“霧里看花”也精彩

文/姚靜

白霧茫茫，如何透過迷霧看清世界？

2015年3月，柴靜的紀錄片《穹頂之下》一時間成為熱點話題，片中最大的切入點就是“霧霾”。“霧霾”確實是一個幾乎影響著每個人生活的熱點。打開朋友圈，經常會看到五湖四海的朋友在曬PM2.5值，而在視頻監控行業，霧霾也已經成為高清監控的隱形殺手。經常有客戶會問是否有透霧的攝像機。透霧處理的關鍵技術是什么？透霧效果怎么樣？的確如此，試想一下：如果某地發生重要事件，但是事后回放是一片迷霧，監控就無法體現其價值。本文就為大家最關心的這兩個問題展開來看一下。

是否有透霧的攝像機？

毋庸置疑，有透霧攝像機，而且有很多。但是我們經常會迷茫這么多的透霧設備，應該如何選擇？了解透霧的發展，興許我們就能找到答案，且看視頻透霧的前世今生。

第一代透霧技術

透霧監控需求最早出現在海事邊防等國防應用，一開始相關產品都只在透霧鏡頭上做研究，研發了一種光學透霧技術，也就是我們通常所說的第一代透霧技術。光學透霧采用針對紅外波段成像特殊優化的鏡頭，通過濾光片對特定近紅外波段光線進行截取，從而利用霧氣中的紅外光進行成像。因為直接利用可穿透霧靄的近紅外波段光線進行成像，光學透霧雖然只能得到黑白監控畫面，但是其成像效果突出，已在海事、海洋有了不錯的運用；然而，由于鏡頭成本高昂，雖然近年來平安城市等大型項目甚至民用市場也出現了一定透霧需求，但是其實際數量仍有限。

從透霧依據可知，光學透霧的重點在于對特定近紅外波段光線的截取與準確聚焦，而這部分工作大都由鏡頭完成。專業透霧鏡頭內置有針對性很強的濾波片，作用是精確截取所需波段的光線，為了適應特定環境狀況，常常會加載多片針對不同波段的濾波片，并通過485接口與攝像機聯動，實現切換。正常來說，配合透霧鏡頭的攝像機在基礎成像性能上只要具備日夜轉換功能即可，但是考慮到透霧鏡頭高昂的造價，部分攝像機廠家也開始尋求更經濟實惠的光學透霧模式，在兩濾波片的日夜轉換攝像機的基礎上增加透霧濾波片，可截取適合成像的近紅外波段，以實現較為經濟的光學透霧。此機械裝置可由攝像機自動控制，也可人工切換。

圖1 光學透霧處理效果

第二代透霧技術

近幾年隨著民用需求的不斷增長，也為了更高性價比的透霧，相關廠家開始在攝像機視頻圖像增強技術上做研究，也就是現在安防監控市場上非常普遍的數字透霧攝像機。數字透霧技術的第一個階段——“淺透霧”階段，這類方法通過調整傳感器采集信息的分布，增強觀測目標的色彩與細節，減少信息在后續處理（例如ISP和編碼壓縮）中的損失，用戶觀測效果也能獲得提高。但是這種透霧效果不明顯，也稱假性透霧。目前很多安防廠家由于成本控制和技術限制，主要停留在“淺透霧”技術階段。

但是,一部分用戶不滿足于對比度的提升，所以數字透霧攝像機進入了第二個階段——“算法透霧”階段，算法透霧可根據物理上霧霾的形成模型，通過局部區域灰白程度判斷霧霾的濃度，從而復原出清晰的無霧霾圖像。算法透霧能夠保留圖像的原有色彩，同時能夠在“淺透霧”的基礎上大幅提升圖像透霧效果。

第三代透霧技術

在當下，部分廠家精益求精，市場上出現了第三代透霧技術。除了使用低照度性能更好的感光芯片，甚至另辟蹊徑在機器內部增加專門的透霧濾光片，而最主要的革新是配合光學透霧技術增加了相應的算法透霧，有人稱之為“光學+算法透霧”，也有人稱之為“雙重透霧”。光學+算法透霧，著力于在光學透霧的基礎上集成透霧算法，在原有光學透霧的基礎上使透霧效果得到進一步的提升，這種技術依賴于各大廠家透霧算法技術的不同，效果也有好壞。

