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低照度摄像机——借你一双“慧眼”看世界

在电视监控中,并不是所有摄像机都可以实现日夜两用监控,因此有不少用户反映,安装的摄像机在夜间如“盲人”一样,完全看不到现场情况,对突发事件无法当即做出反应。而在当前用户越来越倾向于24×7小时的监控情况下,低照度摄像机以其在光线不足的情况下可照常监控等特性,受到越来越多人的青睐,并在需要日夜监控的应用中占据一定的市场份额。
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       在电视监控中,并不是所有摄像机都可以实现日夜两用监控,因此有不少用户反映,安装的摄像机在夜间如“盲人”一样,完全看不到现场情况,对突发事件无法当即做出反应。而在当前用户越来越倾向于24×7小时的监控情况下,低照度摄像机以其在光线不足的情况下可照常监控等特性,受到越来越多人的青睐,并在需要日夜监控的应用中占据一定的市场份额。
 
特殊场合中的一只“透视眼”
        业内资深人士表示,在光线不足的条件下,除补光或采用低照度摄像机外,还可以通过红外摄像机来进行监控。因红外摄像机在添加红外灯后,外界无需任何辅助光源即可得到较清晰的图像,因此红外摄像机被较多地使用在夜晚无灯的区域,而基于其整体价格较低等优势,使得红外摄像机在近年来所占据的市场份额也呈直线上升趋势。在采访中,有厂家坦言,低照度摄像机已逐步受到红外摄像机的威胁。但神州数码(中国)有限公司应用安防事业部安防产品经理叶韶光表示,红外摄像机目前存在一些缺陷难以解决,如衰减,LED灯从电能转化为光能的效率低,只有25%,而为了照射更远只能加大电流,虽照射距离远,但另外75%的电能都转化为了热能,LED在高热量下红外光发射性能会衰减。其次散热问题也得不到良好的解决,红外一体机的一大特点就是集成度高,密封。但是这些热量不仅对LED灯,对CCD也有很大的影响;另外其还会产生偏色现象,其日夜转换会采用单滤光片方式,而单滤光片会偏色。
 
        事实上,这些问题已严重阻碍着红外摄像机的发展,虽红外灯可进行更换,但在无形中增加了成本,且红外摄像机主要是面向低端市场,价格便宜,不少厂家在很多功能上都会偷工减料。而低照度摄像机,则可借助周围的一切光源,如路灯、走廊灯,甚至月光、星光等,在光线较暗的情况下获得视频图像,以满足夜间监控的需求,其优点是图像效果真实,不偏色。据维多视频科技有限公司市场销售经理许家意表示,目前低照度摄像机普遍应用于平安城市、军队、边防、银行、高速公路等对日夜监控要求比较高的领域,以解决在低照度环境下的视频图像问题。低照度摄像机包括常规型低照度彩色摄像机,即其始终是彩色图像,仅是提高彩色图像处理的灵敏度,但此种摄像机的照度多在0.1LUX以上;另外一种是可实现日夜转换的低照度摄像机,此种摄像机在夜间光照较低的情况下,即可转换为黑白图像,实现日夜监控,照度通常在0.1LUX以下,因此本文主要介绍日夜转换型的低照度摄像机。
 
        上海乐金(LG)广电电子有限公司安防集成部经理陆景鑫表示:“森林防火目前也是一个对低照度摄像机有特殊需求的领域。”其是较大范围的监控,而火灾的发生往往具有突发性、随机性,在短时间内易造成巨大损失,因此一旦有火警发生,就必须综合分析现场火势。采用现代电子和信息化技术,做到及时反应,而森林由于夜间光照度不足,采用低照度摄像机就可解决以上问题。因此天津天地伟业数码科技有限公司前端产品部张钦海总结说:“低照度摄像机在以下领域受到较多用户的重视:即监控范围广、辅助光源不能满足的区域、在低照度环境下不方便或没有条件再增加补光光源的监控场合。”
 
软硬件互相配合,造就“火眼金睛”
CCD:最为核心部件
        在任何一款摄像机中,电荷耦合器件(CCD)都是最为重要的部分,其是将光学影像转化为数字信号的关键部件,其质量与性能将直接影响摄像机的性能。据广州伟昊科技有限公司企划推广部经理万云锋介绍,低照度摄像机由于需要在夜间光线不好的条件下使用,因此所采用的CCD也是较为特殊的。据了解,低照度摄像机所采用的CCD与普通CCD相比,其吸收颗粒的感光面积较大,现在新的低照度技术还增加了感应部分红外光的的特性,且制造工艺、物理工艺都较之普通CCD严格。
 
