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关于监控摄像机透雾技术以及偏振光技术说明
作者:admin     点击:572     添加时间:2016-12-06 09:09:00

关于透雾技术和偏振光技术

    近年来,随着终端用户对图像质量越来越高要求,摄像机市场已经从过去的同质化低端恶性竞争,逐步走向差异化,个性化的发展道路。细分市场出现了超低照度摄像机,超宽动态摄像机,照车牌摄像机,和透雾摄像机等应对不同领域终端用户的专业产品。其中又以透雾摄像机的技术含量最高,利润空间最大。但普通厂商因为研发能力不足,或缺乏资金等原因无法渗透此细分市场,目前全球只有少数几个专业厂商涉足该领域。今天我们就来谈谈透雾摄像机的技术及应用概况。

   透雾原理是这样的,可见光在通过空气中的烟尘或雾气时,会被阻挡反射而无法通过,所以只能接收可见光的人眼是看不到烟尘雾气后门的物体的。而近红外光线由于波长较长,可以绕过烟尘和雾气并穿透过去,并且摄像机的感光元件可以感应到这部分近红外光,所以就可以利用这部分光线来实现穿尘透雾的监控。在不可见光的范围内,有一定频率的红外光可以穿透雾气,但是由于其波长和可见光不同,所以需要在摄像机和镜头上进行处理,以达到对其聚焦的目的,同时还需要在摄像机上进行重新设计,用来将这一频率的不可见光进行成像。由于这个不可见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。透过云雾、水气拍摄物体,相当于透过了两重透镜(水珠与实际透镜),除了R光线可以正确聚焦在CCD成像面上,RGB光线中的GB均无法正常的投射在CCD成像面上,这样就造成了普通模式镜头无法正常、清晰的得到云雾、水气中的图像。

   那么何为透雾摄像机,其主要功能与普通摄像机有什么差异化特征?顾名思义,透雾摄像机就是能穿透迷雾,采集到清晰图像的摄像机。但这个"透雾"从实际应用来讲,也可以透灰尘,透水汽,透细小的障碍物(比如透明罩的轻微脏污和雨水)等。普通摄像机在这些恶劣的环境下图像质量会大幅下降甚至无法采集监控目标的影像,透雾摄像机在这些场合往往能大显身手。

    随着透雾摄像机市场需求量的提升,目前市场上出现了性能不一、监控效果差距较大的透雾摄像机,也就是业内人士俗称的“真透雾”与“假透雾”。都叫“透雾”摄像机,那么真假透雾摄像机有什么区别呢?

  选择“真”透雾摄像机,可以从以下方面来分辨:透雾摄像机需要满足两个条件,一是允许近红外光线进入摄像机,即采用的镜头和滤光片的带通范围要包含这部分红外光谱,二是在摄像机的DSP中,有专门的处理技术,来改善透雾区的信号,提升效果,并且要有若干个等级以供调节,来适应不同的雾气浓度。满足这两个条件的透雾摄像机就是“真透雾”,否则就是“假透雾”。

    最早的透雾系统只有电子部分,准确讲是图像优化处理系统,主要由后端PC对模糊的图像进行有限的优化处理,再现现场。随着DSP技术的发展,人们又把以前在PC上的图像优化系统做成单一的运行程序固化到DSP芯片上,这就是所谓的数字透雾了,因为单纯的数字透雾不会改变色彩,也叫彩色透雾。这是透雾摄像机的萌芽,但这时的摄像机对图像的改善是非常有限。后来随着对光学系统的不断探索,科学家发现不同波长的光在雾中的穿透能力不同,研究人员把这个特性应用到镜头上,通过有选择性的让某些特殊波段的光透过,得到了比普通镜头更好的成像质量,于是透雾镜头诞生了,但透雾镜头的价格很高,为了降低成本,研究人员把这个光学系统移植到摄像机上,从此,普通的非透雾镜头只要搭配透雾摄像机使用也可以达到不错的成像质量,这就是普通透雾摄像机的由来。但此时,透雾摄像机相对普通摄像机仍是非常昂贵,同时操作时,需要用户根据是否有雾等天气情况来手动开启摄像机的透雾功能,当摄像机数量少时还可以应付,但是摄像机数量很多时,这样的不便利就会让普通用户望而却步,从而使透雾摄像机的推广形成了阻碍。

