文/宇视IPC团队
2013年，“雾霾”成为年度关键词。这一年的1月，4次重雾霾笼罩30个省(区、市)。在北京，仅有5天不是雾霾天。有报告显示，中国最大的500个城市中，只有不到1%的城市达到世界卫生组织推荐的空气质量标准，与此同时，世界上污染最严重的10个城市有7个在中国。
雾霾来势汹汹，一般在城市中尤为严重，对视频监控系统提出了严峻考验，其主要影响有以下几个方面：
1. 物体表面的反射光由于大气粒子的散射而产生衰减，造成物体成像的亮度减弱;
2. 反射光经大气粒子前向散射作用参与其它像素点成像，导致图像模糊、分辨率下降;
3. 部分大气粒子的粒径较大，在成像过程中成为噪声;
4. 与成像无关的自然光经过大气粒子的散射，进入图像传感器参与成像，这种后向散射作用造成图像饱和度、对比度降低及色调偏移。
伴随着中国雾霾天气的日益严峻，不少监控摄像机已经失去了其监控的作用，雾霾导致摄像机的监控距离、图像清晰度下降，甚至导致车辆、人物等监控主体的关键细节信息丢失，一旦发生事件，将很难获得有效信息，大大降低了视频监控系统的实用性。
那么视频监控该如何应对雾霾来袭呢?答案是透雾技术。顾名思义，透雾技术就是在雾霾天气下，依然能够穿透雾霾干扰，让摄像机获得良好的监控效果，不会影响监控距离和图像清晰度。一般而言，透雾技术分为电子透雾(亦称数字透雾)和光学透雾(亦称物理透雾)两种。
电子透雾是基于人类视觉感知模型设计的后端图像复原技术，通过ISP算法来修复画面、消除雾感，达到画面更通透的视觉效果;光学透雾利用近红外光成像，由于近红外光波长较长，在传播时受大气粒子干扰较小，能穿透雾霾，从而呈现清晰的图像细节。其实这两种透雾技术并非是应对雾霾天气而开发的新兴技术，早期在森林、港口、码头等区域，由于经常容易起雾，早以通过透雾技术来实现远距离的清晰监控。而随着雾霾来袭，透雾技术渐渐成为高端摄像机的标配技术，如宇视科技全系列室外应用的IPC均支持电子透雾，而最高端的HIC5600系列又在此基础上全线支持光学透雾。
那么电子透雾和光学透雾这两者之间又有什么区别，各有什么优劣势呢?
电子透雾
电子透雾采用的是可见光成像，并通过ISP算法来修复画面，目前ISP算法主要分为两大类：图像增强透雾技术和图像复原透雾技术。图像增强透雾技术不考虑图像降质原因，适用范围广，能有效地提高雾天图像的对比度，改善图像的视觉效果，但会产生更多的噪声，甚至造成更多图像细节的损失。图像复原透雾技术是研究雾天图像降质的物理过程，并建立退化模型，反演退化过程，补偿退化过程造成的失真，以便获得原始图像的最优估计值，从而改善图像质量，这种方法针对性强，得到的去雾效果自然，处理的关键点及难点是模型中参数的估计。
从电子透雾的算法解释中可以看出其优势在于：1、画面色彩得以保留；2、不会增加额外硬件成本。
但电子透雾的劣势也很明显，首先由于可见光穿透能力弱，在遇到水汽、灰尘阻隔时会造成较大的散射，导致部分信息丢失，此时即使通过算法修复画面、消除雾感，也无法对丢失的信息“从无到有”进行恢复;此外，电子透雾基于不同的算法透雾效果各有不同，简单的算法在图像还原效果上有局限性，而复杂的算法对硬件性能提出了更高的要求，而且就目前的图像还原技术整体水平而言，电子透雾只能应用在一般的雾气环境中，一旦雾霾浓度提升，电子透雾的效果就会大大降低。
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390nm-780nm，称为可见光，而波长小于390nm的叫做紫外光，波长大于780nm的叫做红外光。不同波段的光因为波长的不同具有不同的特性，一般红外光由于拥有较长的波长，在传播时受大气粒子干扰影响较小，可穿透一定浓度的雾霭烟尘，摄像机可以利用这部分光线来实现穿透雾霾的监控。这就是光学透雾的原理。
从原理可知光学透雾的优势在于红外光穿透能力强，不会损失监控主体的细节，图像更清晰。但其劣势也存在：1、由于红外光没有对应的可见光色彩图，所以在监视器上呈现的图像为黑白颜色，所以不适用于必须需要彩色图像的场所;2、光学透雾的重点在于截取近红外光成像，而这部分工作大都由镜头完成，而透雾镜头价格昂贵，过高的成本大大限制了光学透雾在实际项目中的大规模应用。
全新透雾技术
从前文分析可以看到，电子透雾和光学透雾互有优劣势，并且互补。那么是否能够融合这两种透雾技术的优势，提供一种既经济又实用的透雾摄像机呢?
答案是肯定的。
通过对各种波段光线透雾性能的细致研究，并分析在不同浓度雾霾下测试采集的大量试验数据，最终结合监控透雾应用需求，宇视科技全新研制出内置光学透雾+电子透雾的双透雾功能网络摄像机HIC5600系列。在近距离或一般雾气环境中，该系列摄像机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，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，并且由于内置光学透雾组件，相较于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。由于可见光和红外光聚焦面不一致，所以这款透雾摄像机还内置了自动后焦(ABF)装置，在模式切换后自动触发，以获得最为清晰的图像。
未来趋势
在实际应用中，电子透雾作为一种ISP图像还原技术，其致命缺陷在于雾霾严重时无法还原丢失的信息，这是其成像原理决定的，即使图像还原算法再先进，也无法改善。一旦环境中雾霾浓度变化，电子透雾的效果将不可控，也就是说电子透雾的环境适应能力弱，而且研发更先进图像还原算法的性价比并不高，因此笔者认为基于监控需求的电子透雾技术将逐渐收敛。
而光学透雾一直以来在森林防火、海事、边防中有应用，具有较长的实际应用历史，其效果得到用户的认可，只是受限于高昂的成本而无法在其他通用行业中大规模推广，随着新技术的产生，成本问题得到解决，相信其在各行业中的应用前景将会越来越大。
而提升光学透雾效果除了摄像机自身图像处理能力的进一步提升，镜头、视窗等配套成像系统也应该对红外光具有更高的透过率，因此配套系统的完善乃至sensor的进一步升级是光学透雾未来努力的方向。
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