一、引言

　　自1988年中国第一条高速公路“沪嘉高速”建成通车以来，中国在高速公路方面的建设可谓是突飞猛进，据统计2011年中国高速公路总里程达到7.41万公里，跃居世界排名第二。随着高速公路规模的逐步扩大，国家对公路的交通安全也越来越重视，视频监控系统在高速公路上也将发挥越来越重要的作用。高速公路与一般的公路相比具有很大的不同，由于车流量大、行车速度快、雨雪大雾等天气很容易造成高速路上的阻塞或事故，因此对路况的管理和监控系统提出了很高的要求。虽然监控摄像头在很多领域能够代替执勤人员的现场监控，然而普通摄像头的调节能力远不及人眼，遇到上述情形就更加无法应对，所以市面上出现了针对不同场合的特种镜头，如：夜视摄像头、透雾摄像头、强光抑制摄像头、超宽动态摄像头等。然而这些特种摄像头价格昂贵且有很大的局限性，以透雾摄像头为例，经过透雾摄像头处理后的画面大多为黑白图像，并且透雾摄像头只能处理薄雾画面，面对浓雾情况就更加无能为力了。

　　针对于特殊的监控场景，透雾及低照度清晰化增强引擎技术和任意帧率插帧运动补偿技术能够很好地应对大雾、雨雪阴霾等气候条件以及运动丢帧对安防监控所带来的影响。将这三大处理功能放在监控后端的监视器上作为显示输出，这样比在前端摄像机上做相应的处理具有更大的灵活性和伸缩性。

　　二、透雾低照度及运动补偿技术在监视器上的实现

　　（一）透雾及低照度技术实现

　　1．算法理论背景

　　透雾及低照度清晰化增强引擎技术是模拟人眼感光细胞的成像特点所开发出来的图像处理芯片。人眼视网膜有四层主要的功能细胞，从前到后分别是：色素细胞层、感光细胞层、双极细胞层和节细胞层，如图1所示。

图1 人类视觉细胞层次图

　　在人和大多数脊椎动物的视网膜中存在有两种感光换能系统。一种称为视杆系统或者晚光觉系统，它是由视杆细胞、双极细胞和节细胞组成的感光换能系统，由于视杆细胞对光敏感度高，能在夜晚昏暗条件下感受光刺激引起视觉；另一种由视锥细胞、双极细胞和节细胞组成，称视锥系统或昼光系统，这是由于视锥细胞对光的敏感性比较低，只能在白昼强光下才能产生视觉，不过它可以分辨出不同的颜色，能看清物体表面的细节和轮廓，所以空间分辨能力比较强。由于视锥系统对光的敏感性比较低，因此只有在白昼光下才能引起视觉，但它能够辨别颜色，能够看清物体的细节和轮廓，空间分辨能力比较强，利用这样的特性适合开发透雾处理算法。而视杆系统对光的敏感度比较高，能在夜晚昏暗条件下感受光刺激而引起视觉，利用这样的特性适合于开发低照度增亮处理算法。

　　2．透雾及低照度清晰化增强引擎技术

　　透雾及低照度清晰化增强引擎技术就是采用上述的视网膜模拟图像清晰化增强引擎技术，其原理在于人眼看清楚物体是靠物体反射回人眼的光来确定的，在雾天或者夜间物体反射回人眼的光线减少因而导致看不清楚时，图像清晰化增强引擎可自动根据监控画面白雾或者在光较暗的情况下进行特殊数字运算处理，对图像画面的白雾进行去除或对光较暗的画面进行亮度提升增量，从而还原出图像清晰、色彩亮丽的画面。

　　对于透雾的处理，人眼能够看到雾的效果是因为空气中有水汽或者是悬浮颗粒等，在光被物体反射进入人眼的途中被这些物体所折射或者反射因而造成了视觉模糊现象。在光的颜色分布中，红色光处于长波、绿色光处于中波、蓝色光处于短波，我们都知道短波容易被阻隔或被细微颗粒反射，那么透雾处理就可以根据这种基本颜色特性和视网膜虹膜模拟图像清晰化增强引擎技术进行算法的开发。