        目前监控厂家使用的CCD多为日本索尼(Sony)与夏普(Sharp)。据了解,Sony的CCD色彩鲜艳、真实,且其照度较低,在光线较暗时,其噪点也较小,因此,索尼的CCD在监控市场上占据绝对数量。
 
        而索尼所生产的CCD 已经历了HAD(Hole-Accumulation Diode)传感器、On-Chip Micro Lens、Super HAD CCD、New Structure CCD至Exview HAD CCD 的发展过程,而目前主要用于模拟低照度摄像机的是Super HAD CCD与Exview   HAD CCD。据了解,在这两款CCD的结构中,每个像素都有一个OCL镜头,可使光线集中的拍摄感光区域感光度提高。索尼公司在08年底推出的Super HAD CCD的升级版——Super HADⅡ CCD据索尼中国专业系统集团产品经理秦杰介绍,该款CCD在前一代的优秀性能基础上,在其表面的微型镜头处还增加了彩色补光滤光片,增强了蓝色光的灵敏度,实现整个光谱的平衡,另外还将各个微型镜头底部的角度扩大,以增加通光量,提高亮度。而深圳市景阳科技股份有限公司研发中心总工程师张波通过比较之后称:“Super HADⅡ CCD的图像处理能力较第一代增强了一倍,人的肉眼感觉其灵敏度、亮度都更高了,但颗粒点较粗,噪声相应也有所提高;而Ex-view CCD颗粒感则较小,可看清细节,这两者均有自己适用的场所,Ex-view CCD因其成本较高,因此通常是用于高端产品中。”[nextpage]
 
        而在网络摄像机中采用的则为Exwave Pro CCD。索尼秦杰表示,此款CCD是在全新平台上进行设计的,其不仅感光面积扩大,还将两个微型镜头的间距缩小至零间距;此外,还增加了彩色补光滤光片,采用CMYK色系,可有更多的颜色组合,色彩还原更为准确;而在CCD底部所添加的反向内部镜头,将光线再一次聚合,可增强光的强度。
    除选用合适技术的CCD外,CCD的面积也与低照度摄像机的视频效果有较大关系。据LG的陆景鑫介绍,CCD单位面积越大,可感受到的光也就越多,但相应成本也会增加。目前监控市场上多使用的1/4″、1/3″与1/2″的CCD,其中1/3″CCD最为普遍,而1/2″CCD由于其感光面积较大,较适用于环境照度较低、补光条件较差,而监控要求较高的应用,如道路监控、森林防火监控等。
 
DSP芯片:做好后端处理工作
        在摄像机中,好的CCD固然重要,但后端的DSP芯片(数字信号处理)也起着不可或缺的作用,其将前端CCD采集到的视频信号进行处理,转换为视频图像输出。“DSP芯片将后端的降噪处理、宽动态、低照度等功能都集成在其中。”LG电子陆景鑫表示。
 
        据深圳市翔飞科技有限公司常务副总经理钟金海介绍,其公司采用的是索尼生产的DSP芯片,通常索尼公司会将CCD与DSP芯片配套提供。而不少进口品牌公司也在不断地推出性能优秀的DSP芯片,如三星、LG、松下等。其中三星电子在今年最新推出的A1芯片,集宽动态、低照度等多种功能于一身,并拥有数字降噪、暗区补偿等软性功能;而松下在08年底所推出的SD5的DSP芯片,与前几代相比性能大幅提高,而色彩还原性和亮度等方面都有很大的提升,并采用自适应数字降噪技术(DNR),将2D-DNR与3D-DNR结合,在多种条件下,都可很好地降噪。据LG陆景鑫介绍,其公司目前所使用的DSP芯片是自己研发的XDI芯片,该芯片将画面帧累积处理的效果提高,使获得较好的视频画面;另外其具备的CCD电荷单增,可提高灵敏度,增强图像的视频清晰度。彩专黑低照度摄像机在夜晚光线不好的情况下其图像即转换为黑白,虽可看清图像,但图像上的噪点增多也会影响视频效果,因此不少进口品牌厂家也在DSP芯片中进行一些处理以便减少噪点,如帧累积技术,或添加双滤光片,以及数字降噪技术等。
 