圖2 光學+算法透霧與光學透霧效果對比

由此看來，在選擇一臺透霧設備的時候，除了攝像機硬件本身（光學透霧）的能力，還需要比較各個品牌產品之間的“軟實力”，也就是透霧算法上的優劣。

透霧算法怎么比？

說到透霧算法，最典型的應用就是數字透霧技術。數字透霧技術可以在透霧的同時，保留圖像原有的色彩，而數字透霧的核心就是透霧算法。前面提到，透霧算法主技術要有兩個階段，可以分為兩類：第一階段的“淺透霧”是一種基于非模型的圖像增強方法，通過提高比度，滿足主觀視覺的要求來達到清晰化的目的；而第二階段的“算法透霧”是基于模型的圖像復原方法，它考查圖像退化的原因，將退化過程進行建模，采用逆向處理，以最終解決圖像的復原問題。

目前通過增強的方式(淺透霧)來進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，其中全局化方法運算量小但對細節的增強不夠；局部均衡方法效果較好，但可能引入塊狀效應、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備。已知的基于模糊邏輯的方法透霧的效果不夠理想。

基于圖像增強的方法(算法透霧)能在一定程度上提高圖像對比度，并通過增強感興趣區域來提升可識別度。但該方法未能從圖像退化過程的原因入手來進行補償，因此它只能改善視覺感受而不能獲得很好的透霧效果。所以，真正的數字透霧是基于圖像復原來實現的，也就是我們通常所說的“算法透霧”。

基于圖像復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估計法等。濾波方法如卡爾曼濾波方法，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、數值求解困難。圖像退化函數估計法大多依據一定的物理模型（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，而最終求解得到無霧狀態下的結果圖像。

圖3 基于圖像增強透霧和基于圖像復原透霧效果差異

透霧算法也是當前安防行業有實力的廠家透霧產品的核心競爭點。以海康威視為例，在充分分析透霧理論的優勢與不足，并進行深入的研究探索后，海康威視結合安防監控領域的視頻圖像透霧的特殊要求，開發了一種實時視頻透霧技術。該技術基于大氣光學原理，區分圖像不同區域景深與霧濃度進行濾波處理，獲得準確、自然的透霧圖像，稱之為“SSD算法透霧”。

算法已定，透霧效果如何？

前面我們有提到透霧發展的第三個階段“光學+算法透霧”，在黑白成像的光學透霧的基礎上增加各家的透霧算法，精益求精。這種技術對于安防廠家的要求非常高，產品在設計時，就需要通過大量的實驗論證，從多種方案中選擇出最合適的濾光片，鏡頭，傳感器和特定的透霧算法組合，在保證了透霧效果的同時，需要避免出現圖像噪聲過大，清晰度下降的情況，從而得到一種震撼的透霧效果。

圖4 光學+算法透霧原理示意圖

海康威視自主研發第三代“光學+算法透霧”技術——超級透霧，業界首創集成光學透霧、SSD透霧算法、自適應感應算法三位一體技術。自適應透霧算法可根據圖像灰白程度智能判斷霧霾濃度，在不同的透霧模式下可自動調節透霧等級：當淺霧時開啟SSD算法透霧模式，根據霧的濃度，自動調節透霧程度，提升透霧效果，圖像彩色；當濃霧時開啟超級透霧模式，根據霧的濃度，自動調節透霧程度，增強透霧效果，圖像黑白。

超級透霧可用于多種戶外需要預防濃霧的場合，如高速公路、鐵路、航運、機場跑道等重要或事故易發區段；發電廠與電力傳輸設備、通訊基站等重點監控區域；河道、港口、邊境、海事監控、森林防火等觀察距離較長的監控應用；中小學校園、城市廣場、旅游景區等。從應用的行業來看，包括交通、公安、航空、通訊、環保、水利、農林牧漁，以及邊防等。

結束語

透霧技術經過多年的發展，經歷了多個階段，形成了以彩色透霧和黑白透霧兩種不同的需求方向。彩色透霧，以當下各大安防廠家競爭的“透霧算法”為核心關鍵；黑白透霧，則是以“光學透霧”為基礎和典型代表，可增加透霧算法來達到更好的透霧效果。為追求更好的透霧效果，最典型的做法是“光學+算法透霧”，在濃霧下依舊清晰成像。透霧技術的發展也一直伴隨著透霧算法的進步，可以說，安防廠家誰掌握了透霧的核心算法，誰就掌握了“霧霾天”下的核心競爭力。

三問三答，選好透霧，助你解決“霧里看花”，看清世界的本質。