透霧高清監(jiān)控?cái)z像頭原理及應(yīng)用前景分析
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隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)狀態(tài)的迅速增長(zhǎng)，各行業(yè)都開(kāi)始以驚人的速度崛起，而且隨著監(jiān)控?cái)z像頭趨于智能化、高清化、網(wǎng)絡(luò)化得發(fā)展勢(shì)頭，安防各行業(yè)都已經(jīng)從過(guò)去的同質(zhì)化低端惡性競(jìng)爭(zhēng)，逐步走向差異化，個(gè)性化的發(fā)展道路。
在不可見(jiàn)光的范圍內(nèi)，有一頻率的光可以穿透霧氣，但是由于起波長(zhǎng)不同，所以需要在攝像頭上進(jìn)行處理，以達(dá)到對(duì)其聚焦的目的，同時(shí)還需要在監(jiān)控?cái)z像頭上進(jìn)行從新設(shè)計(jì)，用來(lái)將這一頻率的不可見(jiàn)光進(jìn)行成像，由于這個(gè)不可見(jiàn)光沒(méi)有對(duì)應(yīng)的可見(jiàn)光色彩圖，所以在上呈現(xiàn)的圖像為黑白顏色。透過(guò)云霧、水氣拍攝物體，相當(dāng)于透過(guò)了兩重透鏡(水珠與實(shí)際透鏡)，除了R光線可以正確聚焦在CCD成像面上，RGB光線中的GB均無(wú)法正常的投射在CCD成像面上，這樣就造成了普通模式鏡頭無(wú)法正常、清晰的得到云霧、水氣中的圖像。
過(guò)去CCTV鏡頭還處于300mm以下階段時(shí)，觀測(cè)距離一般限定在1公里以?xún)?nèi)，這種應(yīng)用對(duì)天氣能見(jiàn)度的要求比較低，但是焦距已經(jīng)發(fā)展到750mm的今天，霧天對(duì)監(jiān)控圖像的影響就不得不引起我們的重視了。這種情況尤其是在高速公路、森林防火、油田監(jiān)控和離海面較近的港口碼頭等遠(yuǎn)距離監(jiān)控中尤為重要。這種環(huán)境往往更容易產(chǎn)生霧氣，使24小時(shí)不間斷監(jiān)控面臨新的挑戰(zhàn)。
針對(duì)這種情況，少數(shù)有設(shè)計(jì)、研發(fā)能力的廠商經(jīng)過(guò)努力開(kāi)發(fā)出了具有透霧功能的鏡頭，并成功實(shí)現(xiàn)了成品上市。這種技術(shù)的出現(xiàn)，大大拓寬了視頻監(jiān)控的應(yīng)用范圍，并且是人類(lèi)依靠聰明智慧戰(zhàn)勝自然環(huán)境的又一經(jīng)典案例。市場(chǎng)上少數(shù)廠商在不具備生產(chǎn)透霧鏡頭產(chǎn)品能力的情況下，使用普通的產(chǎn)品充當(dāng)透霧鏡頭來(lái)銷(xiāo)售，宣稱(chēng)具有透霧功能，是極不負(fù)責(zé)任的行為。當(dāng)然，在實(shí)際測(cè)試中無(wú)法蒙混過(guò)關(guān)，最終擺脫不了被淘汰的命運(yùn)，但給lcd液晶屏圖對(duì)此功能有需求的用戶(hù)在產(chǎn)品選擇上制造了許多障礙和浪費(fèi)許多時(shí)間。
視頻分析算法
透霧鏡頭雖然效果突出，但因?yàn)閮r(jià)格上的局限性，在商用、民用范圍內(nèi)很難普及，在這種情況下，很多企業(yè)推出了更為實(shí)惠的數(shù)字DSP處理技術(shù)，通過(guò)視頻分析算法來(lái)達(dá)到透霧功能，俗稱(chēng)：數(shù)字透霧。
1、FPGA成像方法以及直方圖均衡化算法
根據(jù)日立公司的薛總工程師介紹，高清監(jiān)控?cái)z像頭采用DSP處理的同時(shí)，還啟用了FPGA的紅外實(shí)時(shí)透霧成像方法：FPGA成像方法針對(duì)霧天圖像的退化現(xiàn)象，采用近紅外波段成像和視頻圖像處理技術(shù)相結(jié)合的方式。根據(jù)視頻圖像相鄰兩場(chǎng)畫(huà)面相似的一系列特點(diǎn)，提出了用改進(jìn)的直方圖均衡化算法的方式圖像質(zhì)量。
改進(jìn)過(guò)的算法不僅可以提高畫(huà)面清晰度，還可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約存儲(chǔ)器部分硬件資源。實(shí)驗(yàn)表明，采用FPGA成像方法，在增強(qiáng)霧天圖像的同時(shí)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像處理25fr鋤/s的實(shí)時(shí)性要求，結(jié)合近紅外波段透霧能力使霧天圖像能見(jiàn)距離提高1.5倍以上。并且可以生成彩色畫(huà)面。