1、帧累积
        帧累积又称作场累积或数字慢快门,即将电子快门速度降低。据了解,此种获得低照度下图像的方法是通过电荷单帧累积方式增加CCD在单帧图像的曝光量,从而提高摄像机对单帧图像的灵敏度。这种方式可以获得较低的照度指标,但是以降低图像的连贯程度为代价,所以选择这种摄像机时要注意尽可能不要同云台一起使用,否则会造成丢失画面的现象。而深圳市瑞信达通智能科技有限公司总经理王强表示,此种方式并无实际意义,其通过对物体或空间长时间的曝光,来实现物体的明亮化。据广州伟昊万云锋介绍,正常的快门速度应该是1/50,将其乘以2,这种方法将快门速度降低至25帧/秒,有些甚至达到9帧/秒或8帧/秒,这样就会导致图像的实时性变差,从而产生拖影。
 
        因此,采用此种方式的摄像机不适合于使用在运动物体速度过快或过多的场景,而在禁止红、紫外线破坏的博物馆、夜间生物活动观察、夜间军事海岸线监视等较静态场所的监视中可以使用。
   
2、双滤光片
        为了使得摄像机在夜间获得较好的视频效果,也有厂家采用双滤光片以提高视频亮度。根据伟昊万云锋解释,目前市场上有两种从彩转黑形式,一种是电子彩转黑,此种方式无需滤光片,仅需通过内部软件进行控制,即可实现日夜转换,但目前并未真正实现,因此机械式滤光片是较为普遍的。在白天自然光照相当好时采用全域红外光滤光片,滤除所有红外光,以确保图像质量。而到夜晚,切换到滤除某些波段红外光的滤光片,并结合能感应部分波段红外光的CCD技术,就可以达到在低照度下仍有较好的成像效果,而这时显示的图像是黑白的。但白天将滤光片关闭时,可以保证图像的聚焦,还原真实的颜色,这时显示的图像是彩色的。深圳翔飞钟金海也打比方说:“这种实际上是象在玻璃上贴了一层防紫外线膜,晚上时将窗户推开直接接受光,这样可提高CCD对光线的识别能力。”
 
        笔者在采访中了解到,此种方法在不少大厂家都已在使用,但伟昊万云锋却对此表示担忧:“若两个滤光片来回切换,时间久了性能就会降低,因此若摄像机内部制造工艺不可靠的话,就有可能切换不了,因此个人认为这种方法还需要认真考量,而用户也不必过度相信这种功能。”
 
3、数字降噪  
        除以上两种提高清晰度方法外,不少进口品牌也在采用高性能的CCD基础上,研发数字降噪的方法来尽量降低噪点。
 
        如伟昊万云锋介绍,三星所采用的数字降噪技术(DNR),是通过数字处理等方式,将视频图像上的噪点去除,这样通过有效的数字方式处理,将噪声维持在一个较低的水平。据介绍,三星电子是在DSP芯片中直接进行了一些运算,由于视频的噪声值与电平值是相互影响的,电平值升高,噪声值也会相应升高,因此采用DNR技术来抑制电平值的升高,使得噪点降低。但其同时表示,如果在使用中将降噪操作降低,运动过快的物体会出现拖影的现象,解决这个问题可以采用提高光照度或牺牲清晰度的方法,因此建议如在运动物体不是很多的场景中,或对实时性要求不是很高的应用中,可以将DNR调到中档或低档的位置,这主要是看用户的需求。[nextpage]
 
        除三星外,松下、LG等都已经进行了数字降噪技术的研发,并已在本公司的产品予以采用。但瑞信达通王强表示,数字降噪实际上是在信号进入之后重新对噪点进行计算,再做信号的输出,降低噪点在显示端得到了画面效果,但此时并不是将噪点真正降低,而是将噪点柔和,使其显示效果更舒服,主体更清晰。此种技术已有越来越多的大厂家开始研究,对CCD周边,特别是整个电路的设计和降噪的算法都已做了很多的探索,这些也将推动摄像机低照度技术的发展。索尼秦杰也表示,目前虽性能优良的DSP芯片可对CCD进行补充,但不可否认光学上的改进还是比电子技术的改进更加有效果。
 
