新视界 暗夜里纤毫毕现:高清红外摄像机产品剖析

2012-04-09 18:18:15来源: CPS中安网
    和谐社会需要技术保障。在当下,中国安防行业用户对清晰度的追求一直以来都是一个永恒的主题,从模拟、数字化、网络化、到现如今的高清时代,行业都是奔着这个永恒的主题前行;与此同时,由于总总原因,仅可见光监控已经无法适应一些特殊场合的需求,很多重要的场合像广场、监狱、银行等等都要求做到24小时连续监控,而在夜视方面颇具优势的红外摄像机自然责无旁贷。因此,行业里一直在探索暗夜里纤毫毕现的技术手段,本期高清红外摄像机产品专题共邀多位行业精英:杭州海康威视数字技术股份有限公司产品经理刘明新、深圳波粒科技股份有限公司技术总监匡全慰、恒业国际集团恒业智能安防(深圳)有限公司市场部经理鞠培泉、天津天地伟业数码科技有限公司数字前端部产品经理马可威、广州美电贝尔电业科技有限公司技术主管李少华、深圳市中瀛鑫科技股份有限公司市场总监吴勇华、深圳市亿维锐创科技有限公司技术总监陈丹、深圳同尊数字技术有限公司产品经理蒋吉勇,一同了解与思考高清红外摄像机产品情况与未来走向。

  高清红外摄像机产品核心要点

    为了满足昼夜监控的需求,我国生产厂家早在2001-2003年间就开始探索红外摄像机领域。从最早的摄像机加红外灯板的模组到摄像机和红外灯的一体化设计,从LED红外灯通电即亮模式到光敏电阻、双滤光片的引入应用,从基本的视频监控要求到防水防暴、强光抑制、人脸识别、隐私遮蔽等各式各样结构功能的出现,无不见证着我国红外摄像机技术和市场的长足发展。2006年以后,随着越来越多的生产厂家涌入该领域,红外摄像机市场逐步形成了供大于求的局面,厂家间的竞争也愈发白热化。身处安防行业群雄逐鹿的时代,红外摄像机产品也和其他安防产品一样,有着同样的时代印记。国内红外摄像机三大生产基地分布在深圳、浙江、天津,并迅速在北京、长春、广州等地发芽。除了以上邀请的企业外,三辰、宏天智、永晖、乐荣、翔飞、佳信捷、东日盈、深视音、泰视、安视佳、众能达、柯尼达传统枪机品牌也迅速在自有产品线中添加了红外机的比重,接着,不仅是国内中小厂,连台资摄像机品牌敏通、悠克、慧友、杭特都加入了进来,形成了祖国山河一片“红”的局面。美电贝尔李少华认为中国安防企业在红外夜视这个领域一直走在世界前列,红外摄像机在CCTV夜视监控中占据了大部分的市场,而高清红外摄像机面世不久,还没有形成大规模应用;国外品牌对红外摄像机涉足较晚,一些国外知名品牌在市场需求的推动下,去年也陆续推出了红外摄像机产品。而现今,高清化已是行业必然趋势,面对产品系统架构的转变,红外摄像机也势必需要进行相应的改进。由于高清摄像机目前主流方案为IPC与HD_SDI,其技术过于复杂,本文偏重高清红外摄像机中的红外技术,看其如何在高清架构下发挥更佳的产品特性。

    我们行业里的红外夜视技术,就是在夜视状态下,摄像机会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体,关掉红外滤光镜,不再阻挡红外线进入CCD,红外线经物体反射后进入镜头进行成像,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,即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。红外摄像机是由摄像机、防护罩、红外灯、供电散热单元等综合为一体的摄像设备,主要是通过发出红外线经物体反射回来后采集成像。海康威视刘明新采访中告诉记者,他们认为一般红外摄像机主通常由:感光芯片(CCD或CMOS)、DSP处理芯片、红外LED补光灯板、镜头、摄像机外壳、线缆等主要部件组成,衡量高清红外摄像机从红外部分考虑也主要是侧重这几大方面。

    高清摄像机大部分采用CMOS传感器,其在夜间监控的视频噪点较大,高清红外摄像机如何解决夜晚视频噪点大,视频出现雪花点等问题成为关键,此外,如何继续提高红外光的利用率,有效防止红外摄像机起雾结霜,保证红外摄像机的全封闭,更加有效的散热防水,彻底解决白天色彩还原不够、临界值点红外灯反复跳变以及延长红外灯使用寿命等等都是技术难题。波粒科技匡全慰在采访中介绍,近两年来,安防监控的高清化、网络化、智能化趋势明显加快,作为安防监控的前端设备,红外摄像机也在朝着高清化、网络化、智能化的方向发展。2012年,红外摄像机除了在红外技术方面会有新突破外,还会朝着高清化、网络化、智能化的方向,融合发展。当然,从目前来看,红外摄像机还存在着许多缺点,比如,杂光干挠、LED灯源寿命短、图像画面明暗不均、长距离产品体积太大、色彩失真等,这也是需要极待攻克与解决的技术问题。所以,在高清架构下,我们需要红外高清摄像机对每个部件进行深一步的剖析:

