不要雾里看花

　　雾霾对视频监控系统的影响是直接、直观的，成为“看不清、看不见”的又一重要因素。业界纷纷发声表示关切，并提出解决问题之道，摄像机的透雾技术因此成为热点，透雾算法成了产品竞争的核心技术。但是，大多文章读过之后，却有种雾里看花的感觉。文章对技术原理的论述不很严谨，准确，关键技术的说明不具体、明确，使人看不清“透雾”如何实现。联想到业内对其它技术的论述、理解和报道也有这种感觉，很想说：“对安防技术不要雾里看花。”

　　从透雾技术说起

　　论述透雾技术的文章，都会首先说明雾霾生成的机理和其产生的光学效应。如当空气中积聚了超量的微小水滴和颗粒物时(PM2.5达到一定量值)，就形成了雾霾。雾霾会降低空气的能见度，减小可观察景物的距离和景物的清晰度。还会把这些微小颗粒物理解为气溶胶粒子，由于它对光线的散射作用，导致景物变模糊，边缘和细节分辨能力下降，同时多次散射的作用又使景物图像更严重的劣化。

　　这些论述是正确的，但过分的渲染，会使关于透雾技术的论述成为悖论。因为它对光学图像的损伤是不可逆的，导致光学图像的失真是不可恢复的。

　　雾霾对图像的损伤

　　雾霾造成(景物)光学图像损伤主要包括以下几个方面：

　　空间分辨能力的下降，既是图像模糊，其原因就是上面讲到散射效应。它是不修复的，因此、透雾技术对图像的改善是有限度的，雾里看花又要看得真真切切是不可能的;

　　图像亮度，或景物照度的下降，主要表现在远景目标的亮度降低，原因是雾霾造成空气透光率的降低;

　　图像对比度或反差的下降，整个图像失去层次感。产生的原因所上述各项外，还因为近景图像较高亮度对远景图像的抑制作用。

　　雾霾对图像影响的后两项是可以改善的，这就是目前大家采用透雾技术解决的问题。

　　透雾技术

　　针对上述问题，可以采用的解决方法(透雾技术)主要有以下几种方案。

　　图像处理算法，增强图像亮度、对比度和加大反差。一是提高远景图像部分的亮度，抑制前景图像部分的亮度，二是增强低亮度部分图像的对比度。这种图像处理算法与宽动态技术基本相同，都是通过图像亮度密度分布(直方图)的变换，来改善图像的视觉效果。不同是：宽动态技术主要是提高目标(前景)图像部分的亮度和对比度，抑制背景图像部分的亮度。透雾技术则相反。

　　有些文章提到：采用滤波或图像复原算法来恢复受损的图像，可得到如同没有雾霾影响的清晰彩色图像，还没有充分的理论支持，也没有实际应用。

　　提高光电转换效率，利用摄像器件的光电转换特性，扩大曝光窗口。目前的摄像器件在近红外段(0.78μm-0.95μm)，仍有较好的灵敏度，在正常环境下，为保证良好的彩色还原性，用滤光片把其截掉。而这一段的光线由于波长较长(比之可见光)，对雾的穿透性较好，利用它、可扩大感光的光谱宽度(曝光窗口)，获得较好的曝光效果。

　　因工作在近红外波段，所以要采用宽光谱镜头，以保证在整个波段内，都能将景物准确地成像在摄像器件的焦平面上，或工作在这一波段时，自动微调镜头的后截距，以得到良好的成像。

　　基于上述原理，结合主动照明的方式，可获得更好的效果。利用红外光源照明，并采用波光片去除部分可见光的干扰，可实现很好的透雾摄像。

　　这种透雾技术主要是通过镜头、摄像器件等光学器件实现，包括采用高灵敏度摄像器件，称为光学透雾。而上一种方法称为算法透雾。两者结合应用会得到更好的透雾效果。

　　显然、利用近红外成像的光学透雾技术，生成的是较好的黑白图像。采用黑白/彩色自动转换摄像机，轻雾时，通过算法透雾，仍可获得彩色图像;当雾重时，则要自动转换为黑白方式(将滤光片移去)，通过光学透雾结合算法透雾，获得可用的黑白图像。再次强调：当景物失去了色彩，还要将其恢复为彩色图像既不可能，也无必要。

