关于电子透雾和光学透雾解析

电子透雾技术

 

  当安防需求从被动检测发展为主动防御，智能分析依赖的各种图像处理算法变得举足轻重起来，其中透雾处理集合了多种图像算法，是较为重要的一类图像处理技术。目前已知的透雾算法大致可以分为两大类：一种是非模型的图像增强方法，通过增强图像的对比度，满足主观视觉的要求来达到清晰化的目的;另一种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。

 

  为了得到更好的处理效果，摄像机厂家会增设专门的图像处理芯片，可自动侦测图像的密度，最大限度地保持图像信号的细节，实现彩色增强、反差增 强、边缘增强、对比度增强和亮度增强，并进行密度分割、去模糊等运算，使不同场景下的摄像画质得到明显提高，达到透雾的目的。而根据厂家的能力与研发选择，会分别选择在DSP或FPGA等不同芯片上进行相应处理。

 

  芯片会实时读取视频流信息，通过对比参数判定是否需要开启透雾模式，也就是可以达到自动侦测雾气，甚至可以通过设定的预置模式判定出雾气浓淡，选择进入相应的透雾模式。

光学透雾技术

 

  自然光由波长不同的光波组合而成，人眼可见范围大致为390 nm -780nm，波长从长到短分别对应了红橙蓝绿青橙紫七种颜色，其中波长小于390nm的叫做紫外线，波长大于780nm的叫做红外线。不同波段的光因为波长的不同具有不同的特性，雾气、烟尘影响可见光成像的原因，而红外线因为拥有较长的波长，在传播时受气溶胶的影响较小，可穿透一定浓度的雾霭烟尘，实现准确聚焦，这就是光学透雾的依据。

 

  (一)镜头

 

  从原理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。可以说镜头的好坏决定了光学透雾的效果，镜头设计的难度首先在于光学设计，其中包括对光路的把握以及滤波片的选择等，其次选材与工艺技术也决定了成品的效果。而透雾镜头最大的不同在于能承载红外波段的宽度，即成焦面的宽容度。从原理上，自然是可利用的近红外波段越宽越好，但是受限于镜头光路设计的难度与CCD的感光能力，目前安防业内的镜头已知能利用的最长红外波段为1100nm。

 

  (二)滤波片

 

  了解日夜转换摄像机的人对滤波片都不会陌生，一般此类型摄像机装有两块滤波片，一块负责在白天过滤掉可见光之外的光波，令成像更为清晰亮丽;一块应用在夜晚，负责放行CCD可以承载的红外波段，实现夜间的红外监控。

 

  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，且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。

 

两种技术的发展分析

 

  (一)光学透雾技术的瓶颈与发展

 

  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，也已在海事、海洋有了不错的运用;另一方面，受镜头高昂成本的限制，虽然近年来平安城市等大型项目甚至民用市场也出现了一定透雾需求，但是其实际数量仍有限。

 

  与此同时，因为技术方面已经较为成熟，所以依靠镜头或说光学完成更好的透雾，就需要另辟蹊径。短期内镜头对波长的宽容度很难向1100nm以外延伸，但是如果不用兼顾可见光，在近红外波段内还可做到一定延伸;所以可以考虑在一套设备中加载两套镜头，正常情况下使用可见光镜头，雾天则使用专门的透雾镜头，这样既可保留可见光的彩色画面，还可把透雾镜头的宽容度做的更好，并实现多画面的对比监控。

 

  (二)一体机芯的出现助力电子透雾

 

  随着产品走向多样化，市场也不断成熟，一体化透雾机芯的出现对于透雾产品的普及可以说是意义重大。近年来发布的一体机芯多采用纯电子透雾，通过内嵌的FPGA芯片进行运算处理。它可以输出彩色图像，此算法可区分远景近景雾气浓淡等因素，对每个像素点进行提升，实现区域效果最佳，不同于过去对画面对比度整体的提高，且没有延时。而且芯片高速运算必将产生噪声点，夜间光照不足时影响更为突出。而一体透雾机芯普遍采用CCD传感器和大光圈镜头，以达到良好的低照效果，另一方面也较易达到高清透雾。

 

  过去透雾需求基本都在枪机，但是枪机的监控距离一般较短，而在较短的距离内若非浓雾，画面不会有太大影响。而一体机的监控范围更大，加上变焦可选，故而雾霭对它的影响更大。一体透雾机芯的出现，是为了在更大监控距离内实现透雾，且随着成品化，一体透雾机芯将降低透雾设备的投入，实现更大的应用。

 

未来趋势

 

  在实际应用中，电子透雾作为一种ISP图像还原技术，其致命缺陷在于雾霾严重时无法还原丢失的信息，这是其成像原理决定的，即使图像还原算法再先进，也无法改善。一旦环境中雾霾浓度变化，电子透雾的效果将不可控，也就是说电子透雾的环境适应能力弱，而且研发更先进图像还原算法的性价比并不高，因此笔者认为基于监控需求的电子透雾技术将逐渐收敛。

 

  而光学透雾一直以来在森林防火、海事、边防中有应用，具有较长的实际应用历史，其效果得到用户的认可，只是受限于高昂的成本而无法在其他通用行业中大规模推广，随着新技术的产生，成本问题得到解决，相信其在各行业中的应用前景将会越来越大。

 

  而提升光学透雾效果除了摄像机自身图像处理能力的进一步提升，镜头、视窗等配套成像系统也应该对红外光具有更高的透过率，因此配套系统的完善乃至sensor的进一步升级是光学透雾未来努力的方向。