    感光芯片

    感光芯片是一个摄像机的“眼睛”它的好坏直接决定着摄像机成像质量,特别是红外摄像机在夜晚光线不足的情况下,显得尤为重要。感光芯片分为CCD和CMOS两种,两者基本上都是采用矽感光二极体进行光电转换。但由于两者构造不同:CMOS每个像素有独立的放大器;CCD则采用电荷传递方式输出信号,所有像素采用同一放大器进行信号放大。这样相同面积下像素点相同时,CMOS感光面积相对低于CCD,造成CMOS低照度效果相对CCD较差,再者CMOS每个放大器放大倍数都不同,造成夜晚图像噪点过大,影响夜晚图像效果;故相同像素下采用CCD作为感光元件的红外摄像机较用CMOS做为采集图像清晰度、低照度都会好些。再者同样是CCD,采用超低照度的,会比普通的CCD更好些,但价格就会高很多。值得欣慰的是,随着工艺的不断更新,普通CCD低照度性能越来越好,目前sony主推的ICX639比07,08年主推的ICX409低照度性能提升了3倍。中瀛鑫科技吴勇华说,为了解决低照度下正常监控的需要,出现了低照度技术和红外夜视技术。国外采用的多数是低照度技术,而国内主要采用的是红外夜视技术。由于高清监控的兴起,各大安防企业也纷纷推出高清红外摄像机,甚至国际品牌也针对中国的市场需求推出相应的产品。目前,市面上的高清红外摄像机从感光器件来分,有CCD和CMOS,CMOS是主流;从芯片来分,主要是TI和海思的方案,TI主要定位中高端,海思主要定位中低端;从形状来分,有枪机、球机、半球等;从功能来分,防水型、恒温型、宽动态型等;从清晰度来分,有百万像素、两百万像素、三百万像素等。高清红外摄像机在整个摄像机系列里所占的比例还比较小,但增长速度很快,特别是IP高清红外摄像机,将在未来的摄像机家族里占据重要的位置。亿维锐创陈丹认为,2012年高清红外摄像机市场,低照技术,红外智能距离开启技术,红外低功耗技术,以及实时720P/1080P的编码的网络产品等将会会成为整个市场的主流。CCD类型的产品由于造价高,可扩展性小等特点,已经无法满足安防市场的需求,而目前CMOS的产品,在夜视效果上基本都表现得不好。要在产品的效果和性能上提升,目前的技术难点主在如何设计高性价比上的低照的成像模块,解决低照度与感红外的问题,如何设计红外灯开启后发热量及衰减的问题。天地伟业马可威采访中说,1080P分辨率的高清红外摄像机会逐渐成为市场主流,这类高清红外一体机大多使用全新的1080P摄像机SENSOR方案,在明显提升夜间效果表现的同时,又不会为客户增加太多的额外成本。

    DSP处理芯片

    如果说感光芯片是摄像机的眼睛,那DSP就是摄像机的“大脑”,它不仅控制CCD信号的采集,而且对信号进行频谱分析、数字滤波、智能分析等。所以DSP功能的强弱直接影响着图像质量。但之前使用在摄像机上DSP片,一般sony、sharp进行捆绑CCD方式销售,造成即使其它公司有好的DSP图像处理技术,也难在安防摄像机领域以示拳脚。但随着sharp,sony对CCD单片销售的放开,给各个DSP厂商提供了一个良好的竞争发展平台,目前韩国的Nextchip,RJ,台湾晶彩生产的DSP性能大大优于原厂SONY推出的DSP,在实现基本功能的同时,增加了OSD,2d/3D降噪,宽动态,祯累积等功能,极大丰富了摄像机功能。DSP处理方案方面,不同厂家各有特色,如Sony的DSP方案在色彩还原度方面比较优秀,而Canon、Nikon的DSP在补光模式和对焦速度上表现良好,近两年,我国一些摄像机厂商也不断开发出自己的DSP方案,为占领中低端市场奠定了基础。