   现在各大厂商推的透雾摄像机主要从透雾镜头演变而来,结构功能上的区别不大,单纯从透雾的图像质量来说也大同小异,一般来说主要包括数字图像增强系统光学图像处理系统,但这两个系统是单独运行的,彼此并不影响,因此绝大多数的透雾摄像系统招标时往往注明要有RS485远程控制功能。这意味着管理员必须每时每刻关注监视器图像的变化,当由一个人管理一个广大的监控区域时(多路图像)就更加尴尬,因为人的视线无法同时关注多个监视器的细节,从而导致很多时候重要画面的缺失。有些管理员为了偷懒干脆24小时开启透雾模式,但因为透雾摄像机的光学特性,此时色彩几乎完全丢失,对于某些客户来说,这也是无法接受的。某些厂商给透雾摄像机增加了一个系统—智能图像分析系统,并且对迷雾、脏污、雨水等各种现实环境进行大量的实际采样并进行仿真模拟,采用模糊智能图像分析算法,对图像进行分析判定,再结合高性能DSP,将透雾摄像机难掌握、难操作,透雾效果不佳等弊病一扫而光。

  在实际运用中,由于采用全自动透雾模式,摄像机会自动分析图像是否有雾或水汽、灰尘、脏污等异常并实时开启预先设定的透雾模式,并且把数字图像增强系统和光学透雾系统进行智能联动,保证图像的清晰透彻。从此,监控管理员无需再24小时死盯屏幕,大大解放了人力,让实际监控效率一下提高了几个级别。

  透雾摄像机的应用前景在哪里?有多大?应用方面最早主要在军方,它弥补了热成像系统的局限性,用清晰透彻的画面及完美的成像现场细节,赢得了军方的青睐。随着环保意识崛起,许多国家对森林及水文监控系统的重视,透雾摄像机得到了一个非常合适的应用场合,开始迅猛发展。

  透雾摄像机目前广泛运用在森林防火,水文监控,海岸监控,边防,战场侦查了望,油田矿场,港口、城市监控,道路监控,航空航天等场合。随着现代网络技术和遥感技术的不断进步,以及成本的不断降低,透雾摄像机将会更多的运用到民用市场,比如交通工具的主动安全防御。未来透雾功能将会成为像超宽动态功能一样应用广泛的功能。

   但是现在的透雾摄像机还只能穿透薄雾,对浓雾及厚的云层仍然无法穿透,随着技术的进步,新的算法、新的零部件将带来性能的进一步提升。

    具体到应用上,过去CCTV镜头还处于300mm以下阶段时,观测距离一般限定在1公里以内,这种应用对天气能见度的要求比较低,但是焦距已经发展到750mm的今天,雾天对监控图像的影响就不得不引起我们的重视了。这种情况尤其是在高速公路、森林防火、油田监控和离海面较近的港口码头等远距离监控中尤为重要。这种环境往往更容易产生雾气,使24小时不间断监控面临新的挑战。

  针对这种情况,少数有设计、研发能力的厂商经过努力开发出了具有透雾功能的镜头,并成功实现了成品上市。这种技术的出现,大大拓宽了视频监控的应用范围,并且是人类依靠聪明智慧战胜自然环境的又一经典案例。市场上少数厂商在不具备生产透雾镜头产品能力的情况下,使用普通的产品充当透雾镜头来销售,宣称具有透雾功能,是极不负责任的行为。当然,在实际测试中无法蒙混过关,最终摆脱不了被淘汰的命运,但给对此功能有需求的用户在产品选择上制造了许多障碍和浪费许多时间。

  视频透雾增透技术是透雾摄像机中针对有雾环境的算法部分。

  视频增透技术,一般指将因雾和水气灰尘等导致朦胧不清的图像变得清晰,强调图像当中某些感兴趣的特征,抑制不感兴趣的特征,使得图像的质量改善,信息量更加丰富。增强后的图像为图像的下一步应用提供良好的条件。