　　对于低照度的处理，在低亮度环境条件下由于通过前端采集过来的图像的光亮度低于一定的值，因而使摄像机输出视频信号的电平低于规定的数值时，监视器上就会出现一幅层次感不强、光亮度不够的灰暗图像，而且图像的噪声也比较大。利用虹膜模拟机制通过光亮度增强和噪声降低处理即可还原出清晰亮丽的画面，这样在前端采集过来的灰暗图像通过低照度芯片处理后就能够在后端监视器上正常显示了。

　　3．处理效果及技术特点

　　视频信号经过透雾芯片的透雾处理后能够在很大程度上对雾进行去除，经测算，在200m的可视范围内对薄雾的去雾率能够达到99%，对中雾的去雾率能够达到90%，对浓雾的去雾率达到80%。去雾效果前后对比如图2所示。从去雾效果来看，处理效果能够很逼真地将原本色彩还原回来，并且从整个画面效果来看已经对薄雾完全去除了。

图2 透雾处理对比图

　　低照度芯片对视频信号的处理在微光条件下，亮度增益最大能够达到49.3dB，因此处理后能够对夜间低亮环境进行很好的增亮处理，效果如图3所示。通过低照度芯片处理后能够将夜晚低亮高噪声的图像增亮还原，从而可以分辨出物体外观细节等信息，这对于夜晚监控条件不好的情况下是很适用的。

图3 低照度处理对比图

　　在监视器上加入透雾低照度处理芯片后能够很大程度地提升监控画面质量：透雾功能主要适用于下雨天、大雾天及灰霾等天气情况下的室外监控，对画面的清晰度有较大的提升；低照度功能主要适用于夜间或室内光线较暗的情况下，对亮度提升有较大改善。这两种功能在技术上采用全彩色处理，这样很大程度上保证了图像的真实性，从画面效果上看不出明显的处理痕迹；而且在对画面的矫正处理上是自适应逐像素动态范围校正，每个像素采用不同的颜色调整曲线，而不是线性的颜色调整，这样从整体上保持了画面细节的锐利和完好，符合人眼视觉感知的特点；另外，处理过程中修复了过亮或过暗的图像，而对于亮度平衡的图像则不做处理，这样不会使人在感官上有突兀的感觉。

　　（二）运动补偿技术实现

　　运动补偿技术是依据输入信号的帧频，通过一定的数字核心算法，利用插帧技术，在两个相邻的视频帧中再插入一帧或多帧，有效消除图像解码处理后出现的停顿、锯齿及拖尾现象，从而使整个画面更加平滑、流畅。运动补偿算法能够有效侦测原始图像的帧率，通过预存帧来侦测到动态帧率值，根据原始帧率和目标帧率制定插帧原则，同时根据预存的数帧图像数据进行运动方向矢量估算，从而实时地计算整帧场景的移动和场景中物体移动的速度和方向，然后通过插帧补偿算法计算出所要插入帧的数据，效果如图4所示。

图4 运动补偿效果对比图

　　任意帧率插帧运动补偿能够支持最高1080P、WUXGA分辨率以及不同的刷新率，运动补偿算法利用了任意帧转换技术能够把任意频率的帧频调整为60Hz，这样对处理网络视频采集过来易丢帧的图像有了更好的适应性，而且对高清画面也达到了很好的处理效果。

　　三、透雾低照度及运动补偿监视器在高速公路上的应用

　　交通安全管理一直是国家重点关注的地方，国家也出台了很多相关的措施和方案来应对交通安全问题等给人民带来的损失。随着国民经济收入的提高，人们自购车辆也在激增，这给交通上带来了很大的压力，尤其是高速公路的交通压力。由于高速公路的特殊性，一般高速公路都修建在城郊偏远地区，周围环境比较简陋，而且公路沿线也比较长、路上行车速度比较快，这样如果遇到交通事故后果也将比一般的公路严重，因此高速公路的安防监控系统对道路事故预警显得更加重要。在高速公路上安防监控是多元化的，监控的功能也多种多样，针对雨雪、大雾及灰霾天气情况的透雾功能监视器，针对夜间或光线较暗情况下的低照度功能监视器，针对图像丢帧或者图像画面拖尾情况的运动补偿功能监视器，这些技术能够很好地解决高速公路监控上所遇到的特殊气候或环境情况所带来的不利影响。

