淺談透霧技術的發展應用

文/陳乾

透霧監控需求最早出現在海事、邊防等國防領域，而最早的透霧技術也是基于光學鏡頭實現的，也就是所謂的光學透霧。近幾年，隨著圖像處理技術的發展，對圖像進行去霧處理已成為可能，透霧技術的應用也逐漸在民用監控領域普及。

概況

在霧霾天氣條件下，大氣中懸浮著大量的粒子，會對光線產生較強的散射作用。霧霾對視頻監控系統的主要影響有以下幾個方面：

物體表面的反射光由于大氣粒子的散射而產生衰減，造成物體成像的亮度減弱；

反射光經大氣粒子前向散射作用參與其它像素點成像，導致圖像模糊、分辨率下降；部分大氣粒子的粒徑較大，在成像過程中成為噪聲；

與成像無關的自然光經過大氣粒子的散射，進入圖像傳感器參與成像，這種后向散射作用造成圖像飽和度、對比度降低及色調偏移。

霧霾天氣使監控圖像色彩黯淡、對比度降低、細節缺失，大大降低了視頻監控系統的實用性。

透霧技術分為光學透霧與數字透霧兩種，根據原理的不同兩者各具優勢。光學透霧是利用近紅外光波長較長，受霧氣干擾更小的原理來獲得比自然光下更清晰的圖像，需要鏡頭和攝像機同步實現，攝取的畫面是黑白的；而數字透霧是基于圖像復原或圖像增強的后端處理技術。

光學透霧

光學透霧是最早應對超長距離監控下透霧需求的一種技術手段，它利用近紅外光波長較長，在傳播時受大氣粒子干擾較小這一原理來實現的。光學透霧由鏡頭實現，由于采用近紅外波段成像，因此成像畫面是黑白圖像。

相比普通鏡頭，透霧鏡頭需要通過特殊鍍膜來提高對近紅外光波段的透過率。

透霧鏡頭還需要確保近紅外光成像與自然光成像能夠聚焦在同一平面上，否則在模式切換時會出現虛焦現象；另外，光學透霧還需要攝像機的配合，宇視網絡攝像機專為配合光學透霧設置了功能項：

當開啟透霧后，攝像機會自動切換到黑白模式，并通過開關量控制鏡頭同步切換到透霧模式。

光學透霧應用主要集中在大變倍鏡頭上（焦距在100mm以上），價格昂貴，通常應用于邊防、海事、森林防火。

數字透霧

數字透霧是基于人類視覺感知模型設計的后端圖像復原技術，目前對于霧天圖像的處理方法主要分為兩類：圖像增強透霧技術和圖像復原透霧技術。圖像增強技術不考慮圖像降質原因，適用范圍廣，能有效地提高霧天圖像的對比度，突出圖像的細節，改善圖像的視覺效果，但會造成部分圖像細節的損失。圖像復原是研究霧天圖像降質的物理過程，并建立退化模型，反演退化過程，補償退化過程造成的失真，以便獲得未經干擾的無霧圖像或無霧圖像的最優估計值，從而改善圖像質量。這種方法針對性強，得到的去霧效果自然，一般不會有信息損失，處理的關鍵點是模型中參數的估計。

圖像增強透霧技術

目前通過增強的方式來進行透霧處理典型的方法有全局化增強和局部化增強兩種。

全局化增強又包含直方圖均衡化方法、濾波和基于大氣調制傳遞函數方法； 直方圖均衡化方法的實現原理是對有霧圖像的直方圖進行變換，拉伸了灰度值的動態范圍，從而達到增強霧天圖像對比度的效果；濾波算法則是一種把頻率過濾和灰度變換相結合的圖像增強處理技術，利用壓縮亮度范圍和增強對比度來改善圖像質量，能獲得較好的透霧效果，但計算量大、資源消耗多，無法應用于實時性要求較高的監控領域；而基于大氣調制傳遞函數增強透霧圖像的原理是通過對函數的預測，近似估計大氣對圖像質量的退化過程。該方法需要得到先驗信息，因此無法付諸應用。

局部化增強包含局部直方圖均衡化、局部對比度增強和基于局部方差方法。局部直方圖均衡化方法是通過局部運算的疊加自適應地增強圖像局部信息；局部對比度增強則通過常數增益或飽和度反饋算法等實現對飽和度的還原；基于局部方差方法則通過計算并比較局部標準方差的大小來判斷局部圖像的增強程度，然后以灰度均值為基準進行局部灰度拉伸。

全局和局部圖像增強算法因實現策略不同，各有優缺點。全局算法以整幅畫面的均值作為評估對象，運算量小，但算法忽略了霧的濃度會隨景深的增大而不斷加深的事實，容易出現后景處理不足或前景過處理等現象，如果畫面景深較小，則不失為一種有效的處理方法；而局部算法則考慮到畫面不同區域霧的濃度不一，從而采取分塊處理的方式，透霧效果較好，能有效增強畫面局部細節，適用于景深多變的場景，但算法在分塊評估時會引入塊狀效應，且存在計算量大、畫面噪聲容易被放大，以及景深信息難以準確評估等缺陷。

圖像復原透霧技術

基于圖像復原的方法則通過多幅圖像比較（不同天氣條件下的多幅圖像，或多幅偏振圖像）、先驗信息、用戶交互或假設模型等獲得圖像的退化函數，以此還原出清晰圖像。基于這些物理模型的方法可以獲得相對準確的景深信息，并最大限度地恢復清晰圖像，但難以滿足在場景多變、實時性要求高的監控領域應用。

宇視數字透霧技術

近年來，安防廠商陸續提出基于圖像增強的透霧技術，大部分采用全局直方圖均衡化的方法，該算法簡單，具有一定的視覺效果；也有些廠商在此基礎上提出對不同景深進行區域濾波的方法，但是這種方案需要對霧氣濃度和景深進行估計，算法過于復雜，且透霧圖像存在噪聲和塊狀效應，實際效果并不理想。

宇視結合圖像增強和圖像還原技術，充分發揮全局算法和局部算法的優勢，并對局部算法作了裁剪和優化，使圖像還原和噪聲抑制達到平衡，在保證透霧圖像細節得到增強和還原的同時，有效抑制傳統算法引入的畫面噪聲和塊狀效應。

如下圖所示，霧霾天氣下，近景霧化現象較輕，隨著景深的加大霧化現象逐漸加深。傳統透霧算法還原的圖像中，對近景的處理效果較好，但遠處景物的去霧效果明顯不足，且顏色還原度較低。宇視透霧圖像不僅將近景、遠景同步還原，而且能夠還原畫面的色度，提升畫面通透性。

結束語

隨著透霧技術的不斷發展，透霧應用也從原先的國防、海事等專業領域，逐漸向水利、公路以及城市監控民用領域滲透。

在技術方案的選擇上，光學透霧作為唯一無損的透霧技術方案，主要集成在大變倍鏡頭上，整體價格昂貴，目前主要應用于國防、海事、森林防火、水利、高速公路、大型橋梁等專業監控領域；而數字透霧作為一種基于后端還原的圖像處理技術，以其低成本、易部署等特點，已經廣泛應用于城市監控中。