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低照度摄像机技术解析

落鹤生 发布于 2014-09-24 09:17 点击:次 
超低照度摄像机通常指感光度较好的摄像机,只需要一点点光,就可以呈现比较明亮的图像。而星光级超低照度 摄像机是目前在夜晚监控中效果最好的一类摄像机,因其出色的夜晚成像效果,广泛应用于“平安城市”、“平安乡镇”、交通、金融、高档楼宇、住宅小区、校 园、港口
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无“星光”,何以洞悉一切——低照度摄像机技术解析

  文/程玮 杭州海康威视数字技术股份有限公司

摘要:超低照度摄像机通常指感光度较好的摄像机,只需要一点点光,就可以呈现比较明亮的图像。而星光级超低照度 摄像机是目前在夜晚监控中效果最好的一类摄像机,因其出色的夜晚成像效果,广泛应用于“平安城市”、“平安乡镇”、交通、金融、高档楼宇、住宅小区、校 园、港口等对摄像机低照度性能要求比较高但又不宜外加补光设备的应用环境中。

  近年来随着“平安城市”项目的不断增多,摄像机夜晚低照度的效果也越来越多地受到人们的关注。夜间画面是不是够亮,能不能看清车牌,已经成为评判一款摄像机效果好坏最重要的指标之一。因此,很多“星光级”超低照度摄像机纷纷涌现出来,成为“平安城市”视频监控系统炙手可热的机型之一。那么,究竟什么样的摄像机才能被称为“星光级”?它到底有哪些关键的技术?可以实现怎样的监控效果呢?

  何为星光级超低照度

  照度是指单位面积上接收到可见光的光通量,通常以Lux为单位。在监控行业,通常用“最低照度”值来表示摄像机的感光度或灵敏度,简单来说,这 个值可以用来标称摄像机在多黑的条件下还可以看到可用的图像。在全黑的房间里,用摄像机对着被测物,然后将灯光慢慢调暗,直到在显示器上看不清被测物为 止,此时照度计上显示的照度值,便是该摄像机的最低照度值。

  根据摄像机的不同照度值,可以对它们进行分类。以摄像机正常工作照度范围划分为普通型,其最低照度值在0.1-1Lux间;月光型,其最低照度 值在0.01Lux左右;而星光型就需要达到0.001 Lux以下了。在同样的光照条件下,与普通照度的摄像机相比,星光级超低照度摄像机可以呈现更加明亮的图像(图1),在0.1Lux光照下,左边为普通照 度摄像机的监视效果,右边为星光级超低照度摄像机所呈像的效果。

  另外,如果不从效果上进行考察,而是从参数上对摄像机的最低照度值进行考察,还需要看这个指标是在什么样的条件下测得的。以枪型摄像机为例,枪 机最低照度值的完整表述方式通常是:彩色0.01Lux@(F1.2,50IRE,AGC ON);黑白0.001Lux@(F1.2,50IRE,AGC ON)。首先,有彩色和黑白两种模式下的照度值,黑白模式下摄像机灵敏度会更高,因此最低照度通常要比彩色模式下低一个数量级;其次,还需注意摄像机所使 用镜头的F值、视频信号测量点评值、AGC的状态,只有当这些条件相同时,比较两个摄像机的低照度的值才有意义;最后,还需注意的一点是当红外摄像机开启 红外灯时,通常认为它的照度值是0Lux。
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 图1 同样光照条件下普通摄像机和星光级摄像机成像效果对比

  选择星光级摄像机的理由

  夜间监控摄像机主要分为红外摄像机、热成像摄像机及超低照度摄像机三种类型。这三类摄像机因各自不同的成像原理,可应用于不同的监控环境中。

  红外摄像机

  当环境光线暗到一定程度时,红外摄像机会自动开启自带的红外灯,通过主动发射红外光,照亮监控目标,再通过采集反射回来的红外光,从而生成图 像,是一种主动式红外。这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像,而不是可见光反射所成的影像,这样就可以拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的物体,也就是人 们常说的可以达到0Lux的照度值。图2就是普通摄像机和红外摄像机在无光环境且距离为50米下的监控效果对比。因此,如果是比较空旷的环境,红外灯没有 可反射的物体,这样图像的显示效果就不会很好了。

  对红外摄像机来说,红外灯的寿命是用户普遍比较关注的问题。而温度过高是导致红外灯失效的主要因素之一,有研究表明,温度每降低10℃,红外灯 的寿命可延长1年。因此,红外灯电路的散热设计、功率大小都至关重要,尤其是远距离红外,距离越远,红外灯的功率越高,发热量也会越大,当温度高到一定程 度,甚至会影响到摄像机图像传感器的效果。这是红外摄像机存在的主要问题。


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图2 普通摄像机和红外摄像机在无光环境且距离为50米下的监控效果对比

  热成像摄像机

  自然界中,一切高于绝对零度(-273℃)的物质每时每刻都在源源不断地向外辐射与自身性质、温度相关的电磁波,我们称这一现象为热辐射现象。 不同温度下,物体所发出热辐射的波长不一样。热成像摄像机的探测机理是利用目标和背景或目标各部分之间的辐射差异形成的红外辐射特征图像来发现和识别目 标,通常是由对红外光透明,不透过可见光和紫外线的高纯锗单晶材质镜头,同时利用热红外探测器将红外辐射转变为电信号。

