文/程瑋 杭州海康威視數(shù)字技術(shù)股份有限公司

　　摘要：超低照度攝像機(jī)通常指感光度較好的攝像機(jī)，只需要一點(diǎn)點(diǎn)光，就可以呈現(xiàn)比較明亮的圖像。而星光級(jí)超低照度攝像機(jī)是目前在夜晚監(jiān)控中效果最好的一類(lèi)攝像機(jī)，因其出色的夜晚成像效果，廣泛應(yīng)用于“平安城市”、“平安鄉(xiāng)鎮(zhèn)”、交通、金融、高檔樓宇、住宅小區(qū)、校園、港口等對(duì)攝像機(jī)低照度性能要求比較高但又不宜外加補(bǔ)光設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境中。

　　近年來(lái)隨著“平安城市”項(xiàng)目的不斷增多，攝像機(jī)夜晚低照度的效果也越來(lái)越多地受到人們的關(guān)注。夜間畫(huà)面是不是夠亮，能不能看清車(chē)牌，已經(jīng)成為評(píng)判一款攝像機(jī)效果好壞最重要的指標(biāo)之一。因此，很多“星光級(jí)”超低照度攝像機(jī)紛紛涌現(xiàn)出來(lái)，成為“平安城市”視頻監(jiān)控系統(tǒng)炙手可熱的機(jī)型之一。那么，究竟什么樣的攝像機(jī)才能被稱(chēng)為“星光級(jí)”?它到底有哪些關(guān)鍵的技術(shù)?可以實(shí)現(xiàn)怎樣的監(jiān)控效果呢?

　　何為星光級(jí)超低照度

　　照度是指單位面積上接收到可見(jiàn)光的光通量，通常以L(fǎng)ux為單位。在監(jiān)控行業(yè)，通常用“最低照度”值來(lái)表示攝像機(jī)的感光度或靈敏度，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這個(gè)值可以用來(lái)標(biāo)稱(chēng)攝像機(jī)在多黑的條件下還可以看到可用的圖像。在全黑的房間里，用攝像機(jī)對(duì)著被測(cè)物，然后將燈光慢慢調(diào)暗，直到在顯示器上看不清被測(cè)物為止，此時(shí)照度計(jì)上顯示的照度值，便是該攝像機(jī)的最低照度值。

　　根據(jù)攝像機(jī)的不同照度值，可以對(duì)它們進(jìn)行分類(lèi)。以攝像機(jī)正常工作照度范圍劃分為普通型，其最低照度值在0.1-1Lux間;月光型，其最低照度值在0.01Lux左右;而星光型就需要達(dá)到0.001 Lux以下了。在同樣的光照條件下，與普通照度的攝像機(jī)相比，星光級(jí)超低照度攝像機(jī)可以呈現(xiàn)更加明亮的圖像(圖1)，在0.1Lux光照下，左邊為普通照度攝像機(jī)的監(jiān)視效果，右邊為星光級(jí)超低照度攝像機(jī)所呈像的效果。

　　另外，如果不從效果上進(jìn)行考察，而是從參數(shù)上對(duì)攝像機(jī)的最低照度值進(jìn)行考察，還需要看這個(gè)指標(biāo)是在什么樣的條件下測(cè)得的。以槍型攝像機(jī)為例，槍機(jī)最低照度值的完整表述方式通常是：彩色0.01Lux@(F1.2，50IRE，AGC ON);黑白0.001Lux@(F1.2，50IRE，AGC ON)。首先，有彩色和黑白兩種模式下的照度值，黑白模式下攝像機(jī)靈敏度會(huì)更高，因此最低照度通常要比彩色模式下低一個(gè)數(shù)量級(jí);其次，還需注意攝像機(jī)所使用鏡頭的F值、視頻信號(hào)測(cè)量點(diǎn)評(píng)值、AGC的狀態(tài)，只有當(dāng)這些條件相同時(shí)，比較兩個(gè)攝像機(jī)的低照度的值才有意義;最后，還需注意的一點(diǎn)是當(dāng)紅外攝像機(jī)開(kāi)啟紅外燈時(shí)，通常認(rèn)為它的照度值是0Lux。

