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技術(shù)文章

霧霾天氣視頻監(jiān)控影響與透霧技術(shù)分析

閱讀：2458發(fā)布時(shí)間：2014-4-8

　　透霧攝像機(jī)多用于遠(yuǎn)距離觀察，如油田、海防、森林防火等行業(yè)。它可以自動(dòng)識(shí)別圖像中霧的濃度，對(duì)霧天、雨天、靄、煙氣煤塵、粉塵、逆光、渾濁的水、強(qiáng)烈降雨等等惡劣天氣，而引起的圖像變得不好，圖像泛白，圖像灰色，圖像反差不好等等監(jiān)控環(huán)境，自動(dòng)進(jìn)行除霧圖像調(diào)整以及圖像進(jìn)行自動(dòng)矯正，與此同時(shí)，特種光學(xué)處理與自動(dòng)霧的判斷自動(dòng)聯(lián)動(dòng)，從而得到清澈的圖像。
　　
　　視頻監(jiān)控設(shè)備霧霾天氣影響分析
　　
　　一、反射光受到大氣粒子的散射產(chǎn)生衰減，造成物體的對(duì)比度退化；
　　
　　二、部分粒徑較大的大氣粒子遮擋像素點(diǎn)成像，導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)丟失；
　　
　　三、無關(guān)的自然光經(jīng)過折射參與成像，造成圖像飽和度、對(duì)比度降低及色調(diào)偏移。
　　
　　戶外景物圖像的對(duì)比度和顏色都會(huì)被改變或退化，使得圖像中蘊(yùn)含的許多特征被覆蓋或變得模糊，導(dǎo)致視頻監(jiān)控產(chǎn)品不能采集到清晰的現(xiàn)場圖像，對(duì)平安城市的建設(shè)以及各類場所安全防范的實(shí)施和管理產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。
　　
　　因此安防市場對(duì)能夠具有實(shí)時(shí)去霧功能的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)提出了需求。
　　
　　攝像機(jī)的去霧技術(shù)可以分為物理去霧和數(shù)字去霧兩種。物理去霧即光學(xué)透霧主要由攝像機(jī)鏡頭實(shí)現(xiàn)，高清透霧鏡頭一般業(yè)內(nèi)在大電動(dòng)變倍鏡頭上才實(shí)現(xiàn)，價(jià)格昂貴，一般應(yīng)用于港口、森林高點(diǎn)等場景。
　　
　　數(shù)字去霧則是在攝像機(jī)或者后端軟件上可實(shí)現(xiàn)，是一種基于人類視覺感知模型設(shè)計(jì)的后端圖像復(fù)原技術(shù)，具有低成本、易部署等特點(diǎn)，適合廣泛地推廣應(yīng)用于城市監(jiān)控中。
　　
　　鏡頭透霧技術(shù)分析
　　
　　近年來，采用視頻監(jiān)控設(shè)備保衛(wèi)安全已經(jīng)成為了各行各業(yè)的必要手段。但是傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控設(shè)備無一例外的都有一個(gè)弊端，就是在夜間和霧天的監(jiān)控效果十分不理想，而夜間和霧天又是案件多發(fā)時(shí)間。另外，對(duì)于距離稍遠(yuǎn)的監(jiān)控，幾乎更是一片空白。
　　
　　透霧原理是這樣的，在不可見光的范圍內(nèi)，有一頻率的光可以穿透霧氣，但是由于起波長不同，所以需要在攝像機(jī)上進(jìn)行處理，以達(dá)到對(duì)其聚焦的目的，同時(shí)還需要在攝像機(jī)上進(jìn)行從新設(shè)計(jì)，用來將這一頻率的不可見光進(jìn)行成像，由于這個(gè)不可見光沒有對(duì)應(yīng)的可見光色彩圖，所以在監(jiān)視器上呈現(xiàn)的圖像為黑白顏色。透過云霧、水氣拍攝物體，相當(dāng)于透過了兩重透鏡(水珠與實(shí)際透鏡)，除了R光線可以正確聚焦在CCD成像面上，RGB光線中的GB均無法正常的投射在CCD成像面上，這樣就造成了普通模式鏡頭無法正常、清晰的得到云霧、水氣中的圖像。
　　
　　過去CCTV鏡頭還處于300mm以下階段時(shí)，觀測距離一般限定在1公里以內(nèi)，這種應(yīng)用對(duì)天氣能見度的要求比較低，但是焦距已經(jīng)發(fā)展到750mm的今天，霧天對(duì)監(jiān)控圖像的影響就不得不引起我們的重視了。這種情況尤其是在高速公路、森林防火、油田監(jiān)控和離海面較近的港口碼頭等遠(yuǎn)距離監(jiān)控中尤為重要。這種環(huán)境往往更容易產(chǎn)生霧氣，使24小時(shí)不間斷監(jiān)控面臨新的挑戰(zhàn)。
　　
