人類獲得外界信息大約有70%是通過視覺獲取的。隨著多媒體技術的快速發展，視頻圖像技術被廣泛應用于各個領域，如生物醫學領域、公共安全領域、應急指揮領域、軍事領域等。然而在城市公共安全、智能交通視頻監控信息中，不到百分之一的信息為有用信息，因此對僅百分之一的信息品質期望值要求越來越高。在現實應用中，由于氣候環境、視頻成像、儲存、傳輸等環節理論上的衰耗都會造成圖像質量降低，特別是近年來，霧霾天氣使得戶外對象成像退化，圖像變得模糊。因此，為了獲得更清晰的監控效果，透霧技術應運而生。
霧霾是由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氫化合物等粒子大量積聚，形成在一定空間內能見度低下的一種氣象。霧霾出現的概率聚增，已影響到國內25 個省份，100多個大中型城市。根據環保部發布的環境質量公報，去年全國平均霧霾天數達35.9天，在此情況下室外視頻監控系統，如：公共安全、交通、應急指揮、旅游等視頻監控系統應用價值大打折扣。
因此IP攝像設備的透霧功能，特別是多級切換模式透霧功能必將成為室外攝像機的標配功能。
透霧技術的研究現狀
1.1透霧技術的定義
透霧技術，也稱為視頻圖像增透技術，是指將因霧、水汽、灰塵等導致模糊的圖像變得清晰，突出圖像中感興趣的部分，使得圖像的質量得到改善，信息量得到增強的過程。
透霧不同于簡單的除霧技術，它需要通過光學、算法等手段相互融合，根據圖像雜質濃度自動調整算法，實現圖像的色度補償，從而獲得與實景無限接近的清晰圖像。
1.2光學透霧
在光譜中，紅外線是不可見光線，波長介于微波與可見光之間。紅外線可分為三部分，即近紅外線，波長為0.78～2.50μm；中紅外線，波長為2.50～25μm；遠紅外線，波長為25～l000μm。
近紅外還可分為近紅外短波區域和近紅外長波區域，在不同波段的光因為波長的不同呈現不同的光譜特性。透霧功能的實現基于近紅外光譜。近紅外線在傳播時受氣溶膠的影響較小，可穿透一定濃度的霧靄煙塵，實現準確快速聚焦，這就是光學透霧的依據。當出現云霧和煙塵天氣時，一般的可見光無法穿透，利用近紅外光線可繞射微小顆粒原理，在霧霾天氣采用近紅外濾光片、鍍膜技術及電子圖像增強技術，算法處理能提升遠距離監控效果。
光學透霧的關鍵在于鏡頭與濾光片。透霧攝像設備需要具備三個要素：具有色差補償的鏡頭、具備近紅外線靈敏度高的CCD、黑電平調節的圖像處理器。通過鏡頭對特定近紅外波段光線進行截取，準確聚焦成像。一般的攝像機鏡頭，透過光譜的中心波長在500~600MM之間，而為了保證在可見光和近紅外波段都有很高的透過率，且兩個波段切換過程中對色差進行修正保證切換后不需要再調節焦距，透霧攝像機的鏡頭透過光譜的中心波長必須在780~900MM之間。因此，很多透霧鏡頭采用了多層鍍膜技術，讓500~900MM波段的透過率達到80%以上，最終實現透霧效果，這種透霧方式俗稱為物理透霧。目前市場上專業級日系透霧鏡頭售價都在萬元以上，考慮到透霧鏡頭高昂的造價，部分企業尋求更經濟的光學透霧模式，普遍采用兩濾波片的日夜轉換模式，在攝像機集成加入了四塊濾波片，多鏡頭集身于一臺攝像機，除了實現日夜轉換，還通過增設一塊可選擇性過濾400nm~600nm波段光線的濾波片，實現了強光抑制。為了更精確截取適合成像的近紅外波段，也特別增加了透霧濾波片，以實現較為經濟的光學透霧。
1.3算法透霧
攝像機的透霧概念早在2007年進入中國，但高昂的成本和復雜的技術讓很多安防行業卻步。經過十幾年發展和專業技術的積累，透霧技術有了較大突破。而要真正實現透霧還是要依靠電子透霧算法處理，才能在應用中脫穎而出。目前行業內大致上有以下幾種算法透霧：
第一種是基于FPGA成像方法以及直方圖均衡化算法透霧。它針對霧天圖像的退化現象，采用近紅外波段成像和視頻圖像處理技術相結合提高圖像質量。此外，還可通過改善算法復雜度提高畫面清晰度。
第二種是Retinex算法，即視頻增強算法。它對校正后的像素點灰度值進行線性拉伸，得到增強的圖像。該算法具有銳化、顏色恒常性、動態范圍壓縮大、色彩逼真度高、處理延遲低等特點。
第三種則是影像信號處理器(LSP)算法透霧處理。該技術要求透霧設備必須具備“自動曝光(AE)”、“自動白平衡(AWB)”和“自動聚焦(AF)”的3A功能，適于直接內嵌于攝像機中應用。
1.4光電透霧技術