 圖1 同樣光照條件下普通攝像機(jī)和星光級(jí)攝像機(jī)成像效果對(duì)比

　　選擇星光級(jí)攝像機(jī)的理由

　　夜間監(jiān)控?cái)z像機(jī)主要分為紅外攝像機(jī)、熱成像攝像機(jī)及超低照度攝像機(jī)三種類(lèi)型。這三類(lèi)攝像機(jī)因各自不同的成像原理，可應(yīng)用于不同的監(jiān)控環(huán)境中。

　　紅外攝像機(jī)

　　當(dāng)環(huán)境光線(xiàn)暗到一定程度時(shí)，紅外攝像機(jī)會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟自帶的紅外燈，通過(guò)主動(dòng)發(fā)射紅外光，照亮監(jiān)控目標(biāo)，再通過(guò)采集反射回來(lái)的紅外光，從而生成圖像，是一種主動(dòng)式紅外。這時(shí)我們所看到的是由紅外線(xiàn)反射所成的影像，而不是可見(jiàn)光反射所成的影像，這樣就可以拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的物體，也就是人們常說(shuō)的可以達(dá)到0Lux的照度值。圖2就是普通攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)在無(wú)光環(huán)境且距離為50米下的監(jiān)控效果對(duì)比。因此，如果是比較空曠的環(huán)境，紅外燈沒(méi)有可反射的物體，這樣圖像的顯示效果就不會(huì)很好了。

　　對(duì)紅外攝像機(jī)來(lái)說(shuō)，紅外燈的壽命是用戶(hù)普遍比較關(guān)注的問(wèn)題。而溫度過(guò)高是導(dǎo)致紅外燈失效的主要因素之一，有研究表明，溫度每降低10℃，紅外燈的壽命可延長(zhǎng)1年。因此，紅外燈電路的散熱設(shè)計(jì)、功率大小都至關(guān)重要，尤其是遠(yuǎn)距離紅外，距離越遠(yuǎn)，紅外燈的功率越高，發(fā)熱量也會(huì)越大，當(dāng)溫度高到一定程度，甚至?xí)绊懙綌z像機(jī)圖像傳感器的效果。這是紅外攝像機(jī)存在的主要問(wèn)題。

圖2 普通攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)在無(wú)光環(huán)境且距離為50米下的監(jiān)控效果對(duì)比

　　熱成像攝像機(jī)

　　自然界中，一切高于絕對(duì)零度(-273℃)的物質(zhì)每時(shí)每刻都在源源不斷地向外輻射與自身性質(zhì)、溫度相關(guān)的電磁波，我們稱(chēng)這一現(xiàn)象為熱輻射現(xiàn)象。不同溫度下，物體所發(fā)出熱輻射的波長(zhǎng)不一樣。熱成像攝像機(jī)的探測(cè)機(jī)理是利用目標(biāo)和背景或目標(biāo)各部分之間的輻射差異形成的紅外輻射特征圖像來(lái)發(fā)現(xiàn)和識(shí)別目標(biāo)，通常是由對(duì)紅外光透明，不透過(guò)可見(jiàn)光和紫外線(xiàn)的高純鍺單晶材質(zhì)鏡頭，同時(shí)利用熱紅外探測(cè)器將紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。

　　因?yàn)闊岢上駭z像機(jī)的特殊工作原理，其成像不受光線(xiàn)影響，適用于完全黑暗、強(qiáng)光、逆光、眩光等環(huán)境之中，能清楚分辨不同物體、識(shí)別偽裝及隱蔽的目標(biāo)。相對(duì)于普通攝像機(jī)而言，熱成像攝像機(jī)擁有更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，根據(jù)選配鏡頭焦距的不同，最遠(yuǎn)監(jiān)控距離可以達(dá)到幾公里以外。另外，熱成像攝像機(jī)可以探測(cè)不同溫度物體發(fā)出的不同波長(zhǎng)的紅外熱輻射，從而辨識(shí)物體表面的溫度。不過(guò)，由于需要吸收物體輻射的能量才能成像，因此如果被監(jiān)控物體和攝像機(jī)之間有阻隔物的話(huà)，會(huì)影響其成像效果。

圖3 普通攝像機(jī)和熱成像攝像機(jī)在無(wú)光環(huán)境下的監(jiān)控效果對(duì)比

　　超低照度攝像機(jī)