　　針對(duì)這種情況，少數(shù)有設(shè)計(jì)、研發(fā)能力的廠商經(jīng)過努力開發(fā)出了具有透霧功能的鏡頭，并成功實(shí)現(xiàn)了成品上市。這種技術(shù)的出現(xiàn)，大大拓寬了視頻監(jiān)控的應(yīng)用范圍，并且是人類依靠聰明智慧戰(zhàn)勝自然環(huán)境的又一經(jīng)典案例。市場上少數(shù)廠商在不具備生產(chǎn)透霧鏡頭產(chǎn)品能力的情況下，使用普通的產(chǎn)品充當(dāng)透霧鏡頭來銷售，宣稱具有透霧功能，是極不負(fù)責(zé)任的行為。當(dāng)然，在實(shí)際測試中無法蒙混過關(guān)，zui終擺脫不了被淘汰的命運(yùn)，但給對(duì)此功能有需求的用戶在產(chǎn)品選擇上制造了許多障礙和浪費(fèi)許多時(shí)間。
　　
　　視頻透霧增透技術(shù)分析
　　
　　視頻增透技術(shù)，一般指將因霧和水氣灰塵等導(dǎo)致朦朧不清的圖像變得清晰，強(qiáng)調(diào)圖像當(dāng)中某些感興趣的特征，抑制不感興趣的特征，使得圖像的質(zhì)量改善，信息量更加豐富。增強(qiáng)后的圖像為圖像的下一步應(yīng)用提供良好的條件。一般來說增透技術(shù)有兩種：空域的和頻域的方法。但這些方法的對(duì)不同圖像的適應(yīng)性還存在一些缺陷。在上個(gè)世紀(jì)70年代，美國物理學(xué)家Land等提出了Retinex圖像增強(qiáng)方法，它是基于人類視覺感知的圖像處理模型。它能壓縮圖像動(dòng)態(tài)范圍，顯示圖像中被湮沒的細(xì)節(jié)。但算法復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)難度大，尤其是對(duì)實(shí)時(shí)視頻的實(shí)時(shí)增強(qiáng)，因?yàn)橛?jì)算量大，導(dǎo)致很難實(shí)際應(yīng)用。隨著硬件性能的提高，我們終于能把這個(gè)具有普遍適應(yīng)性的圖像增強(qiáng)算法變成實(shí)際的工程化產(chǎn)品。這是業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)的Retinex算法的硬件產(chǎn)品。
　　
　　Retinex算法是基于人類視覺系統(tǒng)感知和調(diào)節(jié)物體顏色和亮度的模型，這個(gè)模型解釋了一般顏色理論無法解釋的人眼對(duì)顏色的波長與亮度不是特別對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象。Land通過大量的實(shí)驗(yàn)證明我提的表面顏色不會(huì)因?yàn)楣庹諚l件的變化而改變即顏色恒常性。簡單來說顏色恒常就是說無論是在正午的陽光下、白熾燈下，還是在陰暗的光照條件下，人類感覺到的同樣物體顏色是一致的。正因如此，在進(jìn)行圖像操作時(shí)應(yīng)當(dāng)去除光照強(qiáng)度，照射不均等一些不確定和非本質(zhì)的影響，只保留物體本質(zhì)的反射性質(zhì)如反射率等信息?；谶@種方法處理的圖像可以使圖像在邊緣銳化、動(dòng)態(tài)范圍壓縮和顏色的恒定方面都有很好的效果，Retinex理論的基本思想就是將原始圖像看成是由照射圖像和物體反射屬性組成，照射光圖像直接決定一幅圖像中像素能夠達(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍，物體反射屬性決定了圖像的內(nèi)在性質(zhì)，因此，在原始圖像中去除或降低照射圖像的影響從而保留本質(zhì)的反射屬性是Retinex理論的基本思想。與其它圖像增強(qiáng)方法相比，Retinex算法具有銳化、顏色恒常性、動(dòng)態(tài)范圍壓縮大、色彩逼真度高等特點(diǎn)。
　　
　　現(xiàn)在多部分的視頻增強(qiáng)器只是采用基于全局的Retinex圖像增強(qiáng)算法通過在對(duì)數(shù)域內(nèi)計(jì)算相鄰像素點(diǎn)灰度值之間的比值從而得到相鄰像素點(diǎn)之間的相對(duì)明暗關(guān)系，繼而通過該明暗關(guān)系對(duì)原像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行校正，zui后再對(duì)校正后的像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行線性拉伸，得到增強(qiáng)的圖像。所以得到的增強(qiáng)圖像對(duì)比度不高。
　　
　　電子透霧監(jiān)控?cái)z像機(jī)圖像處理方式
　　
　　當(dāng)安防需求從被動(dòng)檢測發(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zui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)偵測圖像的密度，zui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。

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