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详解透雾监控

近几年随着民用需求的增长,也为了实现更好的透雾效果,相关厂家开始在摄像机视频图像增强技术上做文章,除了使用低照度性能更好的感光芯片,甚至另辟蹊径在机器内部增加专门的透雾滤光片,而最主要的革新是配合光学透雾镜头增加了相应的透雾算法...
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  透雾监控需求最早出现在海事边防等国防应用,一开始相关产品都只在透雾镜头上下功夫,也就是所谓的光学透雾。近几年随着民用需求的增长,也为了实现更好的透雾效果,相关厂家开始在摄像机视频图像增强技术上做文章,除了使用低照度性能更好的感光芯片,甚至另辟蹊径在机器内部增加专门的透雾滤光片,而最主要的革新是配合光学透雾镜头增加了相应的透雾算法,即常说的电子透雾。

  光学透雾与电子透雾都是实现透雾的手段,根据原理的不同两者各具优势,且都在发展中实现了较稳定的效用。目前专业的透雾摄像机基本会搭配两者共同使用,并且随着市场需求的增长,已出现专门的透雾一体机芯,在感光芯片的选用上也有突破。

  光学透雾

  自然光由波长不同的光波组合而成,人眼可见范围大致为390 nm -780nm,波长从长到短分别对应了红橙蓝绿青橙紫七种颜色,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,上文已简述雾气、烟尘影响可见光成像的原因,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,这就是光学透雾的依据。

  1、镜头

  从原理可知光学透雾的重点在于对特定近红外波段光线的截取与准确聚焦,而这部分工作大都由镜头完成,拥有透雾摄像机镜头专利的富士能监控镜头中国总代理深圳中天银河科技有限公司总经理何介绍了透雾镜头诞生的始末:“2005年青藏铁路项目中开始有相应透雾需求出现,而当时市场上优质的富士能镜头通过内置处理器可选择不同波长,所以开始考虑利用截取不同特定波段光线的方法实现透雾,最终在一系列试验后研制出透雾镜头及透雾摄像机成品,并于06年投入生产,在随后的07得到专利批文,同时市场上也开始出现透雾镜头这个概念。”

  可以说镜头的好坏决定了光学透雾的效果,日本图丽株式会社市场推广刘郭艳总结说到:“镜头设计的难度首先在于光学设计,其中包括对光路的把握以及滤波片的选择等,其次选材与工艺技术也决定了成品的效果。而透雾镜头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,自然是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,目前业内的镜头已知能利用的最长红外波段为1100nm。”

  2、滤波片

  了解日夜转换摄像机的人对滤波片都不会陌生,一般此类型摄像机装有两块滤波片,一块负责在白天过滤掉可见光之外的光波,令成像更为清晰亮丽;一块应用在夜晚,负责放行CCD可以承载的红外波段,实现夜间的红外监控。

  专业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,且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。正常来说,配合透雾镜头的摄像机在基础成像性能上只要具备日夜转换功能即可,但是考虑到透雾镜头高昂的造价,部分摄像机厂家也开始寻求更经济实惠的光学透雾模式,特视瞰光电科技(深圳)有限公司就率先使用了四滤色波长切换装置,其首席技术官蒋文来介绍道:“不同于过去两滤波片的日夜转换摄像机,我们创新的在摄像机里边加入了四块滤波片,除了实现日夜转换,还通过增设一块可选择性过滤400nm-600nm波段光线的滤波片,实现了强光抑制;当然为了更精确截取适合成像的近红外波段,也特别增加了透雾滤波片,以实现较为经济的光学透雾。此机械装置可由摄像机自动控制,也可人工切换。而集光学透雾和电透雾两种透雾功能为一身的四滤色片光电联合智能透雾摄像机,能够实现两倍于能见度以上的透雾。”[nextpage]

  3、瓶颈与发展

  因为直接利用可穿透雾霭的近红外波段光线进行成像,光学透雾虽然只能得到黑白监控画面,但是其成像效果突出,也已在海事、海洋有了不错的运用;另一方面,受镜头高昂成本的限制,虽然近年来平安城市等大型项目甚至民用市场也出现了一定透雾需求,但是其实际数量仍有限。

  与此同时,因为技术方面已经较为成熟,所以依靠镜头或说光学完成更好的透雾,就需要另辟蹊径。据此图丽刘郭艳也表达了自己的看法:“短期内镜头对波长的宽容度很难向1100nm以外延伸,但是如果不用兼顾可见光,在近红外波段内还可做到一定延伸;所以可以考虑在一套设备中加载两套镜头,正常情况下使用可见光镜头,雾天则使用专门的透雾镜头,这样既可保留可见光的彩色画面,还可把透雾镜头的宽容度做的更好,并实现多画面的对比监控。”

  电子透雾

  当安防需求从被动检测发展为主动防御,智能分析依赖的各种图像处理算法变得举足轻重起来,其中透雾处理集合了多种图像算法,是较为重要的一类图像处理技术。据此深圳市欣动态影像科技有限公司李慧德介绍说:“目前已知的透雾算法大致可以分为两大类:一种是非模型的图像增强方法,通过增强图像的对比度,满足主观视觉的要求来达到清晰化的目的;另一种是基于模型的图像复原方法,它考查图像退化的原因,将退化过程进行建模,采用逆向处理,以最终解决图像的复原问题。”

  为了得到更好的处理效果,摄像机厂家会增设专门的图像处理芯片,可自动侦测图像的密度, 最大限度地保持图像信号的细节,实现彩色增强、反差增强、边缘增强、对比度增强和亮度增强,并进行密度分割、去模糊等运算,使不同场景下的摄像画质得到明显提高,达到透雾的目的。而根据厂家的能力与研发选择,会分别选择在DSP或FPGA等不同芯片上进行相应处理。

  芯片会实时读取视频流信息,通过对比参数判定是否需要开启透雾模式,也就是可以达到自动侦测雾气,甚至可以通过设定的预置模式判定出雾气浓淡,选择进入相应的透雾模式。

  一体机芯

  细分市场成熟的标志之一是产品走向多样化,随着细分市场的增长,一体透雾机芯的出现对于透雾产品的普及可谓意义重大。日立数字安防系统(上海)有限公司技术部部长倪榕斌介绍说:“今年发布的一体机芯采用纯电子透雾,通过内嵌的FPGA芯片进行运算处理。其可输出彩色图像,且不同于过去对画面对比度整体提升,此算法可区分远景近景雾气浓淡等因素,并据此分别对每个像素点进行提升,实现区域效果最佳化,且没有延时。”

  芯片的高速运算必将产生噪声点,夜间光照不足时影响尤为突出。所以一体透雾机芯普遍采用CCD传感器和大光圈镜头,以达到良好的低照效果,另一方面也较易达到高清级别透雾。最后倪榕斌还介绍了一体透雾机芯的意义所在:“过去透雾需求基本都在枪机,但是枪机的监控距离一般较短,而在较短的距离内若非浓雾,画面不会有太大影响。而一体机的监控范围更大,加上变焦可选,故而雾霭对它的影响更大。推出这款一体透雾机芯,是为了在更大监控距离内实现透雾,且随着成品化,一体透雾机芯将降低透雾设备的投入,实现更大的应用。”

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