星光级低照度摄像机的研究与应用

2015-04-23 19:09:32来源: 安防知识网 关键字:摄像机
    一、星光级低照度摄像机技术现状

  当前安防市场对摄像机低照度性能的要求越来越高,不但要实现24小时全天候监控,应用的环境也越来越复杂。目前对低照环境下的成像应用技术主要有红外热成像、主动红外、帧累积等。

  1、红外热成像

  红外热成像原理并不神秘,从物理学原理分析,人体就是一个自然的生物红外辐射源,能够不断向周围发射和吸收红外辐射。红外热成像技术就是利用探测红外辐射成像的原理把人体等信息记录并显示在一张平面图上。红外热成像的夜间效果是比较好的,但只能局限于夜间,而且无法显示人眼正常的成像效果,对于显示的反白效果不是很多人都能接受,另外,现阶段,由于热成像摄像机的价格比较昂贵,只能应到一些特殊领域,如数字化军队等。

  图1 红外热成像效果图

       2、主动红外

  目前市场上对于低照要求非常高的环境下,基本都是采用主动红外摄像机,就是在夜视状态下,红外灯会发出肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体,红外线经物体反射后进入图像传感器进行成像,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,这样就可以拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的物体,但这种成像方式会有以下几个问题:

  (1)反射光应用的局限性。如果监控环境比较空旷,红外光没有可反射的物体,这时的图像是全黑的,显示效果不好。如果监控环境比较复杂,存在多层次景物,则前景会把红外光反射了,后景就会看不到。除此之外,红外光为单色,导致最终显现的图像只能是黑白的。

  (2)光衰减距离的局限性。目前监控使用的红外灯多为LED,发出的红外光较散,在加透镜的情况下,最远距离只能达到100-120米。

  (3)红外灯寿命的局限性。目前红外灯的标称寿命为5万小时-10万小时不等,但实际应用中还要短一些,发热过高、功率过大是现阶段应用普遍存在的问题[2]。如果要求红外距离越远,则功率越大,同时热量就越大,如果红外灯靠近摄像机的传感器太近,同样也会影响摄像机的使用寿命。由于LED红外灯的电光转换效率仍在20%以下,大部分的电转换为热量,在灯管数量不断增加的情况下,产品发热量也越来越大,红外机的温度达到了80℃,甚至100℃以上,在高温下,LED芯片、摄像机和封装LED的环氧树脂都容易加速老化,使红外摄像机的使用寿命大大缩短。这也是主动红外摄像机所存在的最主要的问题。


     

图2 主动红外摄像机及成像效果图

              3、帧累积

  帧累积摄像机,是通过延长曝光时间来提升图像画面亮度,这样的摄像机打开慢快门功能时,输出的图像不是实时图像,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。慢快门摄像机不是通过机器的硬件性能来提升图像效果,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。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。

  4、更先进的技术

  低照度摄像机提升效果最合理的做法,是用硬件来提升产品性能,例如通过在传感器、ISP方面的努力,最大限度的利用环境光,实打实地提升低照度效果。由北京中电兴发科技有限公司自主研发的ULLSTM(超微光感知TM)采用国际最先进的图像传感器设计技术,不仅体积小、速度快、功耗低,并且具有高灵敏度、高信噪比、高动态范围等特点,加之以独有的ISP前端图像处理技术,进行图像的精确还原和大幅增强,使摄像机在低照度环境下的视觉表现达到全球领先水平。

  二、ULLS超微光感知技术的实现

  不同的设备商,其星光级低照度成像处理技术会有不同,本文着重介绍来自北京某知名厂商自主研发的超微光视觉感知技术,其整合了BSI图像传感器设计技术及ISP前端成像处理技术,通过最底层的光线采集及信号处理大幅提升了摄像机的感光性能。

  1、BSI图像传感器设计技术

  进入高清时代以来,随着图像传感器像素的不断提高,其感光灵敏度在成比例下降,一种新的BSI传感器架构模式应运而生。BSI是在设计上将图像传感器的上下层进行翻转,因此传感器可以通过原本是在底层的硅基板来收集光线。这种方法与传统的FSI传感器不同,在FSI传感器上,到达感光区的光线在某种程度上被传感器中进行光电转换的金属线和电介质层所限制。FSI方法会阻碍光线到达像素或使光线偏离像素,最终降低填充系数,并带来像素之间串扰等问题。BSI则将金属线和电介质层移到传感器阵列的下方,为光线提供了到达像素最直接的通道,优化了光线吸收[3]。ULLS图像传感器基于BSI架构,提供了多项超越性的性能改进,包括每单位区域更强的灵敏度、更高的量子效率以及减少串扰和光响应非均匀性,再结合特制的纳米级设计制程和新的生产工艺模块,使得图像传感器的弱光敏感度提高30%以上,并可有效控制色度亮度干扰,从而显著改进色彩和光电性能。


