透雾霾镜片研究

索国龙1范晓鹏2

青岛黄海学院山东青岛266427

摘要：在雾霾天气情况下，空气中漂浮着大量的细小粒子，会对太阳光线产生较强的散射作用。空气中雾霾对视频监控系统也存在着较大的影响，主要影响有下列几个方面：一是物体表面的反射光因大气粒子的散射而衰减，造成了物体成像的亮度变弱；反射光经过大气粒子的前向散射作用，从而参与其它相素点成像，因此造成图像模糊、分辨率严重下降；二是一部分大气粒子的粒径较大，在成像过程中成为噪声；三是与成像没有关系的自然光线经过大气粒子散射，从而进入图像传感器参与了成像，这种后向散射作用造成了图像饱和度和对比度降低以及色调发生偏移。在这种情况下，我们试着把光学透雾、算法雾霾、光电透雾等技术与玻璃镜片相结合，从而研制出一种方便人们在雾霾天出行的镜片及玻璃，用于广大生活，从而解决雾霾天出行难，交通事故易发的大难题。

关键词：光学透雾、算法雾霾（电子透雾）、光电透雾、镜片

通过查阅资料我们了解到：自然气候中雾的粒径在十几到二十个微米的量级；雾是由水汽组成，而水汽遇冷空气就会结雾，但雾本身不是一种污染。霾，由细小的颗粒物组成，颗粒粒径在微米量级。雾霾给经济造成的影响极为显著。我国雾霾天气逐渐增多原因很多，其中最主要的原因是社会能源消费增多，危害气体排放较多。污染气体的主要来源：汽车尾气、热电排放、重化工生产、冬季供暖、农村燃烧废弃物品、个别地区垃圾焚烧、居民生活，以及地面灰尘。除此之外，人类部分活动产生的一些光化学产物、局部地去烹饪、汽车排放的尾气等造成的挥发性，都会导致雾霾情况发生次数增多。雾霾现象的出现会给健康、气候、环境、经济、交通出行等方面造成极为显著影响，例如：引起区域大气酸雨、光化学烟雾等现象，造成大气能见度显著下降，严重阻碍水、陆、空交通，交通事故频繁发生。

自然光由波长不等的光波混合而成，人的眼镜可见范围大概为390纳米到780纳米之间，在这波长范围之内称为可见光，波段长度不足390纳米的光线叫紫外光，波长超过780纳米波段的叫红外光。各波段的光线因波长的不一样具有不同的特点，红外光的波长较长，因此在传播过程中受到大气粒子干扰的影响比相对较小，能够穿透一定浓度的雾霭，目前马路上的摄像头、监控仪器就利用红外光的光线特点来实现雾霾天对马路上交通安全的监控。了解日夜转换摄像机的人对滤波片都不会陌生，一般此类型摄像机装有两块滤波片，一块负责在白天过滤掉可见光之外的光波，令成像更为清晰亮丽；一块应用在夜晚，负责放行CCD可以承载的红外波段，实现夜间的红外监控。

专业透雾镜头内置有针对性很强的滤波片，作用是精确截取所需波段的光线，且为了适应特定环境状况，常常会加载多片针对不同波段的滤波片，并通过485接口与摄像机联动，实现切换。正常来说，配合透雾镜头的摄像机在基础成像性能上只要具备日夜转换功能即可，但是考虑到透雾镜头高昂的造价，部分摄像机厂家也开始寻求更经济实惠的光学透雾模式，不同于过去两滤波片的日夜转换摄像机，我们创新的在摄像机里边加入了四块滤波片，除了实现日夜转换，还通过增设一块可选择性过滤400nm-600nm波段光线的滤波片，实现了强光抑制；当然为了更精确截取适合成像的近红外波段，也特别增加了透雾滤波片，以实现较为经济的光学透雾。此机械装置可由摄像机自动控制，也可人工切换。而集光学透雾和电透雾两种透雾功能为一身的四滤色片光电联合智能透雾摄像机，能够实现两倍于能见度以上的透雾。同样从原理可知光学透雾的优势在于红外光穿透能力强，不会损失监控主体的细节，图像更清晰。但其劣势也存在：1、由于红外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，所以不适用于必须需要彩色图像的场所；2、光学透雾的重点在于截取近红外光成像，而这部分工作大都由镜头完成，而透雾镜头价格昂贵，过高的成本大大限制了光学透雾在实际项目中的大规模应用。

