文/苏雪冰

　　当雾霾发生时，大气中悬浮的细颗粒物对光线产生的阻挡、吸收和散射等作用会导致大气能见度下降，视频监控设备将很难采集到清晰的现场图像;如遇雾霾天气严重时，监控画面更是朦胧不清，基本无法从中获取有效信息。然而治理雾霾不是一件能一蹴而就的事情，这就对具有能够实时透雾的监控设备提出了新的需求。安防厂家也针对此现状积极改进其透雾技术，并推出各种样式的透雾产品;其中，以透雾摄像机产品最为典型。

　　透雾技术的原理及应用

　　透雾技术，顾名思义即是穿透雾、霾的一种技术。在能见度低下的雾霾天气中，通过透雾技术，摄像机便可穿透雾霾的干扰，一扫朦胧，还原清晰的监控画面，保持良好的监控效果。在目前行业发展中，用于解决雾气、雾霾环境下的安防监控的透雾技术，应用最多的主要是以下两种方式：一是电子透雾，主要是通过算法对采集的图像进行二次处理，实现图像的优化和加强，从而使画面达到更通透的效果;二是光学透雾，主要是通过光学元器件实现穿透雾霾，利用红外光成像的原理来提升画面清晰度。

　　电子透雾

　　电子透雾采用可见光成像，主要是在采集的图像上进行图像增强和图像还原，从而达到画面更通透的效果，是一种基于人类视觉感知模型设计的后端图像复原技术。杭州海康威视数字技术股份有限公司(以下简称“海康威视”)产品售前经理姚静认为：电子透雾经历了两个发展阶段，早期的发展阶段——“浅透雾”阶段，实现图像增强透雾方法。这类方法是不考虑图像降质的原因，主要通过调整传感器采集信息的分布，增强观测目标的色彩对比与细节增强，减少信息在后续处理(例如ISP和编码压缩)中的损失，改善图像的效果，令用户观测效果得到提升。但是这种透雾效果不明显，也称假性透雾。随着目前雾霾天气的日益严重及扩大化，“浅透雾”已不能支持监控设备在雾霾天气稍微严重时依然保持清晰成像。那么电子透雾技术进入了第二个阶段——“算法透雾”阶段，实现图像还原透雾方法。算法透雾可根据物理上雾霾的形成模型，通过局部区域灰白程度判断雾霾的浓度，考查出图像退化的原因，采用逆向处理方法，将退化过程进行建模，从而复原出清晰的无雾霾图像。总的来说，算法透雾优于增强透雾，可以在保留图像的原有色彩下大幅提升图像的透雾效果。

　　从以上电子透雾原理的解释可以得知其优势在于：1、不会增加额外的硬件成本;2、能够保留原有的色彩细节;3、透雾算法除了可以应用在前端摄像机上，还可以应用在后端的DVR、NVR、甚至显示器上等硬件设备上。但是其劣势也表现明显：1、由于电子透雾是通过可见光成像，而可见光穿透能力弱，易受大气的水汽、灰尘等阻隔、散射，因此在浓雾场景中，由可见光在大气传播过程中损失掉的信息，是无法“从无到有”进行恢复的;2、作为一种ISP图像还原技术，在依靠透雾算法逆向推演过程中，当景物信息相对偏弱的时候，对图像还原往往会引入噪声，当降噪功能开启后，在抹平的同时亦会导致画面失真、细节丢失;3、基于不同的算法，其透雾效果各异。就目前透雾算法的整体水平而言，只能应用在一般的雾气环境中，一旦雾霾浓度提升时，其效果将会大打折扣。

　　光学透雾

　　在认识光学透雾之前，让我们先来了解一下基本的光学知识。大气中的自然光是由波长不同的光波组合而成，人眼可见范围大致为390nm-780nm，波长从长到短分别对应了红橙黄绿青蓝紫七种颜色，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，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，这就是光学透雾的主要依据。

　　光学透雾采用红外光成像，因此成像的重点在于对特定近红外波段光线的截取与准确聚焦。实现这一原理的核心元器件是透雾滤光片，而透雾滤光片装在镜头还是装在摄像机上，也会带来透雾效果的差异。

　　透雾镜头

　　可以说镜头的好坏决定了光学透雾的效果，而镜头设计的难度在于光学设计及材质选择与工艺技术上，其中包括对光路的把握以及滤波片的选择等。专业的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，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。另外，透雾镜头的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，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。

　　滤波片

　　目前摄像机厂家考虑到透雾镜头高昂的造价，为了寻求更经济实惠的光学透雾模式，利用光学透雾截取近红外光成像的原理，他们会选择在普通镜头的摄像机上增加透雾滤波片，当摄像机切换到透雾模式的同时自动切换透雾滤光片，通过透雾滤波片精确截取适合成像的近红外波段，从而实现较为经济的光学透雾。

　　从上述光学透雾原理解析，我们可以知道直接利用相较于可见光具有更大穿尘透雾能力的近红外波段光线进行成像，不仅可以采集到清晰的监控画面，而且能保留更多的图像细节，在夜市下、长远距离下及严重雾霾天气下都能获得极好的监控效果，目前已在海事、海洋领域有了不错的运用。但是由于过滤了可见光，图像只能以黑白呈现。另外，受镜头高昂成本的限制，因此在实际项目及民用市场的应用中受到极大的限制。

