話題大家談:如何應對圖像的二次處理

　　 受邀嘉賓：

　　程敏 浙江大華技術股份有限公司光學圖像部研發經理

本文引用地址：

http://www.eepw.com.cn/article/201612/332972.htm

　　程瑋 海康威視技術支持部產品經理

　　李偉偉 蘇州科達科技股份有限公司市場部產品經理

　　1、光環境應對技術一般包含那些主要技術，其技術原理是什麼?

　　程敏：從感知層面來看，光環境應對技術主要包括光學技術和圖像處理技術兩方面，光學技術主要表現在鏡頭光圈的自動控制、濾光片的自動切換、以及補光燈的使用上，鏡頭光圈的自動控制是指通過自動調整鏡頭光圈大小來改變整體通光量的大小從而使得攝像機感知到合適的亮度的一種技術，濾光片自動切換是指通過改變各種波長的光的透過率從而可選擇性的消除有害光線的一種技術，補光燈主要是針對目標區域進行補光，可以使重點區域的亮度得以提升;圖像處理技術包括寬動態、背光補償、強光抑制、3D數字降噪等技術，寬動態技術通過採用多次曝光技術，經過重新映射處理，獲取比普通相機更大動態範圍的圖像，從而解決一般攝像機存在的明亮區域曝光過度，而黑暗區域曝光不足的問題;背光補償也稱作逆光補償，它可以有效補償攝像機在逆光環境下拍攝時主體區域黑暗的缺陷，從而提升主體區域的亮度和圖像細節;強光抑制技術是指在低照度環境下，遇到背景光極其強烈時採用的一種對強光源進行抑制，突出強光源前的主體物，從而提升過曝區域的圖像細節、保留暗區圖像細節的技術;背光補償和強光抑制都可以看成是寬動態技術在某些特定場景下為達到特定目的的一種圖像處理技術;3D數字降噪主要應用於低照環境下，運用視頻圖像在時域和空域的相關性和稀疏性來抑制視頻圖像的噪聲，從而達到提升視頻圖像信噪比的目的。

　　2、 光環境應對技術主要應用在哪些場景?

　　程瑋：寬動態和背光補償都適用在逆光環境下，可以解決逆光處前景較暗的問題。寬動態一般通過硬體來實現，將多次曝光後的圖像疊加後得到前景明亮、後景清晰的圖像;而背光補償主要通過算法來實現整體畫面亮度的提升，從而提升前景亮度，但往往會造成原本已經夠亮的背景過曝。

　　低照度和紅外都適用於光線條件不好的環境下，低照度主要是通過使用高感光度的圖像傳感器、鏡頭或者提高增益等方式來呈現比較明亮的圖像，不過其要求環境不能完全無光，否則也無法感光;紅外主要用在環境完全無光或光線極弱的條件下，可以通過自帶的紅外燈發出紅外光來照亮物體，從而實現補光。

　　強光抑制主要用於監控夜間行駛車輛前車牌，通過抑制車燈亮度來實現看清車牌的目的，但近年來這項功能已逐步被抑制車燈效果更好的寬動態所替代，所以市場上強光抑制的設備也越來越少見了。

　　3、 光環境應對技術的發展歷程及現狀是怎樣的?

　　程敏：光學器件從最初的一種規格打天下發展到現在已經能應對更複雜的環境、更多樣化的需求，在適應能力提高的同時，也實現了經濟化和集成化，使設備的性價比更高。例如早期的光學鏡頭只能手動調節光圈大小，後來有了DC光圈和Hall反饋型光圈鏡頭，最近又出現了P-iris鏡頭，結合了Hall反饋型光圈功能上的優點和DC光圈成本上的優點;濾光片的種類也在不斷推陳出新，根據不同的應用場景和不同的傳感器特性，有針對性的推出去摩爾紋、去紫邊、去紅燈光暈、抑制局部區域過曝等等特性的濾光片。圖像處理技術早期出現的是簡單的背光補償技術以及空域降噪技術，後期隨著Sensor的工藝水平和ISP處理晶片性能的提升開發了寬動態技術，之後隨著對低照度場景監控的需求提出了強光抑制技術和3D數字降噪技術。

　　4、 模擬時代和網絡時代的光環境應對技術有什麼不同?

