28 Jan
2018

夜視攝像新趨勢——星光級超低照度攝像機

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    在平安城市項目、金融、酒店、寫字樓、住宅小區、平安村居、校園、港口、高速公路、街道等場合,由於夜間光照不足,又不可能大規模安裝補光照明設施,此種場景下對攝像機的低照度性能要求就比較高,由於常規型攝像機難以滿足24小時連續監控的需求,要得到較好的監控效果,就需要安裝高品質的適合夜間拍攝的低照度攝像機來保證監控效果。

如何滿足夜間的監控需求

    針對夜間監控,目前市麵上主要應用的是紅外攝像機與激光攝像機,這兩種攝像機可謂是各有所長,它們分別利用不同的原理與技術來滿足對夜間監控的需求。

攝像機的傳感器相當於人的眼睛,但比眼睛厲害的是它能感應到一部分不可見光,如紅外光線。傳感器有一個指標靈敏度,也叫最低照度值,其能體現出對微弱光線的反應能力,靈敏度越高,對光線的感應能力越強,感應紅外線的能力就越強。由於傳感器可以感知到紅外線,在白天,光線中的紅外線也進入圖像中,會導致整體圖像偏紅。所以普通攝像機在傳感器表麵都貼有濾光片,濾掉光線中的紅外線。而如果紅外攝像機也貼上這種濾光片,夜間攝像機紅外燈主動發射的紅外光也會被濾掉,導致紅外燈失效。為了避免這種情況,高端紅外攝像機一般備有雙濾光片,即白天打開紅外過濾光片,過濾掉光線中的紅外線,晚上關閉紅外濾光片,讓紅外線通過鏡頭射入傳感器。這就是紅外攝像機為什麽可以在人眼看不清的夜間也能清晰成像的原因。

    激光攝像機是由半導體激光器與鏡頭搭配組成。激光光束的角度小、能量集中,非常適合遠距離照明;配合變焦鏡頭,可實現激光與攝像機隨動,讓激光根據攝像機焦距的改變產生相應的變化。

相對紅外光線,激光照明可以無視光線的強弱,通過激光部件以及超低照度感光元件,攝像機可在完全黑暗的環境下實現對遠距離的高清監控,保證成像清晰度;其次其壽命長,激光監控攝像機壽命是普通紅外攝像機壽命的3倍,這點對需24小時監控的應用,優勢更加凸顯;再者傳統紅外攝像機散熱量很大,不僅需消耗較多的電力,而且熱量會在機身中堆積,造成機身過熱,會嚴重影響攝像機電子元器件壽命,而激光攝像機則沒有這個隱患。但激光照明也有光束過於集中的缺陷,在中短距離監控中,由於成本及覆蓋角度不夠等問題,相比紅外並無優勢,也因此其主要應用於針對遠距離的監控應用,如景區、鐵路等。

另外,在某些對光的要求不太嚴格的場景中,可采用白光常亮或頻閃補光,也可獲得較好的監控效果。白光燈是節能環保的新型綠色照明燈具,是一種可見光,屬於冷光源,其最大的特點是其在夜晚的成像為彩色,所看到的景物和白天沒有太大的差別,可以提供更多信息量,有利於調查取證。帶白光燈的攝像機通常被用於道路監控工程中的卡口係統或小區停車場出入口。

     而頻閃補光則能與攝像機每幀圖像的電子快門同步,受控於攝像機的幀同步信號,並適應攝像機的幀率做出相應的倍頻,按照一定的頻率閃亮給攝像機補光,從而降低其對人眼的影響和減少環境光對拍照的幹擾,現主要被應用於治安卡口、超速抓拍、闖紅燈等環境中。

占據一席之地

     紅外與激光攝像機在外界無需任何輔助光源的情況下即可得到較清晰的圖像,因此它們被較多地使用在夜晚無燈的區域。而基於其整體價格相對較低等優勢,使得紅外攝像機在近年來所占據的市場份額也呈直線上升趨勢。但紅外與激光攝像機目前仍存在一些缺陷,如色彩為黑白、能耗大、散熱不佳、紅外攝像機照射距離有限、照射範圍不廣等等。而低照度攝像機是近年來隨著半導體技術發展而推出的監控行業的熱點產品。

    低照度攝像機,從字麵上就可以看出,是指在光照較暗的情況下(即低照度)仍然可以獲得比較清晰圖像的攝像機。目前安防行業通常將前端攝像機分為四個等級:普通級攝像機,一般照度值均大於0.1Lux;照度值範圍在0.1Lux至0.01Lux之間的攝像機,一般被稱為低照度攝像機;而被稱為月光級攝像機,其照度值範圍在0.01Lux至0.001Lux間;當最低照度值達到甚至低於0.0001Lux的時候,便達到了“星光級”的超低照度攝像機,但這些分類也沒有絕對的規範化、標準化。