　　（一）透雾功能监视器在高速公路上的应用

　　雾天对高速公路的正常行车会带来很大的危害，由于雾天人的可视距离有限，对前方路况及车辆情况不明，在行车过程中很容易造成交通事故。据统计，大雾天交通事故发生率是平常的4倍，而且损坏程度和死亡率也比平时高。普通的监控系统在正常天气情况下能够很好地应对高速公路上交通的监控，但是遇到大雾等恶劣天气就无能无力。传统的解决方案是采用透雾摄像机，也就是在摄像机中做透雾处理，然后将处理后的画面送入高速公路监控中心的显示终端。但是这样的解决方案需要更换以前没有透雾功能的摄像机，这样在项目执行上需要安排大量的人手进行设备的更新换代，我们都知道在高速公路上监控摄像机的安装都是分散而非集中的，而且在道路上进行更换容易对交通车流造成影响；另外，透雾摄像机需要配备专门的透雾镜头来使用，而且透雾摄像机要比普通摄像机贵很多，这样必然会增大经费方面的投入。如果我们将处理放到显示后端的监视器上来处理，就很容易解决上面遇到的问题。根据前面的介绍，前端视频信号直接通过监视器的透雾处理芯片的处理后，在液晶屏上显示的画面将会把雾的效果去除，相当于给每一台摄像机安装上了透雾处理芯片。

　　从应用角度来看，透雾监视器不会对无雾效果的视频信号产生影响，在正常的天气情况下，监视器画面效果跟普通高清监视器没有任何区别。在高速公路安防监控中，由于沿线的路段比较长而且执勤人员不能及时巡视，这样只能通过网络摄像机对监控区域进行查看，而高速公路的沿线又是容易产生雾气的城郊或田野，通过前端采集过来的信号在透雾监视器上处理后能够还原出清晰的路况画面，这对路况预警将会起到很大的作用。

　　（二）低照度功能监视器在高速公路上的应用

　　夜间低照度条件下的高速公路的监控一直是安防监控领域发展的一个瓶颈，目前的解决方案一般是采用低照度摄像机或主动与被动红外技术，由于低照度摄像机在夜晚零照度的情况下几乎发挥不出监视效果，所以通常采用的是红外摄像技术。而红外摄像技术主要有被动红外技术、普通红外补光技术和激光红外补光技术，所有的红外技术是根据一条物理定律，所有绝对零度以上的物体都有红外辐射，然后红外摄像技术通过捕捉红光后处理成像。三种红外技术的应用原理都是差不多的，只是具体的实现效果会有较大的差别。虽然红外技术能够在照度非常低的情况下对画面进行还原，但是图像的还原性不高，且画面类似于高曝光的成像画面。

　　在微光监控条件下，低照度功能监视器有更好的适应性。低照度功能监视器在高速公路的监控中主要运用在收费监控系统上，主要是对收费站车道、收费广场、收费亭等收费情况的监控。在夜晚微光下，进入收费车道的车辆由于前照灯光的照射，对摄像机的图像采集会有比较大的影响，导致看不清车牌等车辆信息，不过经过监视器的低照度处理后会将强光减弱、微光增加照度，处理后的图像会变得柔和逼真，这样监控中心就可对可疑车辆、超速闯关等危险车辆实施有效监管。一般来说，在收费站附近由于车辆比较密集而且流通性也比较大，很容易发生特殊情况，在传统的低照度监控系统中不容易对画面进行真实还原，而普通摄像机对上述情况的监控就更加不能应对。低照度监视器不需要红外摄像机的配合，它是直接利用监视器中的低照度处理芯片对采集过来的视频图像进行处理和还原，以达到夜间安防监控的目的。