4、其它技术
        虽采用电子技术可以降低噪点,但是不少工程商或厂商还是建议,如果在有条件情况下,还是可以采用辅助光源来提高环境的照度,如红外灯或其它光照灯。“但在边远山区的加油站或边防等,或不允许安装灯光的区域,还是不太方便的。”松下电器(中国)有限公司产品经理陈永旻认为。
 
        神州数码叶韶光表示,目前也有不少用户在环境不好的情况下,配备红外灯,这样可以满足摄像机对照度的要求。而其公司的摄像机内部配备的低照度电路,可有效去除噪点,将信噪比值提升2~6dB。但是由于红外灯在晚间会太亮,摄像机在夜间就会误认为是白天,而不断地进行转换,图像不够稳定,因此神州数码针对此所研发的红外侦测锁定功能,可通过改变摄像机判断低照度的依据,来侦测红外线是否存在而进行转换,若侦测到红外光,则转变为黑白,且这个功能仅需在OSD菜单中即可设定,并不需要外部的单独连线。
 
        而索尼公司在下半年预计推出的一款网络型的低照度摄像机,其不仅采用性能优良的Exwave Pro CCD,还在内部添加一个功能,即可视性增强,此种功能不会损失分辨率,将暗部调亮,将亮部调暗,使色谱趋于平缓,且此款摄像机的噪点也控制得相当好。
 
用户挑选需谨慎
        用户采用低照度摄像机主要是希望可以实现日夜监控,但目前低照度摄像机市场较为混乱,不少厂家将最低照度已标得越来越低。瑞信达通王强表示,目前国家对于低照度摄像机没有一个统一的标准,因此部分厂家鱼目混珠,将摄像机的最低照度值标得很低,但摄像机在何种情况可达到低照度,不仅要看现场的环境,还与镜头、传输、显示部分有关,因此用户在选购产品时不仅要查看其所选用的CCD,还需注意不要被参数“糊弄”。
 
        面对市面上低照度参数被标得越来越低的情况,不少用户已很有疑惑。松下陈永闽表示,厂家所标的参数是没有任何意义的,用户选购时不必盲目相信指标,其只是在投标时的一个参考,而用户在选购时,要注意看其最低照度的参数是在何种条件下满足的。
 
        据了解,摄像机的最低照度与镜头的光圈大小(F 值)、AGC值、视频信号的IRE值,以及红外线的开关等诸多因素有关,所以选取摄像机时一定要看清机器规格参数上最低照度标注的条件(F 值、黑白/彩色等)。其中采用镜头F值的不同,光透过镜头进入到CCD的量就会有差别,F值越小,其进光量就越多。比如,在相同的焦距下,F1.0与F10相比,镜头通光孔面积(进光量)相差100倍(设F1=1.0、F2=10,则对应的光圈孔径D1=10×D2,可以通过求面积公式求得D1的通光孔面积是D2通光孔面积的100倍)。因此为提高摄像机的感光度,要求尽量选取通光量大的镜头。另外,IRE值是视频信号输出的电压值,其值越大,才能看得越清楚。索尼秦杰建议,在看摄像机所能达到的最低照度时,要看清其所标明的IRE值,知名厂家通常会标明在30IRE情况下可得到的最低照度值,若低于此数据即无实际意义,因此若是想要得到较为公正、客观的数据,还是需要满足以上几个条件的。
 
        另外,伟昊万云峰认为,在LUX值(最低照度值)不错的情况下,软性功能如数字降噪、暗区补偿等也是低照度摄像机的一个较好的补偿,且应尽量在现场进行操作,查看其视频效果;另外,低照度摄像机是100%满负荷工作,对制造工艺等要求严格,因此建议用户应该选择较大品牌厂家,而用户也应根据自身的实际需求,来选择产品。
 
结语
        虽低照度摄像机目前已在不少区域中使用,但松下陈永民认为,低照度摄像机并非是主流市场,在一些特定区域如添加光源成本较高或不便于安装光源的情况下,低照度摄像机发挥着重要的作用。
 
        而低照度摄像机的发展,不仅取决于上流CCD厂商的技术革新,也需要DSP芯片以及周边电路的改进,因此瑞信达通的王强表示,希望可以在维持现有成本的情况下,可将低照度摄像机的性能提高。但其同时建议用户一定不要盲目相信低照度摄像机,因为要真正保护安全问题,安防系统设计是非常重要的,要同时注重门禁、防盗报警等其它系统的集成,而不是仅采用低照度摄像机就可以解决对安全的后顾之忧。
 
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