    红外LED补光灯板

    目前红外摄像机常用三种光线波长的红外补光灯,红外波段为810nm,850nm,940nm。810nm一般用于激光红外灯板,由于激光出光角度小,光线集中,故激光红外灯一般使用在夜晚中远距离监控。850nm,940nm波段红外灯板,一般由可发出相应波长的LED通过不同的串并电路组合而成,850nm由于近红光波段,会出现红曝现在,而940nm波长较长,无红曝现象。由于CCD的感光特性,550nm以上波长随着波长增加,CCD的感光度下降,所以大家一般都采用850nm的LED作为主要光源,940nm的红外灯板只有客户要求无红曝的情况下才会使用。美电贝尔李少华告诉记者,最新LED红外灯技术为LED阵列红外技术,红外灯的内核为LED IR Array。LED Array 是指发光二极管阵列,是高效长寿的红外夜视设备。区别于传统LED红外灯,阵列红外灯的突出特点是使用寿命长、2~3年内光线无明显衰减,光线均匀,画质细腻,清晰度高,阵列式摄像机的夜视图像比较明亮,雪花点少,无暗角,图像均匀无暗角,很大程度解决了画面的手电筒效应,可大幅提升摄像机夜视效果,同时大幅降低数字录像文件体积,节省硬盘录像机空间。亿维锐创陈丹认为,最新一代阵列红外灯,通过面状发光芯片,在局部区域形成光线反射,增加了光线的使用率;同时在各个方向都有光线射出,在实际环境使用过程中,完全解决了红外灯线“强光手电筒”的问题。最新一代阵列红外灯采用的硅胶封装材料,不易断裂,不易氧化;同时使用集成散热片,散热性能良好,大大增加红外灯的使用寿命。同尊蒋吉勇说,从主流技术分析,今年高清红外摄像机传感器依然会以CMOS实现720P/1080P高清为主。从光源来看,激光仍然是解决远距离夜视监控的主流技术,而基于点阵红外的摄像机也趋于主流。同时在红外球中用到的红外角度自动跟随一体机视角变化技术也有很大空间。要做好高清红外摄像机,还需解决一些实际的问题。一方面是传统红外摄像机经常面临的问题:“手电筒效应”、散热、红外光利用率不足、摄像机起雾起霜、日间图像还原度不够、临界点红外灯跳转、红外灯寿命仍较短等。另一方面,随着1080P高清时代的来临,如何将高清传感器、红外镜头与光源做良好的匹配,实现最佳的高清红外效果,也是需要高清厂商做研究的。波粒科技匡全慰告诉记者,红外技术因其在夜间零照度环境下能实现画面的清晰拍摄,在近些年来,被广泛地运用于安防监控领域。红外摄像机需要辅助光源,才能在夜景或零照度环境下完成监控工作,从早期的大功率卤素灯,发展到现在的LED阵列式红外灯,红外摄像机的技术在日益发展与进步,以满足安防监控的市场需求。天地伟业马可威说,高清红外摄像机在图像采集上的技术革新之外,配套的补光红外灯也由传统的LED向阵列式红外灯系统转变。阵列式红外灯是为高清红外摄像机专门设计优化的,相比传统点阵LED,具有更大的发散角、亮度,有助于提升摄像机在夜间大场景时全局画面的补光效果。高清红外一体化摄像机目前的技术难点主要在彩转黑同步控制及补光红外灯的优化方面。恒业国际鞠培泉向记者介绍,红外灯技术目前市场上有几种,比如第一代LED红外灯,以及后来的阵列式红外灯和激光红外灯等。主流方向依然是阵列式红外灯,其内核为LED Array,采用40mil大功率晶片阵列技术,产品光路结构上使用非球面光学玻璃透镜,投射光斑非常均匀,大大提高了监控夜视画面清晰度,达到可识别面貌的新阶段。阵列红外的优势是亮度高、电光转换效率高、体检小、寿命长,而且光线均匀,LED Array发光体可生产(180°形状)的发光面,解决了普通LED室内空间无法均匀照亮及夜视画面中易出现的“手电筒效应”。海康威视刘明新分析说,红外摄像机从像素方面看,肯定向高清方面发展;从LED发展看,随着单颗LED封装越来越小而出光功率不断提高,摄像机肯定会向小型化发展,但散热仍然会成为LED红外摄像机发展的瓶颈。中瀛鑫科技吴勇华也持同样观点,认为红外LED Array(阵列红外灯)由于其发热量小等优点,得到迅速的应用。

