最近PM2.5這一氣象領(lǐng)域?qū)I(yè)詞匯成為社會(huì)關(guān)注的流行話題。空氣中的液滴和固體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(shí)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(duì)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(shí)用性受到很大影響。
霧氣對(duì)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(duì)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、霾、霧、云、雨等各種天氣。
在晴朗的天氣條件下，從物體表面反射的光線基本不會(huì)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(huì)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(gè)方面：
(1)氣溶膠粒子對(duì)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(duì)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(duì)成像光線的散射部分會(huì)因?yàn)槎啻紊⑸涞淖饔茫驮械那跋蛏⑸洳糠织B加在一起成像，產(chǎn)生一定的模糊。
光學(xué)透霧技術(shù)剖解
自然光由波長(zhǎng)不同的光波組合而成，人眼可見范圍大致為390nm-780nm，波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短分別對(duì)應(yīng)了紅橙藍(lán)綠青橙紫七種顏色，其中波長(zhǎng)小于390nm的叫做紫外線，波長(zhǎng)大于780nm的叫做紅外線。不同波段的光因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)的不同具有不同的特性，霧氣、煙塵影響可見光成像的原因，而紅外線因?yàn)閾碛休^長(zhǎng)的波長(zhǎng)，在傳播時(shí)受氣溶膠的影響較小，可穿透一定濃度的霧靄煙塵，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確聚焦，這就是光學(xué)透霧的依據(jù)。
1、鏡頭
從原理可知光學(xué)透霧的重點(diǎn)在于對(duì)特定近紅外波段光線的截取與準(zhǔn)確聚焦，而這部分工作大都由鏡頭完成。可以說鏡頭的好壞決定了光學(xué)透霧的效果，鏡頭設(shè)計(jì)的難度首先在于光學(xué)設(shè)計(jì)，其中包括對(duì)光路的把握以及濾波片的選擇等，其次選材與工藝技術(shù)也決定了成品的效果。而透霧鏡頭最大的不同在于能承載紅外波段的寬度，即成焦面的寬容度。從原理上，自然是可利用的近紅外波段越寬越好，但是受限于鏡頭光路設(shè)計(jì)的難度與CCD的感光能力，目前安防業(yè)內(nèi)的鏡頭已知能利用的最長(zhǎng)紅外波段為1100nm。
2、濾波片
了解日夜轉(zhuǎn)換攝像機(jī)的人對(duì)濾波片都不會(huì)陌生，一般此類型攝像機(jī)裝有兩塊濾波片，一塊負(fù)責(zé)在白天過濾掉可見光之外的光波，令成像更為清晰亮麗；一塊應(yīng)用在夜晚，負(fù)責(zé)放行CCD可以承載的紅外波段，實(shí)現(xiàn)夜間的紅外監(jiān)控。
專業(yè)透霧鏡頭內(nèi)置有針對(duì)性很強(qiáng)的濾波片，作用是精確截取所需波段的光線，且為了適應(yīng)特定環(huán)境狀況，常常會(huì)加載多片針對(duì)不同波段的濾波片，并通過485接口與攝像機(jī)聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)切換。正常來說，配合透霧鏡頭的攝像機(jī)在基礎(chǔ)成像性能上只要具備日夜轉(zhuǎn)換功能即可，但是考慮到透霧鏡頭高昂的造價(jià)，部分?jǐn)z像機(jī)廠家也開始尋求更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的光學(xué)透霧模式，不同于過去兩濾波片的日夜轉(zhuǎn)換攝像機(jī)，我們創(chuàng)新的在攝像機(jī)里邊加入了四塊濾波片，除了實(shí)現(xiàn)日夜轉(zhuǎn)換，還通過增設(shè)一塊可選擇性過濾400nm-600nm波段光線的濾波片，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)光抑制；當(dāng)然為了更精確截取適合成像的近紅外波段，也特別增加了透霧濾波片，以實(shí)現(xiàn)較為經(jīng)濟(jì)的光學(xué)透霧。此機(jī)械裝置可由攝像機(jī)自動(dòng)控制，也可人工切換。而集光學(xué)透霧和電透霧兩種透霧功能為一身的四濾色片光電聯(lián)合智能透霧攝像機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)兩倍于能見度以上的透霧。
