文/李仲男 原任职于公安一所现为本刊技术顾问
雾霾对视频监控系统的影响是直接、直观的,成为“看不清、看不见”的又一重要因素。业界纷纷发声表示关切,并提出解决问题之道,摄像机的透雾技术因此成为热点,透雾算法成了产品竞争的核心技术。但是,大多文章读过之后,却有种雾里看花的感觉。文章对技术原理的论述不很严谨,准确,关键技术的说明不具体、明确,使人看不清“透雾”如何实现。联想到业内对其它技术的论述、理解和报道也有这种感觉,很想说:“对安防技术不要雾里看花。”
从透雾技术说起
论述透雾技术的文章,都会首先说明雾霾生成的机理和其产生的光学效应。如当空气中积聚了超量的微小水滴和颗粒物时(PM2.5达到一定量值),就形成了雾霾。雾霾会降低空气的能见度,减小可观察景物的距离和景物的清晰度。还会把这些微小颗粒物理解为气溶胶粒子,由于它对光线的散射作用,导致景物变模糊,边缘和细节分辨能力下降,同时多次散射的作用又使景物图像更严重的劣化。
这些论述是正确的,但过分的渲染,会使关于透雾技术的论述成为悖论。因为它对光学图像的损伤是不可逆的,导致光学图像的失真是不可恢复的。
雾霾对图像的损伤
雾霾造成(景物)光学图像损伤主要包括以下几个方面:
空间分辨能力的下降,既是图像模糊,其原因就是上面讲到散射效应。它是不修复的,因此、透雾技术对图像的改善是有限度的,雾里看花又要看得真真切切是不可能的;
图像亮度,或景物照度的下降,主要表现在远景目标的亮度降低,原因是雾霾造成空气透光率的降低;
图像对比度或反差的下降,整个图像失去层次感。产生的原因所上述各项外,还因为近景图像较高亮度对远景图像的抑制作用。
雾霾对图像影响的后两项是可以改善的,这就是目前大家采用透雾技术解决的问题。
透雾技术
针对上述问题,可以采用的解决方法(透雾技术)主要有以下几种方案。
图像处理算法,增强图像亮度、对比度和加大反差。一是提高远景图像部分的亮度,抑制前景图像部分的亮度,二是增强低亮度部分图像的对比度。这种图像处理算法与宽动态技术基本相同,都是通过图像亮度密度分布(直方图)的变换,来改善图像的视觉效果。不同是:宽动态技术主要是提高目标(前景)图像部分的亮度和对比度,抑制背景图像部分的亮度。透雾技术则相反。
有些文章提到:采用滤波或图像复原算法来恢复受损的图像,可得到如同没有雾霾影响的清晰彩色图像,还没有充分的理论支持,也没有实际应用。
提高光电转换效率,利用摄像器件的光电转换特性,扩大曝光窗口。目前的摄像器件在近红外段(0.78μm-0.95μm),仍有较好的灵敏度,在正常环境下,为保证良好的彩色还原性,用滤光片把其截掉。而这一段的光线由于波长较长(比之可见光),对雾的穿透性较好,利用它、可扩大感光的光谱宽度(曝光窗口),获得较好的曝光效果。
因工作在近红外波段,所以要采用宽光谱镜头,以保证在整个波段内,都能将景物准确地成像在摄像器件的焦平面上,或工作在这一波段时,自动微调镜头的后截距,以得到良好的成像。
基于上述原理,结合主动照明的方式,可获得更好的效果。利用红外光源照明,并采用波光片去除部分可见光的干扰,可实现很好的透雾摄像。
这种透雾技术主要是通过镜头、摄像器件等光学器件实现,包括采用高灵敏度摄像器件,称为光学透雾。而上一种方法称为算法透雾。两者结合应用会得到更好的透雾效果。
显然、利用近红外成像的光学透雾技术,生成的是较好的黑白图像。采用黑白/彩色自动转换摄像机,轻雾时,通过算法透雾,仍可获得彩色图像;当雾重时,则要自动转换为黑白方式(将滤光片移去),通过光学透雾结合算法透雾,获得可用的黑白图像。再次强调:当景物失去了色彩,还要将其恢复为彩色图像既不可能,也无必要。