  因为热成像摄像机的特殊工作原理,其成像不受光线影响,适用于完全黑暗、强光、逆光、眩光等环境之中,能清楚分辨不同物体、识别伪装及隐蔽的目 标。相对于普通摄像机而言,热成像摄像机拥有更远的探测距离,根据选配镜头焦距的不同,最远监控距离可以达到几公里以外。另外,热成像摄像机可以探测不同 温度物体发出的不同波长的红外热辐射,从而辨识物体表面的温度。不过,由于需要吸收物体辐射的能量才能成像,因此如果被监控物体和摄像机之间有阻隔物的 话,会影响其成像效果。

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图3 普通摄像机和热成像摄像机在无光环境下的监控效果对比

  超低照度摄像机

  超低照度摄像机通常指感光度较好的摄像机,只需要一点点光,就可以呈现比较明亮的图像。而星光级超低照度摄像机是目前在夜晚监控中效果最好的一 类摄像机,因其出色的夜晚成像效果,广泛应用于“平安城市”、“平安乡镇”、交通、金融、高档楼宇、住宅小区、校园、港口、高速公路、街道等对摄像机低照 度性能要求比较高但又不宜外加补光设备的应用环境下。例如在道路监控看车牌的场景中,有些城市居民会觉得加了补光灯后造成光污染,比较排斥补光设备,而红 外摄像机照射车牌后,车牌的特殊材质会导致反光,从而看不清车牌细节,所以如果要看清车牌并不适合用红外摄像机,星光级超低照度摄像机的出现,立刻成为 “平安城市”道路监控中炙手可热的机型,只需要利用一些微弱的路灯或环境光来进行补光就可以呈现明亮的图像,达到看清车牌的目的。图3就是星光级超低照度 摄像机在夜晚看车牌的效果图。

  如何改善摄像机在夜间的监控效果

  要提升摄像机夜间监控图像的亮度,除了外加红外灯或白光灯补光之外,还可以通过调节摄像机自身的一些硬件或参数设置来进行提升。

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图4 星光级超低照度摄像机夜间监控车牌的效果

  采用灵敏度高的图像传感器及镜头

  这是通过硬件改善的方式来提升摄像机在低照度环境下的夜视效果。

  镜头作为摄像机的重要组成部分,其是光线进入摄像机的第一道“关卡”, 其摄取光线的多少直接决定了成像的清晰度。而通常用“进光量”的大小来衡量镜头对光线的摄取能力,镜头的进光量可以用F值(光阑系数)表示。F值=f(镜 头焦距)/D(镜头的有效光圈口径),它与口径成反比,与焦距成正比。在焦距相同的条件下,选择光圈口径越大的镜头,镜头进光量就越大,也就是需要选择F 值越小的镜头。常见镜头的光阑系数有F1.2、F1.4等。

  图像传感器是光线进入摄像机的第二道“关卡”,从镜头透进的光线会在这里转化成电信号。目前主流的传感器有CCD和CMOS两种,CCD的制造 工艺较为复杂且技术垄断在几个日系厂家手中,成本较高,其在灵敏度及信噪处理等方面的表现优于CMOS,而CMOS则具有低成本、低功耗以及高整合度的特 点。但随着CMOS技术的不断发展,CCD和CMOS之间的差距正在逐渐减小,新一代的CMOS已经极大地改善了在灵敏度方面的不足,成为高清摄像机领域 的主流,现在市面上的星光级超低照度网络高清摄像机基本上采用的都是高灵敏度的CMOS传感器。另外,传感器的尺寸大小也会影响其低照度效果,在同样的光 照条件下,尺寸越小,像素越高的摄像机低照度效果越差。

  提高帧累积、增益,增加曝光时间

  这是通过调节摄像机的参数来提升图像亮度的方法。

  帧累积或者慢快门功能,可以持续像素中的光电荷转换,从而延长曝光时间,提升图像画面亮度,因此打开慢快门功能时,输出的图像不是实时图像,而是通过牺牲图像的实时性,来提升低光照场合下的图像清晰度,只要摄像机的快门慢到4倍以上,在监视器上就可以看到比较明显的图像拖影。但是对于监控而言,重要的恰恰在于清晰、连贯、实时的图像,因此帧累积慢快门摄像机常常被用于对静态事物的监视,而不建议用在非静态应用中。

  AGC(Auto Gain Control)是将来自图像传感器的信号放大到可以使用水准的视频放大器,其放大量即增益,可自动根据信号电平调整增益幅度,优点是提升了摄像机的动态 范围,缺点是将噪声一同放大。因此当夜晚图像增益提高时,画面会出现类似“雪花点”的噪点,可以开启摄像机的3D降噪功能,抚平画面噪点,使图像看起来更 细腻平滑。

  未来趋势

  人类对于高清的追求是永无止境的,因此向更高清的方向发展是一个必然的趋势。而像素值越高的摄像机其低照度效果反而越差,随着技术的发展,图像 传感器工艺的进步,一定会出现既能满足高清监控,又具有较好低照度监控效果的图像传感器。其实目前市场上500万像素以上的摄像机低照度效果相比较3年前 已经有了相当大的提升。

  另外,像素越高,图像传感器等部件的价格越贵,考虑到CCD比CMOS成本上要贵很多,且两者之间夜间成像效果已经相差无几,甚至结合一些优秀 图像处理算法,CMOS的效果还要好于CCD,因此未来的超高清超低照度摄像机市场肯定还是要以CMOS为主。当然星光级超低照度监控并非尽头,而是一个 起点,未来的摄像机肯定还会向着更低的照度方向发展,最终做到“无光胜有光”。

(程玮)
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本文出处:海康威视 作者:程玮
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