　　上述技术还可应用于透过玻璃的观察，如观察行驶车辆内的人员情况;也可以用于观察强光环境下的图像，如车灯打开时，观察车辆号牌。

　　被动红外摄像(热成像)技术是一种透雾技术，工作在远红外波段(10μm左右)但其空间分辨能力差，主要应用于特殊探测(火灾、火场)的场合。

　　宽动态有多宽

　　宽动态摄像机是视频监控系统的特色产品，很多厂家把它作为主要卖点。媒体上对宽动态技术的介绍及产品评测、推介很多。感觉宽动态技术越来越复杂、技术指标(数值)越来越高。实际上、摄像器件适应景物照度的能力是有限的，过低的曝光被器件的热噪声淹没，过度的曝光则会溢出，因此、摄像器件可输出图像信号是有限度的(通常0.7VP-P)，可实现的动态范围是有限值的。同时、人眼视觉特性可以适应(接受)的动态范围也是有限度的，不能很好的分辨过低与过高亮度的图像。电视技术依据这个特性，设计了摄像器件的输出范围。同时、人眼分辨图像亮度(差)的能力也有限度。在可接受的亮度范围内，可分辨的层次是有限的。无论电视技术可以把多么宽的亮度范围调节为摄像机的正常输出，人眼可分辨还是哪么多层次，不是说30dB动态范围的图像，可分辨10个台阶的亮度差，120dB动态范围的图像，就可分辨40个台阶。以上因素决定了摄像机的宽动态范围应是有限度的。实际应用时、也并不是指标越高、技术越复杂，效果就越好。

　　实现宽动态的基本方法是控制曝光。在时间域，利用镜头的光圈控制是最适宜的方法，即光学方法;但在空间域，需要对图像的不同区域进行分别的曝光控制(甚至分别控制每个像素的曝光)，是由电路技术实现的。无论哪种方法，实质上、都是通过直方图的变换(均衡或部分峰化)，获得图像视觉效果的改善。

　　高清有多“清”

　　“高清”是视频监控系统(图像技术)发展的必然趋势，视频监控始终追求得到更丰富的图像信息，特别是分辨图像细节的能力，实现真实、透彻的感知。在广播电视高清化带动下，视频监控正逐步实现高清化。特别是九部委联署发布的“关于加强公共安全视频监控建设联网应用工作的若干意见”要求：到2020年，重点公共区域视频监控覆盖率达到100%，新建、改建高清摄像机比例达到100%;重点行业、领域的重要部位视频监控覆盖率达到100%，逐步增加高清摄像机的新建、改建数量。“高清”已成为视频监控系统技术水平(档次)的标志和系统建设的重要目标。

　　高清摄像机

　　对于视频监控，“高清”还是个不确定的概念，包括电视制式，图像格式和分辨能力等。应用较多的摄像机主要有：

　　高分辨率摄像机，在扫描格式(标清电视制式)不变的前提下，提高水平分辨率，目前、可以达到700TVL以上，如960H摄像机。因仍是传统电视制式设备，故称模拟高清。

　　大像素摄像机，摄像器件像素数量很大的摄像机，如200万、500万，甚至更高。通常、它们输出标清视频信号，与标清系统保持完全的互换性。在电子变焦(摄取局部图像)时，仍有很高的分辨率(由于像素多);960H、4K摄像机等以图像格式表示自己的高分辨率，也属于大像素摄像机;有些大像素摄像机，图像帧率较低(达不到电视帧频)，则属数码相机的范畴。

　　高清电视摄像机，广播电视高清的概念。相对于标清电视而言，高清电视的图像分辨率在水平、垂直两个方向上加倍;亮度、色度信号分离处理(标清通过频谱交错技术，两者复合);图像幅型比为16:9。因此、高清电视的扫描方式与基带信号格式与标清电视不同，两者不再兼容，不可互换。目前、主要有720P、1080i的1080P几种图像格式，它们的基带信号是分量信号。

　　还有厂家提出了HDCVI高清制式，通过频分复用的方法实现亮、色复合，因此、可采用同轴视频电缆传送基带信号。这种制式的高清监控系统与传统监控系统相同，属CCTV方式，采用视频矩阵切换。但其视频带宽要比标清系统宽的多，两者也不能完全兼容。

