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光學工程
光學透霧技術與電子透霧技術

一、光學透霧技術解析

光學透霧技術是由光的不同波段有不同的特性這個特點而形成的,自然光由不同波長的光波組合而成,波長從長到短分別是紅橙黃綠青藍紫其中顏色,其中波長小于390nm的叫做紫外線,波長大于780nm的叫做紅外線。紅外線波長較長,在傳播時受氣溶膠的影響較小,可穿透一定濃度的霧靄煙塵,實現準確聚焦,這就是光學透霧的依據。

(一)鏡頭

從原理可知光學透霧的重點在于對特定近紅外波段光線的截取與準確聚焦,而這部分工作大都由鏡頭完成。可以說鏡頭的好壞決定了光學透霧的效果,鏡頭設計的難度首先在于光學設計,其中包括對光路的把握以及濾波片的選擇等,其次選材與工藝技術也決定了成品的效果。而透霧鏡頭最大的不同在于能承載紅外波段的寬度,即成焦面的寬容度。從原理上,自然是可利用的近紅外波段越寬越好,但是受限于鏡頭光路設計的難度與CCD的感光能力,目前安防業內的鏡頭已知能利用的最長紅外波段為1100nm。

(二)濾波片

了解日夜轉換攝像機的人對濾波片都不會陌生,一般此類型攝像機裝有兩塊濾波片,一塊負責在白天過濾掉可見光之外的光波,令成像更為清晰亮麗;一塊應用在夜晚,負責放行CCD可以承載的紅外波段,實現夜間的紅外監控。

專業透霧鏡頭內置有針對性很強的濾波片,作用是精確截取所需波段的光線,且為了適應特定環境狀況,常常會加載多片針對不同波段的濾波片,并通過485接口與攝像機聯動,實現切換。正常來說,配合透霧鏡頭的攝像機在基礎成像性能上只要具備日夜轉換功能即可,但是考慮到透霧鏡頭高昂的造價,部分攝像機廠家也開始尋求更經濟實惠的光學透霧模式,不同于過去兩濾波片的日夜轉換攝像機,我們創新的在攝像機里邊加入了四塊濾波片,除了實現日夜轉換,還通過增設一塊可選擇性過濾400nm-600nm波段光線的濾波片,實現了強光抑制;當然為了更精確截取適合成像的近紅外波段,也特別增加了透霧濾波片,以實現較為經濟的光學透霧。此機械裝置可由攝像機自動控制,也可人工切換。而集光學透霧和電透霧兩種透霧功能為一身的四濾色片光電聯合智能透霧攝像機,能夠實現兩倍于能見度以上的透霧。

二、電子透霧技術解析

當安防需求從被動檢測發展為主動防御,智能分析依賴的各種圖像處理算法變得舉足輕重起來,其中透霧處理集合了多種圖像算法,是較為重要的一類圖像處理技術。目前已知的透霧算法大致可以分為兩大類:一種是非模型的圖像增強方法,通過增強圖像的對比度,滿足主觀視覺的要求來達到清晰化的目的;另一種是基于模型的圖像復原方法,它考查圖像退化的原因,將退化過程進行建模,采用逆向處理,以最終解決圖像的復原問題。

為了得到更好的處理效果,攝像機廠家會增設專門的圖像處理芯片,可自動偵測圖像的密度,最大限度地保持圖像信號的細節,實現彩色增強、反差增強、邊緣增強、對比度增強和亮度增強,并進行密度分割、去模糊等運算,使不同場景下的攝像畫質得到明顯提高,達到透霧的目的。而根據廠家的能力與研發選擇,會分別選擇在DSP或FPGA等不同芯片上進行相應處理。

芯片會實時讀取視頻流信息,通過對比參數判定是否需要開啟透霧模式,也就是可以達到自動偵測霧氣,甚至可以通過設定的預置模式判定出霧氣濃淡,選擇進入相應的透霧模式。

三、兩種技術的發展分析

(一)光學透霧技術的瓶頸與發展

因為直接利用可穿透霧靄的近紅外波段光線進行成像,光學透霧雖然只能得到黑白監控畫面,但是其成像效果突出,也已在海事、海洋有了不錯的運用;另一方面,受鏡頭高昂成本的限制,雖然近年來平安城市等大型項目甚至民用市場也出現了一定透霧需求,但是其實際數量仍有限。

與此同時,因為技術方面已經較為成熟,所以依靠鏡頭或說光學完成更好的透霧,就需要另辟蹊徑。短期內鏡頭對波長的寬容度很難向1100nm以外延伸,但是如果不用兼顧可見光,在近紅外波段內還可做到一定延伸;所以可以考慮在一套設備中加載兩套鏡頭,正常情況下使用可見光鏡頭,霧天則使用專門的透霧鏡頭,這樣既可保留可見光的彩色畫面,還可把透霧鏡頭的寬容度做的更好,并實現多畫面的對比監控。

(二)一體機芯的出現助力電子透霧

隨著產品走向多樣化,市場也不斷成熟,一體化透霧機芯的出現對于透霧產品的普及可以說是意義重大。近年來發布的一體機心多采用純電子透霧,通過內嵌的FPGA芯片進行運算處理。它可以輸出彩色圖像,此算法可區分遠景近景霧氣濃淡等因素,對每個像素點進行提升,實現區域效果最佳,不同于過去對畫面對比度整體的提高,且沒有延時。而且芯片高速運算必將產生噪聲點,夜間光照不足時影響更為突出。而一體透霧機芯普遍采用CCD傳感器和大光圈鏡頭,以達到良好的低照效果,另一方面也較易達到高清透霧。

過去透霧需求基本都在槍機,但是槍機的監控距離一般較短,而在較短的距離內若非濃霧,畫面不會有太大影響。而一體機的監控范圍更大,加上變焦可選,故而霧靄對它的影響更大。一體透霧機芯的出現,是為了在更大監控距離內實現透霧,且隨著成品化,一體透霧機芯將降低透霧設備的投入,實現更大的應用。


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