光學透霧直接利用可穿透霧靄的近紅外波段光線進行成像，但只能得到黑白監控畫面，而光電透霧技術將光學透霧和算法透霧兩種透霧功能相結合，通過機芯一體化通過內嵌的FPGA芯片和ISP/DSP進行運算處理實現彩色畫面輸出。一方面，該透霧技術可區分遠景近景霧氣濃淡等因素，選擇透霧級別，可實現區域效果最佳，不同于過去對畫面對比度整體的提高，且沒有延時。另一方面，芯片的高速運算必將產生噪聲點，夜間光照不足時影響尤為突出，所以一體機芯普遍需要采用CCD傳感器和大光圈鏡頭，以達到良好的低照效果。
1.5假透霧
通過人為調節對比度、銳度、飽和度、亮度等數值，或做一些濾鏡切換裝置，讓圖像重點突出，從而改善主觀視覺效果，這就是所說的假透霧。假透霧在霧霾環境下，切換到選擇夜間紅外感應模式時，可以看到一定效果的圖像畫面，但鏡頭不能對景物重新進行聚焦，因而不滿足視覺體驗。非透霧攝像機可以實現一定程度的“透霧”，但透霧效果非常有限。
透霧技術的實現
2.1透霧原理
當可見光通過空氣中的霧霾時，會被阻擋反射而無法通過，所以只能接收可見光的眼睛看不到霧霾后面的物體。在可見光與微波之間，有一組紅外光線可以穿透霧氣，且攝像機的感光元件可以感應到這部分近紅外光線。但是由于紅外光譜各波段的波長不同，需要攝像機進行過濾處理，利用過濾后的近紅外光進行成像。由于這種不可見光在監視器上呈現的圖像為黑白顏色，由于景物邊緣呈現的灰度不連續特性，于是對圖像邊緣進行加強。RGB光線中除了R光線可以正確聚焦在 CCD成像面上，GB光線均無法正常地投射在CCD成像面上，這樣要求可見光成像畫面和近紅外光成像畫面疊加復合后進行色差補償，滿足成像主觀體驗要求。
2.2透霧功能設計
透霧功能的實現系統由成像單元、成像控制單元、溫控單元、視頻增強單元以及主處理器五個部分組成，如圖2所示。成像單元由鏡頭、濾光片及CCD組成，溫控單元由溫度開關、風扇組成。溫控單元獨立存在于成像控制單元上，根據溫度開關輸出的電平高低啟動散熱風扇。成像單元、溫控單元及成像控制單元整合在一起，紫外濾光片與紅外濾光片由控制單元控制鏡頭電機進行切換，同時通過串口控制視頻增強保證可見光波段彩色圖像輸出。再經過主處理器計算處理，確定霧霾程度與級別，從而保證透霧功能分級實現。
通過鏡頭變換濾光片的方法，可將可見光波段和近紅外線波段的分開使用，以達到用可見光波段來提高圖像的清晰程度、主管視覺體驗和利用近紅外波段穿透云霧的能力來增加透視距離。為了得到遠距離物體的清晰圖像信號，采用電子處理技術，通過ISP/DSP主處理器計算，將視頻信號中的霧霾部分過濾掉，再用白光進行疊加處理。其基本開發流程是先對復合視頻信號進行同步分離，去掉其中霧霾、彩色同步信號，將彩色圖像轉換為黑白圖像，然后進行灰度圖像邊緣增強，處理完成后再進行白光疊加和同步合成以及色差修正，最后輸出標準的復合視頻信號。
多級切換模式透霧技術的發展前景
基于DSP算法透霧和光學透霧形成的光電透霧技術，現階段應該是攝像設備的主要發展方向。就操作層面上講，光電透霧技術的智能化程度比較高，無需繁瑣、人為調節干預即可實現良好的透霧應用。值得思考的是，透霧功能的啟用級別應隨氣候環境變化而變化，不要一種透霧狀態自始至終，而應根據霧霾的濃度自動調整算法，且針對不同的霧氣、霧霾濃度，提供多個透霧功能等級模式供選擇，通過不同的等級調節，可將設備透霧效果調至最佳。與此同時，適時調節DSP計算的難易度，也可延長設備壽命。
隨著我國平安城市建設力度的不斷加大，視頻監控設備被越來越多地應用到各行各業，用戶對監控需求不斷提升，透霧攝像機的市場應用規模不斷擴大，通過對視頻圖像質量的提升，使模糊圖像變得更加清晰可見，從而提高監控系統對周圍環境的感知能力。因此，多級切換模式透霧技術將會是安防業未來的發展趨勢。
那么已經投入工程使用的監控設備沒有透霧功能如何實現透霧呢？行業內一些廠家已作了一些探索，如?？低暤?60H透霧DVR，該機支持16路 960H模擬視頻通道的同步透霧。這種通過后端存儲或管理系統來實現透霧的方式，為安防工程的改造升級提供了一種新的解決方案。而且，為減少前端攝像設備算法處理難度以及傳輸帶寬、儲存容量和網絡環境現實制約，設計開發由平臺端實現透霧功能的軟件平臺產品也是未來探索思路之一。
結束語
隨著人們對安防知識和安防產品的了解越來越多，無論是工業安防還是民用安防的需求將更專業，光電透霧技術將會在創新中不斷成熟，多級切換模式透霧的安防產品很快會在未來安防市場上誕生。本文在已有的透霧功能實現系統中增加了主處理器，經過主處理器計算處理，確定霧霾程度與級別，從而保證透霧功能分級實現。多級切換模式透霧攝像產品由于其成像具有獨特優勢，其技術應用將會推動攝像安防產品的科技進步，同時也為我國的“反暴恐”安全和公共安全工作提供了新的強有力的保障。
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