　　（三）运动补偿功能监视器在高速公路上的应用

　　在行车速度比较快的高速公路上，通过监控系统采集到的画面会出现拖尾、抖动等不流畅的现象，从而影响监控效果。产生这种现象有很多方面的原因，一方面是所拍摄的车辆等物体运动速度过快，而摄像机在工作的过程中对画面的采集会有一定的周期间隔，所以这样一个运动过程的图像是不连贯的，不过人眼会对运动物体有一个反应时间，如果运动画面的间隔小于这个反应时间人眼是感觉不到的，但是拍摄画面的相邻帧之间间隔比较长的话就会导致拖尾、停顿的现象；另一方面，在高速公路上的监控摄像机大都采用的是网络IP摄像机，视频流通过网络传递到视频监控中心，在传输和采集后视频的质量会很容被网络情况所影响而导致丢帧等现象，这样就会产生视频的停顿和拖尾。

　　随着高速公路建设规模的扩大，城市之间正逐步建成高速公路网，车流量的增大也会提升高速公路潜在的事故发生系数，在高速公路的主干道上对超速车辆的预防是高速监控的重点，如果在监控画面中因为车速过快而产生画面拖尾现象，这对超速车辆的预警是很不利的。运动补偿技术正是顺应这种情况而投入研发的，在多角度的视频拍摄中，画面不会由于车辆远近和速度的不同而产生不连贯效果，在经过差帧补偿算法处理后，不管是由于摄像机和网络问题而导致的画面丢帧还是车速过快而处理不及时，视频画面都会被还原成清晰流畅的效果。

　　（四）三大功能监视器在高速公路上的应用优势

　　1．高清化

　　高清安防是安防业发展的趋势，在高速公路上监控图像质量要达到很高的要求，透雾、低照度和运动补偿芯片是作为一个硬件模块安装在创维高清监视器上的，芯片能够处理目前显示领域里的1080P最高分辨率的图像，在图像处理质量上有绝对的优势。

　　2．还原性

　　监视器的还原性是衡量监视器处理图像能力的一个重要指标，所谓的还原性是指还原真实画面效果的一种处理能力。在传统的透雾摄像机、低照度摄像机等特种摄像机对图像经过处理后，画面失真度会很高，这样在高速公路的监控中会带来相当不利的影响。而透雾、低照度和运动补偿监视器中所采用的处理芯片是根据视网膜虹膜模拟算法，加上局部图像特征识别技术开发推出的，在还原性上有很大的优势体现，在高速公路的应用上能够适应于路面大雾阴霾或者微光等天气情况下的监控。

　　3．兼容性

　　在安防监控中需要摄像机和监视器的配合工作，在传统的安防监控中监视器只是做单纯的显示处理，而把功能处理放到了摄像机中，这样在需要用到这三种功能的时候就要对原有的没有特种功能的摄像机进行更换。将处理功能放到了监视器中就解决了这种问题，运用起来非常的灵活。

　　总的来说高速公路上面的安防监控已经进入了多元化的发展时期，各种特种摄像机、智能监控系统及预警系统等先进技术应运而生。透雾低照度监视器和运动补偿监视器是着眼于图像画面的处理所开发推出的，这三种功能在传统的摄像机上也有所体现，不过也各有各的优缺点，我们的目的是在应用上将控制处理放在后端监视器上，这样就不存在兼容性的问题，对建设成本上将会有很大的节省。

　　四、结语

　　高速公路是现代交通的标志，它不仅仅是速度和效率的代表，也是一个国家综合实力的象征，在全国高速公路网络化建成后，四通八达的高速公路网为人们的出行带来了方便，也促进了中西部的经济的发展和建设。不过在这样大好的发展背景下，高速公路安全问题也将是国家关注的重点，高速公路是交通事故多发点，而且事故的严重程度也是普通道路的数倍。安防监控在高速公路的安全预警工作上有着举足轻重的地位，在当前众多安防产品的市场争夺下，各种各样的监控产品不断问世，正是在这种压力下，创维群欣开发出了透雾低照度监视器和运动补偿监视器，这三大功能性监视器能够应付高速公路上出现的特殊气候现象和路况情况进行安防预警，为高速路上的驾车人员提供安全保障。这样一种高稳定、高清新以及适应性强的安防产品必将在高速公路的安防监控中得到广泛的应用。