　　可以看到：各种型式高清的图像分辨能力不同，相互不能完全兼容。所以、笼统的讲“高清”，在技术上不严谨、不准确。

　　在通常实时监控环境下(适当的观看距离、动态图像)，高清与标清图像的观察效果差别不大，960H与720P的水平分辨率相同。高清系统的优势是观察局部图像和提取图像细节信息时(将局部图像扩展至全屏)，仍具有很高分辨率;图像个体识别时，高分辨率是重要的条件，如电子警察或卡口系统进行号牌识别时，可得到较高识别率;但、图像行为分析对图像帧率稳定性要求较高，而对图像分辨率要求不高。因此、高清系统设计要明确规定高清的型式，系统评价时，不仅要评测摄像机，还要综合分析系统的各个环节(传、存、显、变换、处理)，判定系统最后实现的效果。

　　高清监控系统的实现

　　高清监控系统的实现，通常有三大标准体系之说(HDCCTV、ONVIF、PSIA)，实质是：

　　网络视频和CCTV两种系统架构。

　　HDCCTV，是HDCCTV联盟(HDcctv Alliance)推出的完整技术系统。由SDI技术派生而来，SDI(串行数字传输链路)是专为广电开发，应用于演播室。将广电高清(HDTV)视频信号进行数字传输，不压缩、不分包，无延迟、无抖动、图像质量好。由于在结构上与传统监控系统(CCTV)相同，可采用矩阵切换，并产生最适合人眼的观察效果，被安防业界视为从标清向高清过渡的最佳途径。但认为两者可以无缝对接是错误的，SDI传输过程是：将并行分量制的基带信号进行并串转换(数字化)，通过一条电缆传送，到显示端再串并转换为基带信号。是超宽带系统，特别是高清(HD-SDI、3G-SDI);传输电缆、切换矩阵与传统系统并不兼容，不可能在标清系统上即插即用。显然、其传输距离有限，长距离传输要与光纤传输结合应用。

　　网络视频，ONVIF与PSIA(两个企业联盟)已成为网络视频协议集(标准)的代名词。在广域系统中，网络视频是主要的选择。这方面的论述很多，分歧很少，这里不再赘述。

　　高清监控系统应用要注意的问题是：与传统系统的集成和实现图像的组合显示。

　　实现高清/标清系统或数字/模拟系统的集成，核心是实现“全交换”。两个系统通常会采用“包交换”和“电路交换”两种方式，且交换的输出是不同的图像格式。故实现全交换很困难，目前、一些平台设备可有多种输入和输出，但都不能实现全交换。

　　图像显示是视频监控系统的重要部分，上述图像交换与之有密切关系。在大屏显示的时代，将各种格式图像组合在一起，统一调度、分配是必需的方式。要将不同格式的图像进行相应的变换，才能实现组合显示。这个过程中，切忌将高清信号下变换为标清信号，或将高分辨图像变换为低分辨图像。

　　综上所述、高清系统的应用不是简单的设备更换。要正确的理解高清的概念，消除一些模糊的认识，采用正确的技术，才能保证高清系统的应用，高清设备的更换得到好的效果，真正享受到高清之“清”。

　　不要雾里看花

　　不要雾里看花，首先是一种态度，科学、严谨的精神。笔者不认为自己的观点一定是正确的，发表出来主要是引起讨论，并强调科学的态度和严谨的作风。

　　安防技术正处于大变革的时代，IT化是大趋势。不断推出的新技术、新产品，为我们提供了更多的选择，也增加了更多的疑惑。面对纷杂的局面，要准确理解新技术、产品的本质，可实现的功能、达到的限值及成熟性、适用性、经济性，才能做出合理、正确的选择。

　　不要雾里看花，不能太肤浅，流于形式，停留在概念上，不敢采用新技术或盲目追求新技术。更不能错误地理解新技术，进行错误的选择。

　　安防行业要正确认识自己，展现自己。不能用一些模糊的概念把安防封闭起来，让别人雾里看花，以产生一种神秘感、神圣感。要顺应技术的趋势，融入公共安全体系，融入社会服务体系，才能得到更好的发展，进入更广阔的市场领域。