     市場上早期的高清網絡攝像機低照度效果普遍一般。隨著圖像傳感器技術的提高,以及圖像降噪算法的應用,高清網絡攝像機的低照度效果越來越好,它不同於紅外,可借助周圍的一切光源,如路燈、走廊燈、月光甚至星光等,在光線較暗的情況下獲得全彩色實時視頻圖像,由於采用了超靈敏度圖像傳感器和獨有的電子倍增和噪點控製技術能夠極大地提高攝像機的靈敏度,並且具備24小時全彩色實時效果,絕無普通低照度攝像機出現的拖尾現象,以滿足對夜間高品質監控的需求。其優點是功耗小、圖像效果真實、不偏色,在應用麵上,雖然不及紅外攝像機廣泛,但也在一定程度上具備不可替代性。目前低照度攝像機普遍應用於平安城市、軍隊、邊防、銀行、醫院、高速公路等對日夜監控要求比較高的領域。

     目前國內安防行業中,僅有部分研發能力強、在圖像處理方麵具備雄厚實力且有相應細分市場的安防廠家在低照度攝像機領域取得了一定成績。如蘇州某安防廠商推出的星光級攝像機IPC123,其在星光環境下無須借助任何輔助光源便可顯示清晰且不拖尾的彩色圖像,同時與其他十來家廠商攝像機在新疆某兵團公安係統組織的選型測試PK中脫穎而出,一舉拿下各項綜合性能NO1的稱號,體現出該廠商在此領域的雄厚實力。

     低照度監控效果的提升方式低照度監控技術主要受鏡頭、圖像傳感器、後端圖像處理技術等因素的影響,要想取得較為理想的低照度監控效果,可從以下幾個方麵進行提升:

利用大光圈鏡頭:鏡頭是攝像部件的重要組成部份,它在低照監控應用技術上的作用是為攝像機聚焦被攝目標的光線,這裏的低照應用與技術關鍵在於鏡頭的口徑越大其進光量也會越大,也就是鏡頭光圈的增大可有效提升進光量,從而使攝像機獲得理想的低照度效果。

     選用大靶麵傳感器:攝像機的本質就是把光能轉化為電能,而量化的核心部件是傳感器,傳感器的作用就是把傳到它身上的不同強度的光線進行光電轉換,轉換成電壓信息最終生成數字圖像信息。而傳感器上接收光線的部位自然是核心中的核心。如果相同分辨率的攝像機,圖像傳感器靶麵麵積越大,則其單位像素進光量就越大,抑製噪點能力越強,低照度拍攝時,成像畫質也越好。

改進傳感器工藝:要想取得理想的低照度效果,還可以通過對傳感器工藝的改進,以提升其靈敏度。攝像機本體中的圖像傳感器看上去很簡單,實際上對生產工藝與微處理的技術要求相當高,比如背照傳感器通過改善傳統CMOS感光元件內部的結構,讓感光層的元件調轉方向,光能從背麵直射進去,避免了在傳統傳感器結構中,光線會受到微透鏡和光電二極管之間的電路和晶體管的影響,從而顯著提高光的效能,大大改善低光照條件下的拍攝效果。這類CMOS傳感器的靈敏度已經與CCD傳感器接近,低照度下圖像效果極佳,但集成度更高、功能更加豐富且性價比更高。

      良好的圖像處理技術:以往的攝像機采用傳統的2D算法來實現降噪功能,而現在采用的3D降噪技術,在原有的幀內降噪基礎上,通過對前後兩幀的圖像進行對比篩選處理,從而將噪點位置找出,對其進行增益控製,3D數字降噪功能能夠降低弱信號圖像的噪波幹擾。由於圖像噪波的出現是隨機的,因此每一幀圖像出現的噪波是不相同的。3D數字降噪通過對比相鄰的幾幀圖像,將不重疊的信息(即噪波)自動濾出,采用3D降噪的攝像機,圖像噪點會明顯減少,圖像會更加清晰透徹,從而顯示出比較純淨細膩的畫麵。

      增加補光設備:低照度攝像機,比如星光級槍機,能在微光環境下正常工作,但有些場景,也可通過增加白光補光的方式來提升其監控效果。

      目前,針對各類光源與場景,都有特定的監控設備滿足用戶需求,包括在完全黑暗的環境下也可通過補光舉措實現圖像監控,24小時晝夜監控技術已可基本滿足用戶需求,但用戶的需求也在不斷提升,與此同時,低照度監控技術也需用不斷地提升來滿足用戶的需求。