(xì)節(jié)信息繼續(xù)保留甚至部分增強(qiáng)，這也是其它方法難以達(dá)到的。

4)色彩的飽和度高、還原能力強(qiáng)。實時視頻透霧技術(shù)不會改變圖像的色調(diào)而僅僅是增加其色彩的飽和度，其它透霧方法則可能出現(xiàn)色調(diào)失真的問題。

5)不會引起圖像偏暗現(xiàn)象。實時視頻透霧技術(shù)由于包含有亮度提升性能，不會出現(xiàn)結(jié)果圖像偏暗的現(xiàn)象。其他方法則可能引起對比度降低的問題。

6）應(yīng)用范圍廣泛。實時視頻透霧技術(shù)也可用于對無霧的圖像進(jìn)行處理，提高原圖的對比度與飽和度，同時能夠改善圖像的通透感，起到提升圖像視覺品質(zhì)的作用。

三、實時視頻透霧技術(shù)在安防監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用前景

實時視頻透霧技術(shù)能夠從多個角度提升視頻監(jiān)控的質(zhì)量。首先它是一種透霧技術(shù)，可以用于氣溶膠導(dǎo)致的各種天氣條件的透霧處理；它還是一種增強(qiáng)算法，能夠明顯提升圖像的對比度、使圖像變通透、清晰；能夠顯著增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)信息，使原來被隱藏的圖像細(xì)節(jié)被充分展示；能夠提升圖像的飽和度，使圖像色彩鮮艷活潑、生動，透霧處理后的圖像保持準(zhǔn)確的色調(diào)、自然的外觀，因而獲得了良好的圖像質(zhì)量與視覺感受。

實時視頻透霧技術(shù)具備很強(qiáng)的可工程化能力。該透霧技術(shù)可適用于各種分辨率包括百萬像素級高清圖像；在各種分辨率下均能保證實時的準(zhǔn)確透霧處理；能根據(jù)目標(biāo)場景實時評估當(dāng)前霧濃度并自適應(yīng)的調(diào)整透霧強(qiáng)度，無懼場景的霧況改變；由于該透霧技術(shù)能夠得出精確的景深信息，對同一場景中非均勻的霧氣能準(zhǔn)確的去除而不會殘留透霧瑕疵。從目前測試效果來看，該技術(shù)在戶外視頻監(jiān)控系統(tǒng)上擁有很好的應(yīng)用前景。

實時視頻透霧功能在部分?jǐn)z像機(jī)上已初步實現(xiàn)，實際采集的透霧處理效果見圖2-2與2-3。其為一幅圖像的兩側(cè)，左側(cè)為透霧后的圖像，右側(cè)為未進(jìn)行透霧的原始圖像。可以明顯看出，左側(cè)圖像在細(xì)節(jié)、通透性、色彩等各方面均有顯著提高。

實時透霧技術(shù)能夠與視頻壓縮、智能分析技術(shù)結(jié)合，為其帶來更大的價值。由于目前主流的視頻壓縮算法都是有損壓縮，會對圖像中對比度較低的細(xì)節(jié)造成損傷，而有霧視頻一般就是對比度低、細(xì)節(jié)偏少的，因此被編碼壓縮后往往模糊不清且無法恢復(fù)。采用實時透霧技術(shù)能夠有效地增強(qiáng)圖像對比度和細(xì)節(jié)，保證有價值的信息不會被編碼壓縮丟失，顯著提高信息有效性。對于智能分析而言也是類似，經(jīng)實時透霧技術(shù)處理的圖像，其分析結(jié)果的錯誤率尤其是漏報率能夠顯著降低，從而大幅提高智能分析系統(tǒng)的實用性。

隨著工業(yè)的發(fā)展以及其對氣候的影響，霧霾越來越成為一種常見的天氣現(xiàn)象，這對戶外應(yīng)用的監(jiān)控系統(tǒng)的畫面品質(zhì)造成很大的影響。目前，實際工程中主要通過雷達(dá)、紅外等其它手段在霧霾氣候中感知和監(jiān)測目標(biāo)，由于技術(shù)和成本的限制，雷達(dá)、紅外等在視頻監(jiān)控領(lǐng)域還沒有理想的應(yīng)對方案。實時視頻透霧技術(shù)的出現(xiàn)，能夠為視頻監(jiān)控領(lǐng)域帶來多方面的價值。

從應(yīng)用場景來看，實時視頻透霧技術(shù)可用于多種戶外場合，如高速公路的交通事故易發(fā)區(qū)端、高速公路卡口位置；公共汽車的輔助駕駛設(shè)施監(jiān)控區(qū)域；公安機(jī)關(guān)關(guān)注的各重點場所與區(qū)域；發(fā)電廠與電力傳輸設(shè)備的重點監(jiān)控區(qū)域；中小學(xué)校園、城市商業(yè)中心與城市廣場等。

從應(yīng)用的行業(yè)來看，包括交通行業(yè)、公安行業(yè)、教育、航空、數(shù)碼產(chǎn)品、遙感圖像處理、食品安全監(jiān)控，甚至包括特殊的軍事應(yīng)用等。從應(yīng)用的產(chǎn)品與解決方案來看，實時視頻透霧技術(shù)在安防監(jiān)控領(lǐng)域，可以應(yīng)用于前端攝像機(jī)、快球的透霧與提升圖像的質(zhì)量；可以應(yīng)用于DVR以提升圖像的質(zhì)量；可以應(yīng)用于大屏顯示器以提升其色彩飽和度與圖像質(zhì)量；還可以用于嵌入式客戶軟件，以提升預(yù)覽圖像的質(zhì)量等。