    真透雾摄像机是采用智能图像纠正、光学穿透为核心技术,而假透雾,只要提高摄像机锐度,加2D降噪功能也可以穿透一些极薄的烟雾,但将牺牲它正常拍摄效果,有的甚至用一个所谓的透雾镜头装在普通摄像机上就美其名曰透雾摄像机,但,如遇上不稳定雾、霭、烟气等较恶  劣天气时必将瘫痪,因为它不是专业的透雾摄像技术。

  真正的透雾是在红外波段有一个范围,能穿透雾,在学术上叫子弹光,波长在3-5之间,这个范围CCD是无能为力的,现在的技术主要靠制冷热像,市场上的透雾摄像机也不能称为雾,应该称为霾!因为很多场景表现的明显是近红外的波普特征,大家也可以试试用红外灯在晚上照射树叶,看看树叶是不是能体现出黑白反差的低照度特征,在加上800的滤光片,就能做到‘透雾摄像机’的效果,这跟双滤光片在晚上图片清晰是一个道理。

  所谓的‘透雾摄像机’听起来好像很有技术含量,其实是滤片的生产本身就包含技术,准确的讲,那是一种CCD在阴霾环境下的使用技巧。而透雾那是靠技术的,不管在那里使用,只能说是某些厂家在使用CCD上有了更新的范围,这与技术何干?是在CCD芯片上做改造了还是在电路上做工作了,你无非是加了个滤光片,那就叫技术了?这种‘透雾摄像机’就加个滤光片要人家几万,这不是忽悠是什么?

  第一,所谓的“透雾”是不存在的,那是近红外波段的一种表象,与天气有很大的关系,厂家宣称的透雾只是阴霾,不是真正意义上的雾,我们肉眼看的雾,其实不一定是雾,有可能是霾,雾是水的颗粒,而霾是灰尘与水的颗粒的混合体,霾的密度远没有雾大,这种密度靠肉眼是难以分辨的,所以,在有些所谓的“薄雾”天气,其实阴霾,而霾的透过率要远高于雾,这就是有些人能做到图片清晰,而有些人不能的缘故,其实,是天气环境不同,并不是谁的技术高低。第二,低照度的照度曲线同样在800段,可能有的CCD的敏感度就差一些,所以在选择摄像机时要看是不是真正的低照度,不要被厂家的指标忽悠了,摄像机的动态范围也是影响效果的原因,如果摄像机动态范围不够宽,也会影响效果。第三,滤光片的透过率问题,如果你不能尽可能地遮断可见光,也会影响效果,镜头的选择也是问题之一,要用尽可能长的焦距的镜头,广角镜头是不好用的,还有就是要尽可能用口径大的镜头,如果这些你都注意到了,就应该能出效果的。这里特别注意,天气环境,不要被表象迷惑,透雾摄像机是挑“天”的。

 

 

 

关于透雾的效果,下面给出2个例子:透雾技术展示

可以看出,开启透雾功能后,效果还是比较明显的,但是也只是对薄雾起作用。

透雾技术展示1

这个对比的红外效果更明显,但是上述2个例子无论效果怎么明显,都不可避免的把图像处理成黑白图像了,这个是因为透雾的原理决定的,说到底就是红外线成像。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

偏振光技术

    具体的理论我不多说了,很多我也看不懂,如果感兴趣就去百度,这里只举几个例子,偏振光主要是用来去眩光的。这一点利凌的工程师也证实了这一点,偏振光和透雾没有必然联系。

一 树叶

偏振光

不加滤镜效果

不加滤镜的效果

加滤镜,但是曝光保持不变

加滤镜曝光保持不变

加滤镜,增加曝光。


可见,加了滤镜后,叶面的眩光被滤除了。

 

二 车头

车头滤镜效果展示undefined


不加滤镜效果,请注意挡风玻璃 加滤镜效果,注意挡风玻璃

从上图对比可见,增加了滤镜后,风挡上的眩光被滤除。

 

三 水面

水面滤镜效果展示undefined

 

不加滤镜 请注意上方的水泥台 加滤镜,可以看清楚水面下的水泥台

 

四 机器

机器滤镜展示undefined

无滤光效果,注意红框内的反光

增加滤光片,红框内的反光被滤除了

    偏振光用在监控领域里也是可以提高视觉效果的,尤其适用于公路,港区监控,能有效的滤除眩光,提高监控效果。从这点上来说,我支持您提出的做此类护罩的想法。


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