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三问三答,海康威视帮你解决“雾里看花”

CPS中安网2021-06-12 16:22:36

  2015年,柴静的纪录片《穹顶之下》一时间成为热点话题,其中最大的切入点就是“雾霾”。“雾霾”确实影响着每个人的生活。打开朋友圈,经常看到五湖四海的朋友晒PM2.5值,在视频监控行业,雾霾也已经成为高清监控的隐形杀手。经常有人问是否有透雾摄像机?透雾处理的关键技术是什么?透雾效果怎么样?


  试想一下,如果某地发生重要事件,但是事后回放是一片迷雾,监控无法体现价值。接下来,我们就大家最关心的这几个问题展开来看一下。


一、是否有透雾的摄像机?

  

  毋庸置疑,有,而且有很多!但是我们经常会迷茫这么多的透雾设备,应该如何选择?了解透雾的发展,兴许我们就能找到答案。


  第一代透雾技术


  透雾监控需求最早出现在海事边防等,一开始只在透雾镜头上做研究,研发了一种光学透雾技术,也就是第一代透雾技术。光学透雾采用针对红外波段成像特殊优化的镜头,通过滤光片对特定近红外波段光线进行截取,从而利用雾气中的红外光进行成像。因为直接利用可穿透雾霭的近红外波段光线进行成像,光学透雾虽然只能得到黑白监控画面,但是其成像效果突出,已在海事有了不错的运用;然而,由于镜头成本高昂,虽然近年来平安城市等大型项目甚至民用市场也出现了透雾需求,但是其实际数量仍有限。


  从透雾依据可知,光学透雾的重点在于对特定近红外波段光线的截取与准确聚焦,而这部分工作大都由镜头完成。专业透雾镜头内置有针对性很强的滤波片,作用是精确截取所需波段的光线,为了适应特定环境状况,常常会加载多片针对不同波段的滤波片,并通过485接口与摄像机联动,实现切换。正常来说,配合透雾镜头的摄像机在基础成像性能上只要具备日夜转换功能即可,但考虑到透雾镜头高昂的造价,部分摄像机厂家也开始寻求更经济实惠的光学透雾模式,在两滤波片的日夜转换摄像机的基础上增加透雾滤波片,可截取适合成像的近红外波段,以实现较为经济的光学透雾。此机械装置可由摄像机自动控制,也可人工切换。




  图1 光学透雾处理效果


  第二代透雾技术


  随着民用需求的不断增长,也为了更高性价比的透雾,厂家开始在摄像机视频图像增强技术上做研究,也就是现在安防监控市场上非常普遍的数字透雾摄像机。数字透雾技术的第一个阶段——“浅透雾”阶段,这类方法通过调整传感器采集信息的分布,增强观测目标的色彩与细节,减少信息在后续处理中的损失,并提高了用户观测效果。但这种透雾效果不明显,也称假性透雾。目前很多安防厂家由于成本控制和技术限制,主要停留在“浅透雾”技术阶段。


  但是,一部分用户不满足于对比度的提升,所以数字透雾摄像机进入了第二个阶段——“算法透雾”阶段,算法透雾可根据物理上雾霾的形成模型,通过局部区域灰白程度判断雾霾的浓度,从而复原出清晰的无雾霾图像。算法透雾能够保留图像的原有色彩,同时能够在“浅透雾”的基础上大幅提升图像透雾效果。


  第三代透雾技术


  当下,部分厂家精益求精,市场上出现了第三代透雾技术。除了使用低照度性能更好的感光芯片,甚至另辟蹊径在机器内部增加专门的透雾滤光片,而最主要的革新是配合光学透雾技术增加了相应的算法透雾,有人称之为“光学+算法透雾”,也有人称之为“”。双重透雾着力于在光学透雾的基础上集成透雾算法,在原有光学透雾的基础上使透雾效果得到进一步的提升,这种技术依赖于各大厂家透雾算法技术的不同,效果也有好坏。




  图2 光学+算法透雾与光学透雾效果对比


  由此看来,选择一台透雾设备,除了摄像机硬件本身(光学透雾)的能力,还需要比较各个品牌产品之间的“软实力”,也就是透雾算法上的优劣。


二、那么问题又来了,透雾算法怎么比?