　　程敏：早期的模擬攝像機解決的是「看得見」的問題，從模擬攝像機發展到網絡高清攝像機，人們的思想觀念逐漸從「看得見」轉換到了「看得清」，網絡高清攝像機對整體清晰度和細節還原的要求更高，應用場景也更豐富多變，這就要求設備有極高的適應能力，可以說在網絡高清時代，光環境應對技術的要求更多樣化、手段方法更豐富、技術難度也更高。

　　程瑋：現在的監控以網絡為主，網絡高清產品的更新換代速度也更快，而基於網絡高清產品的光環境應對技術的發展也比模擬時代更快速，效果也更好。

　　5、 光環境應對技術現在發展是否已經成熟?

　　程敏：技術始終在進步，應用需求也一直在跟著變動，所以光環境應對技術還有很大的提升空間。

　　6、 各公司產品光環境應對在測試中實際效果差別很大，您認為有哪些主要因素?

　　程敏：目前，各廠家的光環境應對技術都是以自主研發為主，因此所採用的技術也不盡相同。例如在光學方案及器件的選用上差別就比較大，一是所用鏡頭不同，在光圈大小與控制、強光控制等方面上差異比較大，二是其它光學器件比如濾光片的效果存在差異，三是在照明補光方面也有差異。除此之外，在圖像處理算法上，各廠商紛紛提出了自己的解決方案，這裡也是專利產生數量最多的一塊。這就導致了各產品在光環境的應對測試中實際效果差別較大。

　　李偉偉：比如寬動態：分為數字寬動態、2幀合一、3幀合一、4幀合一寬動態技術，不同的技術其效果也不盡相同，即使採用相同的技術，不同場景的處理方法上也有差異，因此造成一些差別。

　　另外，自適應性也非常重要，有些場景下光線呈現並非全天候一個狀態，因此需要攝像機具備良好的智能檢測技術，可以做大自適應啟動寬動態、強光抑制等功能，達到全天候最佳效果

　　7、 晶片、傳感器、鏡頭等硬體對光環境應對技術有哪些影響?

　　程瑋：晶片平臺決定了攝像機的性能、圖像處理能力、處理運算速度等;傳感器決定了攝像機感應光能力的強弱，好的傳感器靈敏度高，感光性能好;鏡頭決定了進光量、通透性等因素。

　　8、近期SVAC、H.265等新標準的應用、4K等新技術的發展對光環境應對技術有哪些影響?

　　程敏：近期，H.265、SVAC、4K等新標準、新技術不斷湧現，對圖像的解析度提出了更高的要求，解析度更高的高清鏡頭隨之而來，圖像處理的數據量大大增加，這對寬動態和3D數字降噪技術的處理性能提出了更大的挑戰，急需要研發出在處理效果和性能兩方面都滿足要求的新技術。

　　程瑋：H.265、4K等技術和光環境應對技術是相互促進的關係，未來的發展趨勢一定是朝著更高清的方向去發展，圍繞著超高清攝像機相應的編碼效率、圖像效果都需要得到提升。

　　9、光環境應對技術的提升空間在哪裡?

　　程敏：從光學上來看，當前主要是全局處理，調節的是整體亮度，而實際需求往往是只需要降低局部小區域內的亮度即可，因此需要研發出具有局域特性的光學器件;從圖像處理的角度來看，提升寬動態技術的自適應能力，解決多次曝光合成的寬動態效果中的運動區域補償問題，以及進一步提升傳感器的信噪比，有效區分運動和靜止區域噪聲等等都是目前正在研究的課題。另外，以道路監控為例，夜間爆閃燈的光汙染是很嚴重的，未來如果在此方面進行變革，那設備應對低照環境的能力就要有很大的提升。

　　10、該技術在實用中經常遇見的問題有哪些?該如何避免這些問題?

　　程敏：實際應用中經常會遇到一些光線條件很極端的場景，比如晨昏時分太陽接近地平線，強烈的陽光直射到鏡頭內導致畫面上半部分過曝和嚴重的雜光，此時單靠設備本身是調整不過來的，這種情況需要通過對現場環境的觀察選擇合適的安裝位置、調整設備的方位角、利用護罩的遮光作用等方法把強光源的幹擾給排除掉。

　　11、具備光環境應對技術的產品在選型時，有哪些注意事項?

