光之逆者,低照度监控技术

2015-01-06 19:04:08来源: 安防知识网 关键字:监控

    摘要:一般而言,多数的犯罪皆发生在夜晚或者光线不佳的场景下,如何更好地杜绝此类事件的发生呢?此时具备低照度监控性能的摄像机便有了用武之地,那么,低照度监控摄像机本身受到哪些决定性因素的影响呢?哪些技术又可改善低照度摄像机在光照不足时的监控效果呢?本文将向您一一道来。

  科技的发展日新月异,监控行业亦是概莫能外,2010,作为公认的高清元年,这一年几乎成了模拟监控摄像机的受难日,短短一年时间,高清摄像机几乎就完成了对传统模拟摄像机的灭顶式覆盖,真是应验了中国人的一句老话:三十年河东,三十年河西。如今,人们对清晰度的要求越来越高,以至于对其无止境的追求演变成一种钢铁般的趋势。

  那么监控行业的趋势就此一种,别无分号了吗?非也非也,低照度监控技术便是另一种钢铁般的趋势了。监控行业的本质是什么?其本质就是“贩卖”安全,给人们安全感,让世界更和谐。你敢奢望一个在夜晚或者光线昏暗环境下毫无作为的摄像机能给你带来安全感吗?当然不能。据统计,90%以上的犯罪事件皆发生在夜晚或者光线不佳的环境里。黑暗是犯罪的催化剂。也因此,对于夜晚或者光线不佳时的监控比白天的监控更为紧要。需求决定趋势,趋势造就未来,低照度监控技术自然顺理成章地成为监控行业的一种发展趋势了。

  低照度监控技术的“今生今世”

  当下的现状

  目前,行业对低照度摄像机的需求是相当饥渴的,其基本已能满足用户24小时的监控需求,但用户的需求亦是无止境的,再者,用户需求也在一定程度上受到技术的引领,当年的D1画质亦能在相当程度上满足用户需求,如今,这样的日子一去不复返。正如施耐德电气(中国)有限公司产品经理王淑芬在接受笔者采访时表示:“技术的提升与用户需求的变化都是动态的,所以从这种意义上来讲,很难说目前的低照度监控技术已经能完全满足用户需求,相信随着技术的不断进步,将来更高的客户需求也可被满足。”

  定义

  何为低照度摄像机?从字面上理解就是在亮度较低的情况下依然能提供有效的监控效果。目前业界对低照度摄像机并无严格的标准,只是依据其有效监控效果最低可达到多少照度值的标准来将其划分为暗光型摄像机、月光型摄像机及星光型摄像机,它们的有效最低照度值依次为0.1Lux、0.01Lux及0.001Lux以下。

  优势

  笔者不妨先浅释一下低照度摄像机的原理,光线经镜头到达传感器,形成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,再经由图像处理器进行处理编码压缩后再传输,期间经历采集、光电转换、编码压缩、传输、存储、解码及显示等诸多流程。低照度摄像机与普通摄像机的原理其实并无不同,只是低照度摄像机在光线较为昏暗时的监控画质表现要好很多。既然原理相同,那么低照度摄像机的内部藏着怎样的乾坤导致其与普通摄像机如此不同的低照度监控效果呢?又该如何去更上一层楼地提升低照度摄像机的灵敏度呢?且看下文详解。

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    图1 同样照度条件下,低照度摄像机的监控效果优势明显
  低照度监控技术是怎样炼成的

  那么哪些方面的因素可以决定其最终的低照度表现呢?笔者现从决定性因素与技术类型两个方面来进行探讨。

  决定性因素

  镜头

  镜头作为摄像机的“眼睛”,在相当程度上决定着监控的成像效果,而在夜晚,即低照度下,决定监控效果的关键参数是其最大光圈值,这个最大光圈值直接决定外界可有多少光线透过镜头到达传感器以进行光电转换,光线越多,低照度监控效果便越好。最大光圈值用F值表示,F值=f(焦点距离)/D(镜头的有效口径),这里有个误区需要稍加说明,并不是F值越大,透过镜头到达传感器的光线便越多,而是正好相反,也即焦点距离越长时(镜头的有效口径不变时),进光量越少,此时低照度监控效果便会相对较差;镜头的有效口径越大(焦点距离不变时),进光量便越多,低照度监控效果便越好。

  传感器

  作为摄像机的核心元器件,传感器在成像方面的重要性如何强调都不为过,这其中自然包括对低照度监控效果的影响。

  “从技术上来看,制约低照度摄像机发展的最主要因素仍是感光器件的灵敏度。如果感光器件的灵敏度不够高,在非常微弱的自然光且不借助其他光源的情况下就会导致图像噪点增多、清晰度不高、层次感不强。感光器件性能不稳定将导致摄像机对被摄物体的细节分辨能力下降。” 杭州海康威视数字技术股份有限公司技术支持工程师姚静在接受笔者采访时如此表示。