上述技术还可应用于透过玻璃的观察,如观察行驶车辆内的人员情况;也可以用于观察强光环境下的图像,如车灯打开时,观察车辆号牌。
被动红外摄像(热成像)技术是一种透雾技术,工作在远红外波段(10μm左右)但其空间分辨能力差,主要应用于特殊探测(火灾、火场)的场合。
宽动态有多宽
宽动态摄像机是视频监控系统的特色产品,很多厂家把它作为主要卖点。媒体上对宽动态技术的介绍及产品评测、推介很多。感觉宽动态技术越来越复杂、技术指标(数值)越来越高。实际上、摄像器件适应景物照度的能力是有限的,过低的曝光被器件的热噪声淹没,过度的曝光则会溢出,因此、摄像器件可输出图像信号是有限度的(通常0.7VP-P),可实现的动态范围是有限值的。同时、人眼视觉特性可以适应(接受)的动态范围也是有限度的,不能很好的分辨过低与过高亮度的图像。电视技术依据这个特性,设计了摄像器件的输出范围。同时、人眼分辨图像亮度(差)的能力也有限度。在可接受的亮度范围内,可分辨的层次是有限的。无论电视技术可以把多么宽的亮度范围调节为摄像机的正常输出,人眼可分辨还是哪么多层次,不是说30dB动态范围的图像,可分辨10个台阶的亮度差,120dB动态范围的图像,就可分辨40个台阶。以上因素决定了摄像机的宽动态范围应是有限度的。实际应用时、也并不是指标越高、技术越复杂,效果就越好。
实现宽动态的基本方法是控制曝光。在时间域,利用镜头的光圈控制是最适宜的方法,即光学方法;但在空间域,需要对图像的不同区域进行分别的曝光控制(甚至分别控制每个像素的曝光),是由电路技术实现的。无论哪种方法,实质上、都是通过直方图的变换(均衡或部分峰化),获得图像视觉效果的改善。
高清有多“清”
“高清”是视频监控系统(图像技术)发展的必然趋势,视频监控始终追求得到更丰富的图像信息,特别是分辨图像细节的能力,实现真实、透彻的感知。在广播电视高清化带动下,视频监控正逐步实现高清化。特别是九部委联署发布的“关于加强公共安全视频监控建设联网应用工作的若干意见”要求:到2020年,重点公共区域视频监控覆盖率达到100%,新建、改建高清摄像机比例达到100%;重点行业、领域的重要部位视频监控覆盖率达到100%,逐步增加高清摄像机的新建、改建数量。“高清”已成为视频监控系统技术水平(档次)的标志和系统建设的重要目标。
高清摄像机
对于视频监控,“高清”还是个不确定的概念,包括电视制式,图像格式和分辨能力等。应用较多的摄像机主要有:
高分辨率摄像机,在扫描格式(标清电视制式)不变的前提下,提高水平分辨率,目前、可以达到700TVL以上,如960H摄像机。因仍是传统电视制式设备,故称模拟高清。
大像素摄像机,摄像器件像素数量很大的摄像机,如200万、500万,甚至更高。通常、它们输出标清视频信号,与标清系统保持完全的互换性。在电子变焦(摄取局部图像)时,仍有很高的分辨率(由于像素多);960H、4K摄像机等以图像格式表示自己的高分辨率,也属于大像素摄像机;有些大像素摄像机,图像帧率较低(达不到电视帧频),则属数码相机的范畴。
高清电视摄像机,广播电视高清的概念。相对于标清电视而言,高清电视的图像分辨率在水平、垂直两个方向上加倍;亮度、色度信号分离处理(标清通过频谱交错技术,两者复合);图像幅型比为16:9。因此、高清电视的扫描方式与基带信号格式与标清电视不同,两者不再兼容,不可互换。目前、主要有720P、1080i的1080P几种图像格式,它们的基带信号是分量信号。
还有厂家提出了HDCVI高清制式,通过频分复用的方法实现亮、色复合,因此、可采用同轴视频电缆传送基带信号。这种制式的高清监控系统与传统监控系统相同,属CCTV方式,采用视频矩阵切换。但其视频带宽要比标清系统宽的多,两者也不能完全兼容。