　　程瑋：星光級超低照度攝像機是目前低照度領域夜晚監控效果最好的一類攝像機，因其出色的夜晚成像效果，廣泛應用於平安城市、平安鄉鎮、交通、金融、高檔樓宇、住宅小區、校園、港口、高速公路、街道等對攝像機性能要求比較高但又不宜外加補光設備的環境下。例如夜晚道路監控行駛車輛前車牌的場景，有些城市居民會覺得加了補光燈後造成光汙染，比較排斥補光設備，而紅外攝像機照射車牌後，車牌的特殊材質會導致反光，從而看不清車牌細節，所以如果要看清車牌並不適合用紅外攝像機，星光級超低照度攝像機一出現，就立刻成為平安城市道路監控炙手可熱的機型，只需要利用一些微弱的路燈或環境光來進行補光就可以呈現明亮的圖像，達到看清車牌的目的。

　　當環境光暗到一定程度時，紅外攝像機會自動開啟自帶的紅外燈，主動發射紅外光，照亮監控目標，再通過採集場景中原有的光線及反射回來的紅外光，從而生成圖像，是一種主動式紅外。這時我們所看到的是由紅外線反射所成的影像，而不是可見光反射所成的影像，這樣就可以拍攝到黑暗環境下肉眼看不到的物體，也就是人們常說的可以達到0lux。但是，如果是比較空曠的環境，紅外燈沒有可反射的物體，這樣在圖像的顯示效果就不會很好了。對紅外攝像機來說，紅外燈的壽命是用戶普遍比較關注的問題，而溫度過高是導致紅外燈失效的主要因素之一。有研究表明，溫度每降低10°，紅外燈的壽命可延長1年。因此，紅外燈電路的散熱設計、功率大小都至關重要，尤其是遠距離紅外，距離越遠，紅外燈的功率越高，熱量也會越大，當溫度高到一定程度，甚至會影響到攝像機圖像傳感器的效果。這是紅外攝像機主要存在的問題。

　　程敏：在選購產品時，首先明確自己的需求，根據使用環境、所需功能等方面來考慮需要什麼樣的產品，這樣在選擇時比較有針對性，比如低照環境需搭配大光圈的鏡頭，霧天環境需配置有透霧功能的產品，走廊環境需要有P-iris功能的設備等等;其次是對比同類型產品的各項指標情況，不能單從宣傳上看，比如強光抑制或寬動態效果，最好能對比各產品的實際效果然後再做選擇。

　　12、各公司在該類技術的研發有哪些投入?

　　程敏：投入了大量資源進行相關技術的研究，包括鏡頭、補光燈等光學設備的研發，以及ISP圖像處理算法的研究，並提供各種實驗條件進行光學方案和圖像效果的測試驗證，取得了很多的突破，確保了在效果上不輸與競爭對手的同時，在成本價格上相比國外同類產品具有絕對的優勢。

　　程瑋：設立了自己的研究院，其中就包括了光環境應對技術的圖像處理研發團隊，採用最先進的硬體晶片，結合海康威視自主研發算法，可以實現優異的圖像效果。

　　李偉偉：目前，科達與光技術有關的智能交通前端產品包括微光電子警察系統、四合一電子警察系統。科達微光電子警察系統選用低照度元器件，並增強了圖像處理的算法，因而無需任何補光設備即可採集高清晰圖像，徹底杜絕傳統電子警察的閃光燈帶來的光汙染問題;科達四合一電子警察系統的補光設備採用了專利技術，其閃光燈功率是36J,閃光時間為0.3毫秒，相比市場上大部分閃光燈的功率是200J、閃光時間長達3毫秒，科達電子警察系統的補光效率領先了同行10倍。

　　13、國內相關技術與國外有差距嗎，如果有，差距在哪裡?

　　程敏：國外對光環境應對技術研究開始得較早，技術積累較成熟，比如像AXIS這樣的國際巨頭，最早推出Q1602低照度槍機和Q1604寬動態槍機，近期又推出了Q1635自動寬動態設備，自適應效果處於行業領先地位

　　海康威視：目前在光環境應對技術這部分，國內外的差距已經不明顯了。國內很多品牌的光環境應對技術效果已經可以和國際媲美。