3、瓶頸與發(fā)展
因?yàn)橹苯永每纱┩胳F靄的近紅外波段光線進(jìn)行成像，光學(xué)透霧雖然只能得到黑白監(jiān)控畫面，但是其成像效果突出，也已在海事、海洋有了不錯(cuò)的運(yùn)用；另一方面，受鏡頭高昂成本的限制，雖然近年來平安城市等大型項(xiàng)目甚至民用市場(chǎng)也出現(xiàn)了一定透霧需求，但是其實(shí)際數(shù)量仍有限。
與此同時(shí)，因?yàn)榧夹g(shù)方面已經(jīng)較為成熟，所以依靠鏡頭或說光學(xué)完成更好的透霧，就需要另辟蹊徑。短期內(nèi)鏡頭對(duì)波長(zhǎng)的寬容度很難向1100nm以外延伸，但是如果不用兼顧可見光，在近紅外波段內(nèi)還可做到一定延伸；所以可以考慮在一套設(shè)備中加載兩套鏡頭，正常情況下使用可見光鏡頭，霧天則使用專門的透霧鏡頭，這樣既可保留可見光的彩色畫面，還可把透霧鏡頭的寬容度做的更好，并實(shí)現(xiàn)多畫面的對(duì)比監(jiān)控。
電子透霧技術(shù)剖解
當(dāng)安防需求從被動(dòng)檢測(cè)發(fā)展為主動(dòng)防御，智能分析依賴的各種圖像處理算法變得舉足輕重起來，其中透霧處理集合了多種圖像算法，是較為重要的一類圖像處理技術(shù)。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(duì)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。
為了得到更好的處理效果，攝像機(jī)廠家會(huì)增設(shè)專門的圖像處理芯片，可自動(dòng)偵測(cè)圖像的密度，最大限度地保持圖像信號(hào)的細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)彩色增強(qiáng)、反差增強(qiáng)、邊緣增強(qiáng)、對(duì)比度增強(qiáng)和亮度增強(qiáng)，并進(jìn)行密度分割、去模糊等運(yùn)算，使不同場(chǎng)景下的攝像畫質(zhì)得到明顯提高，達(dá)到透霧的目的。而根據(jù)廠家的能力與研發(fā)選擇，會(huì)分別選擇在DSP或FPGA等不同芯片上進(jìn)行相應(yīng)處理。
芯片會(huì)實(shí)時(shí)讀取視頻流信息，通過對(duì)比參數(shù)判定是否需要開啟透霧模式，也就是可以達(dá)到自動(dòng)偵測(cè)霧氣，甚至可以通過設(shè)定的預(yù)置模式判定出霧氣濃淡，選擇進(jìn)入相應(yīng)的透霧模式。
一體機(jī)芯
細(xì)分市場(chǎng)成熟的標(biāo)志之一是產(chǎn)品走向多樣化，隨著細(xì)分市場(chǎng)的增長(zhǎng)，一體透霧機(jī)芯的出現(xiàn)對(duì)于透霧產(chǎn)品的普及可謂意義重大。今年發(fā)布的一體機(jī)芯采用純電子透霧，通過內(nèi)嵌的FPGA芯片進(jìn)行運(yùn)算處理。其可輸出彩色圖像，且不同于過去對(duì)畫面對(duì)比度整體提升，此算法可區(qū)分遠(yuǎn)景近景霧氣濃淡等因素，并據(jù)此分別對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行提升，實(shí)現(xiàn)區(qū)域效果最佳化，且沒有延時(shí)。
芯片的高速運(yùn)算必將產(chǎn)生噪聲點(diǎn)，夜間光照不足時(shí)影響尤為突出。所以一體透霧機(jī)芯普遍采用CCD傳感器和大光圈鏡頭，以達(dá)到良好的低照效果，另一方面也較易達(dá)到高清級(jí)別透霧。過去透霧需求基本都在槍機(jī)，但是槍機(jī)的監(jiān)控距離一般較短，而在較短的距離內(nèi)若非濃霧，畫面不會(huì)有太大影響。而一體機(jī)的監(jiān)控范圍更大，加上變焦可選，故而霧靄對(duì)它的影響更大。推出這款一體透霧機(jī)芯，是為了在更大監(jiān)控距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)透霧，且隨著成品化，一體透霧機(jī)芯將降低透霧設(shè)備的投入，實(shí)現(xiàn)更大的應(yīng)用。
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