前几日的北京让人有种无法呼吸的痛。连天严重的雾霾,让笔者也终于体会了泰戈尔诗的意境:“世界上最远的距离,不是生与死的距离,而是我在北京街头牵着你的手,却看不见你。”此情此景,甚至有人吐槽道:“帝都这天气,要赶上个白内障拆线,大概会以为手术失败了吧!”

  吐槽一事终归是苦中作乐。雾霾不仅对大家人体的健康不利,而且会影响交通安全。出现雾霾天气时,空气质量差,视线能见度低容易引起交通阻塞、发生交通事故。近日便有一位女司机产生了困扰:“前几天那么大的雾,我在路口没看清红绿灯,结果闯了红灯,会不会被监控摄像头照下呢?”关于雾霾天“雾”闯红灯能否免罚这个问题,交管部门给出了回答:“电子眼能拍清就罚。”于是乎,摆在广大司机面前的一个严峻的问题就是——如果自己因为雾霾的蒙蔽而没看清红绿灯导致违章,电子眼究竟能否穿透雾霾抓住违章的自己呢?这就要从“电子眼”本身的透雾性能来分析了。

一、透雾技术的定义及类别

  近年来,雾霾天气在全国不同区域蔓延,空气污染指数持续攀升,大范围雾霾的笼罩下室外能见度大大缩小,能见度的降低也给城市安防带来了极大的挑战。大雾天气下物体表面反射的光在到达成像设备的过程中会受到空气悬浮颗粒的影响,从而使得设备无法获得清晰图片。面对这极端天气,为了获得更清晰的监控效果,摄像透雾技术应运而生并不断发展。

  摄像透雾技术,也称为视频图像增透技术,是指将因雾、水汽、灰尘等导致模糊的图像变得清晰,突出图像中感兴趣的部分,使得图像的质量得到改善,信息量得到增强的过程。

  透雾不同于简单的除雾技术,它需要通过光学、算法等手段相互结合,根据图像杂质浓度自动调整算法,实现图像的色度补偿,从而获得与实景接近的较清晰图像。

透雾技术主要有以下几类:

  1、光学透雾

  在光谱中,红外线是不可见光线,波长介于微波与可见光之间。红外线可分为三部分,即近红外线,波长为0.78~2.50m;中红外线,波长为2.50~25m;远红外线,波长为25~l000m。

  在不同波段的光因为波长的不同呈现不同的光谱特性。透雾功能的实现基于近红外光谱,近红外还可分为近红外短波区域和近红外长波区域。近红外线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,实现准确快速聚焦,这就是光学透雾的依据。当出现云雾和烟尘天气时,一般的可见光无法穿透,利用近红外光线可绕射微小颗粒原理,在雾霾天气采用近红外滤光片、镀膜技术及电子图像增强技术,算法处理能提升远距离监控图像效果。

  光学透雾的关键在于镜头与滤光片。透雾摄像设备需要具备三个要素:具有色差补偿的镜头、具备近红外线灵敏度高的CCD、黑电平调节的图像处理器。通过镜头对特定近红外波段光线进行截取,准确聚焦成像。一般的摄像机镜头,透过光谱的中心波长在500~600MM之间,而为了保证在可见光和近红外波段都有很高的透过率,且两个波段切换过程中对色差进行修正保证切换后不需要再调节焦距,透雾摄像机的镜头透过光谱的中心波长必须在780~900MM之间。因此,很多透雾镜头采用了多层镀膜技术,让500~900MM波段的透过率达到80%以上,最终实现透雾效果,这种透雾方式俗称为物理透雾。

  2、算法透雾

  摄像机的透雾概念早在2007年进入中国,但高昂的成本和复杂的技术让很多安防企业却步。经过十几年发展和专业技术的积累,透雾技术有了较大突破。而要实现更好的透雾效果还是要依靠电子透雾算法处理,这样才能在应用中脱颖而出。目前行业内大致上有以下几种算法透雾:

  第一种是基于FPGA成像方法以及直方图均衡化算法透雾。它针对雾天图像的退化现象,采用近红外波段成像和视频图像处理技术相结合提高图像质量。此外,还可通过改善算法复杂度提高画面清晰度。

  第二种是Retinex算法,即视频增强算法。它对校正后的像素点灰度值进行线性拉伸,得到增强的图像。该算法具有锐化、颜色恒常性、动态范围压缩大、色彩逼真度高、处理延迟低等特点。

  第三种则是影像信号处理器(LSP)算法透雾处理。该技术要求透雾设备必须具备“自动曝光(AE)”、“自动白平衡(AWB)”和“自动聚焦(AF)”的3A功能,适于直接内嵌于摄像机中应用。