  那么传感器是如何影响低照度监控效果的?我们知道传感器的面积相对较小,目前200万像素摄像机的传感器面积大多为1/2.8",此时厂商如果将其像素值由200万升级到400万甚至更高的话(其他条件不变),那么该摄像机的低照度监控效果会怎样?会提升吗?不会,非但不会提升,其低照度监控效果相较200万像素时会更差。我们知道,图像都是由一个个的像素点所组成,在传感器面积一定时,随着像素值的提升,单个像素点的感光面积便越小,灵敏度便越低,灵敏度低直接导致摄像机在进行低照度监控时画面噪点增多,清晰度不高,层次感不强的结果。在这里提到一个概念,即单个像素点的感光面积,其计算方法非常简单,即用传感器的面积除以摄像机的像素值,一般而言,其值越大,那么低照度效果便越好(其他的参数条件相同时)。

  此外,传感器还分为CCD(Charge-Coupled Device)与CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)两种类型,前者目前的技术已经比较成熟,在尺寸方面具备一定的优势,但其工艺较为复杂,再者其成本高、耗电多以及像素提升难度大亦是需要正视的。后者尽管画质表现稍弱,但其制造工艺简单,制造成本较低,再者由于工艺方面的原因,其尺寸无法做得很大。

  “这两年来随着CMOS技术的提升,其与CCD技术的差距在不断缩小,目前来说差距已经不大了,但CMOS在加工工艺与成本控制方面相对CCD有优势,其具备价格优势,也因此在监控行业中,CMOS传感器占据了更多的市场份额。” 施耐德产品经理王淑芬小姐如是说。

  应该说CCD传感器与CMOS传感器是各具优劣的,绝非一句CCD传感器优于CMOS传感器便能概括,对二者的选择需要“量才录用,合理分配”,应该根据具体的应用环境和需求在二者中作出选择,当然这自然需要对CCD与CMOS各自的特性优势有个清楚的认识,方能在实际应用中达到事半功倍的效果。

  图像信号处理回路

  “图像传感器通常是以1/50秒的间隔来调用影像。如果延长调用间隔的话,比如2/50秒调用一次就可提高2倍的感光度,4/50秒调用一次就可提高4倍的感光度。这样自然能得到更加良好的低照度监控效果。” 海康威视技术支持工程师姚静在回答如何提升低照度监控效果时如此表示。

  海康威视工程师姚静所言的方式似乎跟慢快门功能差不多,那么通过慢快门的方式是不是亦可实现相同的效果呢?答案是否定的。慢快门并不会进行长时间的调用影像,它只是持续像素中的光电荷转换,从而形成一些特殊的影像效果。在摄影爱好者的眼中,慢快门是一个非常实用的功能,拍摄星空中不断闪耀的星星,夜景中繁华交通要道上车流的灯光流线效果,水流的柔化雾化效果等,这些特殊的影像效果都可以通过慢快门获得。需要说明的是,上述效果的实现是基于其场景中所摄物的运动轨迹是持续且有规则可循的,一旦这两个条件不能满足,那么其相应的效果便不能成立。比如利用慢快门去拍摄不规则运动的人时,便会产生画面模糊不清、拖影甚至虚影现象。

  技术类型

  在介绍完低照度摄像机的决定性因素后,那么对低照度效果的提升可通过哪些技术来实现呢?

  “市场上大部分摄像机改善低照度成像效果的技术主要有彩转黑技术、数字降噪技术以及帧累积这三种。” 海康威视技术支持工程师姚静在面对笔者上述问题时如此回答。

  彩转黑技术

  目前该技术被应用得较为广泛,其原理并不复杂,即在传感器与镜头之间设置一块可活动的红外滤光片,白天光线充足时,将红外滤光片置于传感器与镜头之间,过滤掉自然光线中的红外光,让其不参与成像以避免画面出现偏色现象,而到了晚上或者光线不足时,此时需要有更多的光线参与成像,便将红外滤光片移开,让红外光参与成像,此时通过镜头到达传感器的光增加了,画面亮度得到提升,低照度效果自然得以提升。此外还有另外一种彩转黑技术,并不需要红外滤光片,其利用电子电路将彩色信号滤除掉,当然此种方式对低照度监控效果的提升不是很大,只是在低光照条件下,改善了彩色噪声的问题。