　　两种技术的难点突破

　　从以上两种透雾技术的原理及应用上，可以看出各自的优劣势。那么这两种透雾技术在未来发展层面上需要突破的难点在哪里呢?让我们看看以下专家给出的看法：

　　浙江宇视科技有限公司(以下简称“宇视”)IPC高级产品经理陈乾：电子透雾的核心—透雾算法，是一种图像增强技术,集成在IPC的芯片上。不同的算法有各自的优缺点，糟糕的算法会使画面失真，简单的算法则透雾效果不足，但是复杂的算法又对硬件性能有要求，相应的成本也会增加。因此，电子透雾的未来发展难点将在于透雾算法的提升以及如何提高承载复杂透雾算法的处理器能力。

　　苏州科达科技股份有限公司(以下简称“科达”)监控产品经理李伟伟：光学透雾的重点在于截取近红外光线成像，而这部分大都由镜头完成。目前的透雾镜头价格昂贵，限制了其在市场上的大规模应用。因此，光学透雾的发展难点将在于如何降低透雾镜头的成本。

　　海康威视姚静：基于雾霾形成的不确定性，还需要做到模式自适应，智能开启透雾功能。目前的摄像机在电子透雾上可以通过对比参数判定是否需要开启透雾模式，达到自动侦测雾气，或者通过预设模式判定出雾气浓淡，选择进入相应的透雾模式。然而就目前情况来看，这种侦测雾浓度的准确度还有待于进一步提升。而光学透雾，由于在功能上需要区分不同的模式，大多时候都需要自己手动开启透雾模式。

　　方案升级：双透雾技术

　　双透雾技术，顾名思义就是光学透雾+电子透雾。光学透雾主要依靠光学元器件，电子透雾主要依靠ICE运算，在光学透雾的基础上集成透雾算法，在原有光学透雾的基础上使透雾效果得到进一步的提升。这种技术对于安防厂家的要求非常高，产品在设计时，就需要对各种波段光线透雾性能做细致研究，通过大量的实验论证，并分析在不同浓度雾霾下测试所采集的大量实验数据，才能从多种方案中选择出最合适的滤光片、镜头、传感器和特定的透雾算法组合。在保证了透雾效果的同时，需要避免出现图像噪声过大，清晰度下降的情况，从而得到进一步提升的透雾效果 。

　　宇视陈乾进一步补充道：“电子透雾和光学透雾互有优劣势，并且互补，完全可以融合在一起。结合这两种监控透雾的应用需求，企业已研发出内置光学透雾+电子透雾的双透雾功能网络摄像机。它可以在近距离或一般雾气环境中，通过开启电子透雾消除雾感，获得清晰、通透的彩色图像;一旦雾霾影响严重时，采用内置的光学透雾组件就会开启光学透雾，即使只配备了普通镜头，依然能实现清晰的光学透雾效果，不会丢失任何细节，并且由于相较传统的光学透雾镜头方案大大降低了成本，可以在平安城市等行业中大规模推广应用。”

　　透雾技术应用前景

　　传统的透雾摄像机多采用光学透雾技术，搭配专业的透雾镜头因具有较长焦段，在远距离监控的场景中能得到较好的透雾效果，已广泛应用于森林防火、海事、边防等，具有较长的实际应用历史。由于专业的透雾镜头价格不菲，因而无法在其它通用行业中得到大规模的应用，但是在以上行业应用中所表现出来的透雾效果还是很突出的，得到用户的广泛认可。随着新技术的产生，如果可以做到降低镜头成本的问题，相信未来的应用前景会越来越大。

　　雾霾天气的日渐严重及扩大化，对具有实时透雾的摄像机的需求也在不断增加，而电子透雾技术的出现，以其低成本、易部署等特点，加上良好的透雾效果，已赢得市场好评，在城市监控中得到广泛应用。上海广拓信息技术有限公司产品管理部经理赵辉提到：“对于轻度的雾与雾霾，目前市场上的透雾摄像机已经做到较好的透雾效果。无论是球机类型还是半球类型的摄像机产品均可以嵌入透雾算法后实现透雾功能，在近距离、轻度雾霾下的监控都能达到一定的透雾效果，只是最终的实现效果会因各厂家的生产技术不同而略有千秋。另外，随着图像芯片技术的发展，在推出透雾功能的算法核心后，开发商和设备厂商只需要基于图像算法的引擎，就可以做出一个相对比较好的透雾效果。”科达李伟伟进一步补充道：“随着处理器性能的不断提升，图像还原的数字透雾技术的优化，‘图像还原的数字透雾’将成为SoC一个内置模块，将来也会成为摄像机的标配功能。”

　　另外，电子透雾采用的是算法处理技术，虽然目前更多的是由前端摄像机进行嵌入，但在显示器/监视器、DVR、NVR等后端设备上存在一定的需求，在后端嵌入电子透雾后，对于提升色彩饱和度与图像质量会有一定帮助，能够得到图像二次优化后的成像效果;其次，也会让透雾应用变得更为广泛，满足了目前透雾产品线不全或原有设备不支持透雾技术的后端升级应用。

　　结语

　　无论采用哪种技术，亦或使用哪种方式，目标就是在雾霾笼罩的天气下，监控摄像机依然能够透视雾霾，一扫朦胧，监控每个角落，呈现清晰的监控画面。尽管当下透雾摄像机已做到克服轻度雾霾天气的干扰，初步满足市场的需求，但是随着科技的不断发展，透雾技术的不断突破，或许在未来会出现更先进的应对雾霾的技术。