  3、光电透雾

  光学透雾利用可穿透雾霭的近红外波段光线进行成像,但只能得到黑白监控画面,而光电透雾技术将光学透雾和算法透雾两种透雾功能相结合,通过机芯一体化通过内嵌的FPGA芯片和ISP/DSP进行运算处理实现彩色画面输出。一方面,该透雾技术可区分远景、近景,雾气浓淡等因素,选择透雾级别,可实现区域效果最佳,不同于过去对画面对比度整体的提高,且没有延时。另一方面,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,所以一体机芯普遍需要采用CCD传感器和大光圈镜头,以达到良好的低照效果。

  4、假透雾

  假透雾即通过人为调节对比度、锐度、饱和度、亮度等数值,或做一些滤镜切换装置,让图像重点突出,从而改善主观视觉效果。假透雾在雾霾环境下,切换到选择夜间红外感应模式时,可以看到一定效果的图像画面,但镜头不能对景物重新进行聚焦,因而不能满足视觉体验。非透雾摄像机可以实现一定程度的“透雾”,但透雾效果非常有限。

二、透雾监控摄像机的功能

  透雾摄像机的诞生不仅解决了极端天气监控难的问题,同时也为全天候摄像打开缺口,无论处于何种环境下都能实现全天候高清监控。透雾摄像机中植入的宽动态夜视增强功能,其实夜晚的光照条件远比白天复杂,夜晚监控时加强DSP;透雾摄像机同时也采用夜视增强的方式来提升监控效果,再加上智能边缘锐化智能视频信号处理技术,自动调整颜色对比度和亮点,这是普通监控摄像机无法兼顾的。总而言之,透雾摄像机中既保留了原始的监控技能,同时又将宽动态和夜视红外功能合二为一,再配有智能化视频信号处理技术,将三大部分功能完美地结合在一起。

  目前许多安防企业纷纷推出透雾摄像机,尽管市场应用需求不尽相同,但是整体结构和实现的功能大致相同。面对高清化需求不断增多,透雾摄像机实现高清监控也成为必要。一般来说,透雾摄像机采用超级灵敏度传感器如1/2"SONYExwaveHadII代、或1/3"SONYSuperHadII代CCD,使黑白感红外模式清晰成像,必不可少的滤光片能够有效保证夜间超高灵敏度的红外线吸取能力,光线自动调整和轮廓校正功能让成像效果更清晰。

  透雾摄像机的零部件能够有效保证在有雾气和阴霾天气下的达到明显透视效果,并且能够实现较远距离的高清拍摄。

  实现高清拍摄的重点当然是摄像机的核心部件,高灵敏度的微光CCD可根据环境自动在微光和近红外两种模式间切换,同时CCD采用了特殊的图像处理技术,在雾霾天气使用时能够提高3倍能见度,透雾能力超群,改善了雾天监控效果差以及无法实现高清效果的尴尬局面。

三、“电子眼”能否完全穿透雾霾?

  大家先来说说雾霾天看不清红绿灯的问题。

  首先,从红绿灯本身来看,为什么设置红灯为停车信号,就是因为红色光的波长最长,最不容易被散射,所以红色的穿透力最强,即使在黄灯和绿灯不容易分辨的情况下,红灯也是非常明显的。

  其次,从雾霾的浓重度来讲,一般的路口看到红绿灯的距离最多不过十几米,如果雾霾严重到能见度只有几米,那么看不清红灯还算是个借口,但是近来的雾霾天的能见度并没有那么低,路口红绿灯属于可见范围内,因而,以这样的雾霾天气作为闯红灯的借口是不成立的。

  那么路口的“电子眼”是否能完全穿透雾霾拍下违章者的身影呢?

  交管部门的工作人员表示,监控摄像头会根据天气和亮度自动调节,在雾天能见度较低时会自动启动夜间模式。虽然雾天拍摄的清晰度不如晴天,但是并不会影响处罚。并称如果真的出现能见度只有几米的大雾天气,估计监控摄像头也无法清晰拍摄到有效的违章照片。

  某视频监控技术专家表示,能在浓重雾霾中正常工作的安全监控设备尚未被发明出来。红外成像等现有技术有助于摄像头“看穿”一定程度的雾或烟尘,但浓重的雾霾就是另一回事了。雾霾的悬浮颗粒数量过多且非常“瓷实”,像一堵砖墙一样有效阻挡了光线。按照经验,如果能见度降至3米以下,就是最好的摄像头也拍不到十几米外的物体。

  总而言之,目前这种雾霾天气,“电子眼”还是能抓住想要借机闯红灯的人的。雾霾天出门,本就容易触发交通事故,各位司机们还是小心为上,侥幸心理万万不能有啊。

2014年10月20日

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电子眼真的能穿透雾霾抓到闯红灯的你吗?

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