  数字降噪

  数字降噪一般可分为2D降噪和3D降噪,目前大多数摄像机采用的是3D降噪技术。

  “数字降噪技术可以较好地改善图像的洁净度和清晰度,从而提升低照成像效果。”来自苏州科达科技股份有限公司监控产品线产品经理李伟伟说。

  那么数字降噪是如何改善低照度监控效果的?一般而言,为了进一步提升低照度环境下的监控效果,摄像机往往需要提高增益,但是提高增益是把双刃剑,它在提高图像亮度的同时,图像的噪声也跟着提高了(见图1),那么该如何是好?数字降噪功能能够降低弱信号图像的噪波干扰,由于图像噪波的出现是随机的,每一帧图像出现的噪波并不相同,数字降噪通过对比相邻的几帧图像,将不重叠的信息(即噪波)自动滤出,有效地减少图像的噪点,使图像更加清晰透彻,数字降噪的核心在于降噪算法,降噪算法直接决定了对噪点判断的准确率及完整性,不同厂家的数字降噪效果会有较大的不同,这个不同在相当大的程度上是由降噪算法导致的。需要说明的是数字降噪亦有其副作用,那就是降噪算法在进行判断时可能会出现失误,从而导致画面中的一些有效信息丢失,再者亦可能出现拖尾及动画感问题。

  帧累积

  帧累积的原理并不复杂,其很好地利用了电脑具备记忆的功能,将连续几个曝光不足的画面进行累积叠加,从而得到一个较为明亮清晰的图像,帧累积与慢快门相似,有效地延长了曝光时间,使低照度下的监控效果得到显著的提升,但图像变化的实时性受到较为明显的影响,也就是说,当被摄物快速运动时,会出现拖尾现象,而图像也会表现出动画的效果来,因此帧累积的应用场景有限,更适合针对静态场景的监控。

  条条大路通罗马

  严格来说,上述所讨论的都是摄像机本身的“主观”因素对低照度监控效果的影响,那么在“客观”上可通过哪些方式来提升低照度的监控效果呢?那就是照明——给摄像机增加照明设备,增加照明设备的好处显而易见,那就是即使在照度为0Lux时,摄像机亦能提供清晰影像。

  “补光型低照度监控技术的主要原理是依靠补光设备发出的红外光线或激光,同时接受并感应被照物反射回来的红外光线或激光,从而形成在低照度情况下的影像。”来自威智伦(Avigilon)公司的技术经理王伟对笔者如是说。

  目前常用的照明方式为红外照明与激光照明,红外照明由于发光面及原始发光角度大,光能量分布较散,光照利用率低,所以红外照明更加适合进行短距离的夜视监控,此外由于红外照明设备的能量转换效率一般为20%-30%,甚至更低,依据能量守恒定律,其他的70%-80%的无效能量将以热量等方式挥发出去,这导致红外设备的发热量较大,从而严重影响红外设备的使用寿命,当然,红外设备的生产门槛低,价格便宜,这使得其在夜视监控中得以广泛应用。

  相对红外照明,激光照明的优势明显,其能量转换效率一般可达到50%-60%,能量分布更为集中,方向性更好,因此其更加适合中远距离的照明,依据需求还可对激光的空间光强分布模式进行匀化处理,从而使画面的亮度更加均匀,清晰。激光照明设备的使用寿命及稳定性皆较红外照明设备要佳,但需要注意的是在使用过程中人眼不可近距离地直视激光灯,否则可能会对人眼造成伤害,当然激光照明设备相对红外照明设备价格较高。

  除却红外与激光,监控行业中有时也会使用白光来对摄像机进行补光。与不可见的红外与激光不同,白光是一种可见光,属于冷光源。

  “白光的最大特点是其夜晚的成像为彩色图像,所看到的景物与白天并无太大差别,可以提供更多的信息量,有利于调查取证。”科达产品经理李伟伟说。

  值得一提的是,白光的有效补光距离相较红外与激光皆要短,其有效距离一般在50米以内。

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    图2 开启降噪效果前后的图像对比

  墙里墙外,各自花开

  “在低照度监控领域中,国际市场与国内市场的一个较大差异体现在补光型球机上,国际品牌很少会推出带红外补光功能的球机产品。” 威智伦(Avigilon)公司技术经理王伟在与笔者谈到国际国内安防市场的差异时如此表示。

  国际知名厂商在前端图像传感器及后端的DSP技术方面相较国内品牌具备优势,但国内品牌在具备光源补偿功能的摄像机的发展上更加迅速,其占有率已经超过50%以上,而中国安防市场已经占据全球安防市场三成的份额,这是任何国际巨头皆不会忽视中国市场的原因,因此,国际知名厂商纷纷迎合国内市场,在具备光源补偿功能的摄像机方面发力。尽管国内安防企业不太容易在产业链的上游找到属于自己的位置,但其更加了解用户的需求,可以此为突破口,寻求更大的发展。

  结语

  低照度监控技术的发展仍然在持续着,目前,200万像素低照度摄像机的技术已经较为成熟,基本能满足目前的应用需求,随着技术的不断进化,未来600万、4K甚至1600万像素的低照度摄像机将会被纷纷推出并得以成熟,届时,低照度监控技术将会为我们营造一个更加清晰、更加安全的和谐世界。

关键字:监控

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2015/0106/article_8058.html
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