可以看到:各种型式高清的图像分辨能力不同,相互不能完全兼容。所以、笼统的讲“高清”,在技术上不严谨、不准确。
在通常实时监控环境下(适当的观看距离、动态图像),高清与标清图像的观察效果差别不大,960H与720P的水平分辨率相同。高清系统的优势是观察局部图像和提取图像细节信息时(将局部图像扩展至全屏),仍具有很高分辨率;图像个体识别时,高分辨率是重要的条件,如电子警察或卡口系统进行号牌识别时,可得到较高识别率;但、图像行为分析对图像帧率稳定性要求较高,而对图像分辨率要求不高。因此、高清系统设计要明确规定高清的型式,系统评价时,不仅要评测摄像机,还要综合分析系统的各个环节(传、存、显、变换、处理),判定系统最后实现的效果。
高清监控系统的实现
高清监控系统的实现,通常有三大标准体系之说(HDCCTV、ONVIF、PSIA),实质是:
网络视频和CCTV两种系统架构。
HDCCTV,是HDCCTV联盟(HDcctv Alliance)推出的完整技术系统。由SDI技术派生而来,SDI(串行数字传输链路)是专为广电开发,应用于演播室。将广电高清(HDTV)视频信号进行数字传输,不压缩、不分包,无延迟、无抖动、图像质量好。由于在结构上与传统监控系统(CCTV)相同,可采用矩阵切换,并产生最适合人眼的观察效果,被安防业界视为从标清向高清过渡的最佳途径。但认为两者可以无缝对接是错误的,SDI传输过程是:将并行分量制的基带信号进行并串转换(数字化),通过一条电缆传送,到显示端再串并转换为基带信号。是超宽带系统,特别是高清(HD-SDI、3G-SDI);传输电缆、切换矩阵与传统系统并不兼容,不可能在标清系统上即插即用。显然、其传输距离有限,长距离传输要与光纤传输结合应用。
网络视频,ONVIF与PSIA(两个企业联盟)已成为网络视频协议集(标准)的代名词。在广域系统中,网络视频是主要的选择。这方面的论述很多,分歧很少,这里不再赘述。
高清监控系统应用要注意的问题是:与传统系统的集成和实现图像的组合显示。
实现高清/标清系统或数字/模拟系统的集成,核心是实现“全交换”。两个系统通常会采用“包交换”和“电路交换”两种方式,且交换的输出是不同的图像格式。故实现全交换很困难,目前、一些平台设备可有多种输入和输出,但都不能实现全交换。
图像显示是视频监控系统的重要部分,上述图像交换与之有密切关系。在大屏显示的时代,将各种格式图像组合在一起,统一调度、分配是必需的方式。要将不同格式的图像进行相应的变换,才能实现组合显示。这个过程中,切忌将高清信号下变换为标清信号,或将高分辨图像变换为低分辨图像。
综上所述、高清系统的应用不是简单的设备更换。要正确的理解高清的概念,消除一些模糊的认识,采用正确的技术,才能保证高清系统的应用,高清设备的更换得到好的效果,真正享受到高清之“清”。
不要雾里看花
不要雾里看花,首先是一种态度,科学、严谨的精神。笔者不认为自己的观点一定是正确的,发表出来主要是引起讨论,并强调科学的态度和严谨的作风。
安防技术正处于大变革的时代,IT化是大趋势。不断推出的新技术、新产品,为我们提供了更多的选择,也增加了更多的疑惑。面对纷杂的局面,要准确理解新技术、产品的本质,可实现的功能、达到的限值及成熟性、适用性、经济性,才能做出合理、正确的选择。
不要雾里看花,不能太肤浅,流于形式,停留在概念上,不敢采用新技术或盲目追求新技术。更不能错误地理解新技术,进行错误的选择。
安防行业要正确认识自己,展现自己。不能用一些模糊的概念把安防封闭起来,让别人雾里看花,以产生一种神秘感、神圣感。要顺应技术的趋势,融入公共安全体系,融入社会服务体系,才能得到更好的发展,进入更广阔的市场领域。