电子透雾是基于人类视觉感知模型设计的后端图像复原技术，通过ISP算法来修复画面、消除雾感，达到画面更通透的视觉效果；光学透雾利用近红外光成像，由于近红外光波长较长，在传播时受大气粒子干扰较小，能穿透雾霾，从而呈现清晰的图像细节。其实这两种透雾技术并非是应对雾霾天气而开发的新兴技术，早期在森林、港口、码头等区域，由于经常容易起雾，早以通过透雾技术来实现远距离的清晰监控。而随着雾霾来袭，透雾技术渐渐成为高端摄像机的标配技术，如宇视科技全系列室外应用的IPC均支持电子透雾，而最高端的HIC5600系列又在此基础上全线支持光学透雾。

从电子透雾的算法解释中可以看出其优势在于：1、画面色彩得以保留；2、不会增加额外硬件成本。但是电子透雾的劣势也比较明显，第一，是应为可见光穿透能力较弱，所以在遇到水汽和灰尘阻隔时会造成较大程度的散射，造成一部分信息丢失，这种情况即使通过算法修复画面、消除雾感，也无法将丢失的信息全面恢复；此外，电子透雾对不同的算法透雾的效果也各有不同，简单的算法在图像还原效果上有很大的局限性，而复杂的算法对硬件性能提出了更高的要求，而且就目前的图像还原技术整体水平而言，电子透雾只能应用在一般的雾气环境中，一旦雾霾浓度提升，电子透雾的效果就会大大降低。

玻璃镜片，具有比其它材质的镜片更耐刮的特性，但相对的其重量也较沉，其折射率相对高：普通片为1.523（光白，变灰，变茶），超薄片为：1.7（红，白），1.8（红，白，紫），1.9（红，白）最高可达2.0，但是目前用作眼镜片用途的最高折射率为1.9。

玻璃片的光学性质优越，不容易划花，折射率高。折射率愈高，则镜片愈薄。但是玻璃片易碎，材质偏重，在选择镜架的时候，应该尽量选择小一点的镜架，这样就能减轻镜片的重量，保证佩戴的舒适度。

我们了解到的资料跟掌握到的技术并不全面，实践过程中遇到了各种各样的困难，光学透雾、算法雾霾、电子透雾的核心技术与资料未能获取，深层次的研究实验也应条件的有限，未能尝试。特别是光学透雾、算法雾霾、光电透雾与玻璃镜片结合实验，过程中遇到了各种各样的困难，我们虽尽了全力去克服，但仍有一些无法克服的困难，也尝试着各种努力，但最终我们还是以失败告终。

本次实验虽然未能取得理想的成果，但我们不后悔。古语有云：旨在过程，不在乎结果，只要尽了全力，事后不后悔就行。在这次实践过程中，我们也学到了很多东西，面对了一次又一次的失败，坚持了一次又一次，面对队友与老师鼓励，面对失败的一次次打击，我们承受失败打击能力也在不断曾强，相信下次实践过程中我们一定会发挥的更好。

随着透雾技术的不断发展，透雾应用也从原先的国防、海事等专业领域，逐渐向水利、公路以及城市监控民用领域渗透。本文的主要目的就是研讨算法雾霾、光电透雾、光学透雾与镜片的种类、大小、材质、厚度相结合，从而研制出一种便于人们在雾霾天出行，解决雾霾天对人们出行造成的影响。

参考文献：

[1]陈乾.浅谈透雾技术的发展应用.深圳：中国公共安全.2016.