    镜头

    高清红外摄像机选择镜头,除了高清外,首先是必须选用带IR功能的红外镜头,如果采用普通不感红外镜头,会由于白天可见光和夜晚补的红外光波段不同,造成镜头成像焦点偏移,图像白天清晰夜晚模糊的现象;再者在焦距一定的情况下,尽量选用光圈F小的镜头,光圈越小,进光量越大。例如同一个CCD系统在相同的补光情况下,F2.0光圈镜头会比F1.0光圈镜头进光量减少4倍。最后,能用定焦镜头的不要用变焦镜头,定焦镜头的光圈F值一般也是固定的,尽量选用F值小的镜头即可,但变焦镜头即使在小焦距段光圈为F1.0此时夜晚补光效果很好,到如果调节到大焦距段时,镜头的光圈F值会随着焦距变大而变大,造成进光量减少,红外效果下降,摄像机抓取图片偏暗。目前我国市场上的高端镜头主要被日本厂商所掌握,如Canon、Camputar、Avenir、Tamron、Pantax、Fujinon等,在红外机领域使用最多的是Avenir镜头,国产的福州福光、厦门力鼎近两年的市场份额也在稳步上升。摄像机感光能力如何,即灵敏度是红外夜视系统重要参数之一。另外,镜头的孔径决定了镜头的通光量,镜头f值越小,通光量越大,显示效果越清晰。不同f值镜头红外夜视效果相差很大,红外距离也有明显的差距。如果要想获得较好的夜视效果,通光量大的大孔径的镜头当然是不二的选择。

    摄像机外壳

    高清红外摄像机外壳主要起三个作用:1,固定相关PCB;2.对PCB进行防水保护;3.对LED进行散热;固定PCB功能毋庸置疑,对PCB的防水性能则大有讲究,现在有两种设计思路,要么外壳全部堵牢,水汽一点都不能进入,要么留出通气孔,保证摄像机内部和大气能很好对流通过蒸发使摄像机内部水汽尽快散去。目前海康室外产品基本都选择第一种防水方式,对外壳缝隙进行全部封堵,避免水汽进入,从08到目前看此方案效果不错,由于漏水返修的红外产品比较少。留有通气孔的外壳设计,一般开有大面积窗口,实现内部和外部空气对流,万一有水分可尽快排出,但这种方式导致水分容易进入,电路板受潮加速老化,再者连续阴雨天存在一定的积水风险。

    对LED补光灯进行散热是外壳结构设计设计时需重点考虑的因素,LED半导体材料,对热量非常敏感,温度过高会造成LED波长偏移,内部发光点永久失效,封装胶体变形影响出光效率等问题。目前做的比较好的散热都是把灯板直接和外壳连在一起,通过摄像机外壳对LED灯板进行散热。最好能在设计外壳前,利用热设计对其整机热量进行分析评估,减少后期温度过高,调整结构的被动局面。

    再者好的外壳设计,在满足防水,散热的需求外,也要对红外漏光,反光问题进行处理。之前红外摄像机经常出现白天图像正常,晚上图片白茫茫一片,看不到任何东西。除了摄像机安装环境方面造成的红外光直接反射回来进入CCD外,外壳内部CCD周围存在缝隙,玻璃未采用双环玻璃设计,遮阳罩未进行涂黑处理等原因都会造成红外漏光,反光直接进入CCD造成图像偏白问题。所以红外摄像机夜视效果不仅仅受制于CCD、DSP芯片方面限制,受机构影响还是很大的,需引起足够的重视。

    线缆

    谈到线缆可能大家感觉对红外摄像机没什么影响,但恰恰示这段线对红外摄像机防水,图像品质,寿命方面有着很大的影响。防水方面,如果摄像机输入输出线缆没有使用防水线缆,就像给摄像机插入一根吸管,水分会随着这根管子进去摄像机内部,造成摄像机漏水起雾;图像品质方面,如果此段线缆未采用屏蔽线缆,很容易造成电源和视频之间干扰,出现水波纹,噪点等问题。

    结束语

    视频监控夜视需求一直很强烈,红外摄像机一直是解决昼夜24小时监视的主要前端设备。据统计,红外摄像机总销量占整个前端摄像机销量近60%。当视频监控高清化趋势真正到来后,客户对高清红外摄像机的需求也随之增加。目前国内、外各高清摄像机厂商,基本都有覆盖高清红外产品线。特别近两年,一些国际一线品牌也相继推出了多款高清红外摄像机,国际厂商开始重视红外摄像机市场,一方面说明红外摄像机市场空间巨大且红外技术已经到达一定的成熟度,同时国际巨头的加入加剧了高清红外摄像机的市场竞争。诚然,竞争加剧,大浪淘沙。在信息化时代,安防企业大体模式相同,如果要在安防市场处于不败之地必须要掌握技术、独立生产、降低成本、控制品质,才是出路。


 

关键字:摄像机

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2012/0409/article_4479.html
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