2、視頻增強(qiáng)算法(Retinex算法)
Retinex算法是基于人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)感知和調(diào)節(jié)物體顏色和亮度的模型，這個(gè)模型解釋了一般顏色理論無(wú)法解釋的人眼對(duì)顏色的波長(zhǎng)與亮度不是特別對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象。Land通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)證明我提的表面顏色不會(huì)因?yàn)楣庹諚l件的變化而改變即顏色恒常性。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)顏色恒常就是說(shuō)無(wú)論是在正午的陽(yáng)光下、白熾燈下，還是在陰暗的光照條件下，人類(lèi)感覺(jué)到的同樣物體顏色是一致的。正因如此，在進(jìn)行圖像操作時(shí)應(yīng)當(dāng)去除光照強(qiáng)度，照射不均等一些不確定和非本質(zhì)的影響，只保留物體本質(zhì)的反射性質(zhì)如反射率等信息?；谶@種方法處理的圖像可以使圖像在邊緣銳化、動(dòng)態(tài)范圍壓縮和顏色的恒定方面都有很好的效果，
Retinex理論的基本思想就是將原始圖像看成是由照射圖像和物體反射屬性組成，照射光圖像直接決定一幅圖像中像素能夠達(dá)到的動(dòng)態(tài)范圍，物體反射屬性決定了圖像的內(nèi)在性質(zhì)，因此，在原始圖像中去除或降低照射圖像的影響從而保留本質(zhì)的反射屬性是Retinex理論的基本思想。與其它圖像增強(qiáng)方法相比，Retinex算法具有銳化、顏色恒常性、動(dòng)態(tài)范圍壓縮大、色彩逼真度高等特點(diǎn)。
現(xiàn)在多部分的lcd液晶屏圖視頻增強(qiáng)器只是采用基于全局的Retinex圖像增強(qiáng)算法通過(guò)在對(duì)數(shù)域內(nèi)計(jì)算相鄰像素點(diǎn)灰度值之間的比值從而得到相鄰像素點(diǎn)之間的相對(duì)明暗關(guān)系，繼而通過(guò)該明暗關(guān)系對(duì)原像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行校正，最后再對(duì)校正后的像素點(diǎn)灰度值進(jìn)行線性拉伸，得到增強(qiáng)的圖像。所以得到的增強(qiáng)圖像對(duì)比度不高。而CASEVisionVE9901視頻增強(qiáng)器采用先進(jìn)的多尺度Retinex圖像增強(qiáng)算法，具有較強(qiáng)的普適性。同時(shí)提供優(yōu)化的對(duì)數(shù)直方圖均衡處理和多種噪聲濾波算法。它基于DSP的嵌入式硬件結(jié)構(gòu)，具有尺寸小、功耗低、高性能的優(yōu)點(diǎn)。且實(shí)時(shí)對(duì)圖像處理，自動(dòng)適應(yīng)PAL制和NTSC制式視頻圖像。并具有極低的延遲，延遲時(shí)間不超過(guò)一幀，即PAL制視頻延遲40ms，NTSC制式視頻延遲33ms。同時(shí)，它還支持lcd液晶屏圖全屏增強(qiáng)和局部窗口增強(qiáng)，局部增強(qiáng)窗口大小和位置可動(dòng)態(tài)調(diào)整。
3、影像信號(hào)處理器(LSP)
在視頻采集過(guò)程中，前端所要求的是把CCD或CMOS感光傳感器所采集的影像經(jīng)過(guò)視頻接口采集，然后通過(guò)ISP進(jìn)行成像處理，其中需要有“自動(dòng)曝光(AE)”、“自動(dòng)白平衡(AWB)”和“自動(dòng)聚焦(AF)”處理，統(tǒng)稱(chēng)為(3A)。那么前端需要有3A柱狀圖分析，而統(tǒng)計(jì)信息則經(jīng)由ISP中的H3A單元處理；由于考慮到鏡頭的畸形效果，因此需要LCD處理；為適應(yīng)成像過(guò)程的高速相應(yīng)，所謂IMCOP的影像性處理器和IPIPE影像流水處理單元也是必不可少的。這三個(gè)部分都存在于ISP中，同時(shí)集成的還有OSD以支持屏幕圖文顯示。并不是所有ISP都可以輕易地把人臉檢測(cè)功能集成進(jìn)來(lái)，而部分企業(yè)開(kāi)發(fā)的ISP還有透霧功能，能有效地支持了智能應(yīng)用。可以清晰還原霧氣、陰霾、雨雪、沙塵暴等天氣下的圖像效果。