图3 基于BSI架构的ULLS图像传感器的光电性能

  
        2、ISP前端图像处理技术——3D数字降噪

  摄像机在低光条件下运行,不可避免的会出现固定的或随机的传感器噪声,且每一帧图像所产生的噪声是不相同的。若噪声过多则会使图像模糊不清。传统的2D降噪技术属于帧内降噪方式,在消除动态噪声方面效果有限。3D数字降噪是在帧内降噪的基础上,通过对比相邻几帧图像将噪声自动滤除处理掉,从而显示出比较清晰细腻的图像。星光级低照度成像技术再通过帧间预测方法,依据图像噪声的分布统计规律,在空间二维和时间一维上同时进行估计、预测和降噪处理,最大限度的去消除噪声对图像的影响,使最终成像效果得到极大的增强和改善,图像细节得到更好的辨识。除此之外,在面对明暗反差过大的场景时,3D数字降噪还可有效提高宽动态的展现能力。

  

图4 帧内降噪和3D降噪成像效果对比

  3、ISP前端图像处理技术——3A成像控制

  3A成像控制指自动曝光控制(AE)、自动聚焦控制(AF)、自动白平衡控制(AWB)。自动曝光控制能够自动调节图像的亮度,自动聚焦控制通过调整聚焦镜头的位置获得最高的图像频率成分,自动白平衡对不同光线造成的色差给予补偿。基本的3A成像控制是摄像机所必须的功能,优秀的3A成像控制算法对于摄像机的成像效果有着至关重要的影响。星光级低照度成像技术基于微分图像分析的3A成像控制算法,具有统计准确、反应迅速、调节平滑等特点,无论是在清晨还是黄昏,抑或是光线复杂的夜间环境,都能不受取景、光影影响,提供精确的颜色还原,呈现完美的日夜监控效果。

  三、低照度技术的应用瓶颈

  1、价格因素

  目前,市场上星光级低照度监控摄像机的价格普遍较高,导致不少行业客户望而却步,在成本控制之下对实际监控应用退而求其次。造成价格较高的原因主要有两个:

  其一,低照度摄像机器件品质选择要比普通摄像机高,还会应用一些独特的技术来进一步提升低照度性能,而且在产品设计上,要有专门的低照度电路,因此低照度摄像机的成本较高。

  其二,其他监控摄像机对低照度产品也有一定的影响,如红外一体机。实际上这两种产品是互相补充的关系。而一般地,红外一体机的价位要低于低照度摄像机。这样就使得既可以选择红外一体机,也可以选择低照度摄像机的场合,用户又没有专门要求时,如果预算不足,用户往往会更倾向于采用价格更低廉的红外一体机产品。

  2、市场需求

  据统计,夜晚犯罪率高达将近80%,昏暗不明的夜视环境催化了犯罪行径,随着星光级低照度摄像机的不断发展日趋成熟,行业客户已开始逐渐认识到夜间监控效果的重要性,但受价格、应用领域等种种因素的制约,人们对星光级低照度摄像机的重大意义仍缺乏客观的认知,在性价比方面存在较大的偏见。相当比例的客户仍坚信,要求摄像机24小时保持高品质监控的场合并不多,普通摄像机就能满足大多数应用领域的监控需求。从而导致了市场需求的滞后,低照度摄像机仍然不是市场主流。由此可见,低照度摄像机的应用还需要克服选用上的人为因素,才能取得较大突破。

  四、超微光感知技术(ULLS)在公共安全领域的应用

  基于ULLS(Ultra Low-Light Sensitivity)超微光感知技术的社会安全管理物联网应用系统响应了社会管理创新和和谐社会构建的国家战略发展需求,旨在提升城市综合管理水平和社会治安防控能力。该系统基于物联网系统三层架构的前端视频感知和后端信息处理领域进行创新研发,集软件技术、微电子技术、计算机及网络技术、广播电视技术等多种高新技术为一体的大型、综合、复杂的应用系统,实现了多信息系统、多技术的融合。

  该系统的技术创新和领先优势在于:集专为星光级系列产品打造的百万像素传感器、最新的高性能ARM处理器、嵌入式LINUX操作系统于一体,展现出特有的、全球领先的ULLS超微光感知性能,能够在极低照度的监控环境中(可达0.001Lux),清晰呈现彩色图像,完全超越人类视觉极限。同时,配以3A成像控制技术和3D数字降噪技术,使得监控物体在任何光照条件下,都能不受取景、光影影响,精准还原物体本来的色彩,使图像效果在低光和明暗对比强烈的环境中得到极大的增强和改善,并且彻底消除动态图像噪点。公司特有的上述核心技术目前居于国际领先的地位,有效解决了当前在平安城市、智能交通等社会安全管理物联网应用领域中所遇到的夜间或复杂光线环境下的图像色彩严重失真、清晰度很低等系列难题。

  该系统现已广泛应用于国内平安城市建设诸多工程中,大幅提高了极低照度情况下的图像质量效果,真正实现海量存储视频资料并提高磁盘使用寿命,有效降低了客户的投入成本。同时,通过对物体进行智能识别与行为分析提高了管理效率,并能够针对不同行业客户需求进行量身定制开发。为维护社会秩序、打击暴力恐怖袭击,促进社会和谐、推进社会管理创新、实现党和国家长治久安起到积极推动的作用。

关键字:摄像机

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2015/0423/article_8357.html
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