  

  说到透雾算法,最典型的应用就是数字透雾技术。数字透雾技术可以在透雾时,保留图像原有的色彩,而数字透雾的核心就是透雾算法。前面提到,透雾算法主技术有两个阶段,第一阶段的“浅透雾”是一种基于非模型的图像增强方法,通过提高比度,满足主观视觉的要求来达到清晰化的目的;第二阶段的“算法透雾”是基于模型的图像复原方法,它考查图像退化的原因,将退化过程进行建模,采用逆向处理,以最终解决图像的复原问题。


  目前通过增强的方式(浅透雾)来进行透雾处理典型的方法包括:直方图均衡化、滤波变换方法和基于模糊逻辑的方法。直方图均衡化方法,其中全局化方法运算量小但对细节的增强不够;局部均衡方法效果较好,但可能引入块状效应、计算量大、噪声被放大及算法效果不易控制的问题。滤波变换的透雾算法,通过局部处理能获得相对较好的处理结果,但它们的计算量巨大、资源消耗多、不适于实时性要求较高的设备。已知的基于模糊逻辑的方法透雾的效果不够理想。


  基于图像增强的方法(算法透雾)能在一定程度上提高图像对比度,并通过增强感兴趣区域来提升可识别度。但该方法未能从图像退化过程的原因入手进行补偿,因此它只能改善视觉感受而不能获得很好的透雾效果。所以,真正的数字透雾是基于图像复原来实现的,也就是我们通常所说的“算法透雾”。


  基于图像复原的方法主要有以下几类:滤波方法、最大熵方法与图像退化函数估计法等。滤波方法如卡尔曼滤波方法,整体而言计算量较大。最大熵法能获得较高的分辨率但是其非线性、计算量大、数值求解困难。图像退化函数估计法大多依据一定的物理模型来设计,需要在不同的时间点采集多幅图像作为参考图像,以便确定物理模型中的多个参数,而最终求解得到无雾状态下的结果图像。




  图3 基于图像增强透雾和基于图像复原透雾效果差异


  透雾算法也是当前安防行业有实力的厂家透雾产品的核心竞争点。以海康威视为例,在充分分析透雾理论的优势与不足,并进行深入的研究探索后,海康威视结合安防监控领域的视频图像透雾的特殊要求,开发了一种实时视频透雾技术。该技术基于大气光学原理,区分图像不同区域景深与雾浓度进行滤波处理,获得准确、自然的透雾图像,称之为“SSD算法透雾”。


三、算法已定,透雾效果如何?

  

  前面提到的透雾发展第三阶段“光学+算法透雾”,在黑白成像的光学透雾的基础上增加各家的透雾算法。这种技术对安防厂家的要求非常高,产品在设计时,需要大量的实验论证,从多种方案中选择出最合适的滤光片、镜头、传感器和特定的透雾算法组合,在保证了透雾效果的同时,需要避免出现图像噪声过大、清晰度下降的情况,从而得到震撼的透雾效果。




  图 光学+算法透雾原理示意图


  海康威视自主研发第三代“光学+算法透雾”技术——超级透雾,业界首创集成光学透雾、SSD透雾算法、自适应感应算法三位一体技术。自适应透雾算法可根据图像灰白程度判断雾霾浓度,在不同的透雾模式下可自动调节透雾等级:当浅雾时开启SSD算法透雾模式,根据雾的浓度,自动调节透雾程度,提升透雾效果,图像彩色;当浓雾时开启超级透雾模式,根据雾的浓度,自动调节透雾程度,增强透雾效果,图像黑白。


  超级透雾可用于多种户外需要预防浓雾的场合,如高速公路、铁路、航运、机场跑道等重要或事故易发段;发电厂与电力传输设备、通讯基站等重点监控区域;河道、港口、边境、海事监控、森林防火等观察距离较长的监控应用;中小学校园、城市广场、旅游景区等。从应用的行业来看,包括交通、、航空、通讯、环保、水利、农林牧渔,以及边防等。




四、总结

  

  透雾技术经过多年发展,经历了多个阶段,形成了以彩色透雾和黑白透雾两种不同的需求方向。彩色透雾,以当下各大安防厂家竞争的“透雾算法”为核心关键;黑白透雾,则是以“光学透雾”为基础和典型代表,可增加透雾算法来达到更好的透雾效果。为追求更好的透雾效果,最典型的做法是“光学+算法透雾”,在浓雾下依旧清晰成像。透雾技术的发展也一直伴随着透雾算法的进步,可以说,安防厂家谁掌握了透雾的核心算法,谁就掌握了“雾霾天”下的核心竞争力。


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