　　超低照度攝像機(jī)通常指感光度較好的攝像機(jī)，只需要一點(diǎn)點(diǎn)光，就可以呈現(xiàn)比較明亮的圖像。而星光級(jí)超低照度攝像機(jī)是目前在夜晚監(jiān)控中效果最好的一類(lèi)攝像機(jī)，因其出色的夜晚成像效果，廣泛應(yīng)用于“平安城市”、“平安鄉(xiāng)鎮(zhèn)”、交通、金融、高檔樓宇、住宅小區(qū)、校園、港口、高速公路、街道等對(duì)攝像機(jī)低照度性能要求比較高但又不宜外加補(bǔ)光設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境下。例如在道路監(jiān)控看車(chē)牌的場(chǎng)景中，有些城市居民會(huì)覺(jué)得加了補(bǔ)光燈后造成光污染，比較排斥補(bǔ)光設(shè)備，而紅外攝像機(jī)照射車(chē)牌后，車(chē)牌的特殊材質(zhì)會(huì)導(dǎo)致反光，從而看不清車(chē)牌細(xì)節(jié)，所以如果要看清車(chē)牌并不適合用紅外攝像機(jī)，星光級(jí)超低照度攝像機(jī)的出現(xiàn)，立刻成為“平安城市”道路監(jiān)控中炙手可熱的機(jī)型，只需要利用一些微弱的路燈或環(huán)境光來(lái)進(jìn)行補(bǔ)光就可以呈現(xiàn)明亮的圖像，達(dá)到看清車(chē)牌的目的。圖3就是星光級(jí)超低照度攝像機(jī)在夜晚看車(chē)牌的效果圖。

　　如何改善攝像機(jī)在夜間的監(jiān)控效果

　　要提升攝像機(jī)夜間監(jiān)控圖像的亮度，除了外加紅外燈或白光燈補(bǔ)光之外，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)攝像機(jī)自身的一些硬件或參數(shù)設(shè)置來(lái)進(jìn)行提升。

圖4 星光級(jí)超低照度攝像機(jī)夜間監(jiān)控車(chē)牌的效果

　　采用靈敏度高的圖像傳感器及鏡頭

　　這是通過(guò)硬件改善的方式來(lái)提升攝像機(jī)在低照度環(huán)境下的夜視效果。

　　鏡頭作為攝像機(jī)的重要組成部分，其是光線(xiàn)進(jìn)入攝像機(jī)的第一道“關(guān)卡”， 其攝取光線(xiàn)的多少直接決定了成像的清晰度。而通常用“進(jìn)光量”的大小來(lái)衡量鏡頭對(duì)光線(xiàn)的攝取能力，鏡頭的進(jìn)光量可以用F值(光闌系數(shù))表示。F值=f(鏡頭焦距)/D(鏡頭的有效光圈口徑)，它與口徑成反比，與焦距成正比。在焦距相同的條件下，選擇光圈口徑越大的鏡頭，鏡頭進(jìn)光量就越大，也就是需要選擇F值越小的鏡頭。常見(jiàn)鏡頭的光闌系數(shù)有F1.2、F1.4等。

　　圖像傳感器是光線(xiàn)進(jìn)入攝像機(jī)的第二道“關(guān)卡”，從鏡頭透進(jìn)的光線(xiàn)會(huì)在這里轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。目前主流的傳感器有CCD和CMOS兩種，CCD的制造工藝較為復(fù)雜且技術(shù)壟斷在幾個(gè)日系廠(chǎng)家手中，成本較高，其在靈敏度及信噪處理等方面的表現(xiàn)優(yōu)于CMOS，而CMOS則具有低成本、低功耗以及高整合度的特點(diǎn)。但隨著CMOS技術(shù)的不斷發(fā)展，CCD和CMOS之間的差距正在逐漸減小，新一代的CMOS已經(jīng)極大地改善了在靈敏度方面的不足，成為高清攝像機(jī)領(lǐng)域的主流，現(xiàn)在市面上的星光級(jí)超低照度網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)基本上采用的都是高靈敏度的CMOS傳感器。另外，傳感器的尺寸大小也會(huì)影響其低照度效果，在同樣的光照條件下，尺寸越小，像素越高的攝像機(jī)低照度效果越差。

　　提高幀累積、增益，增加曝光時(shí)間

　　這是通過(guò)調(diào)節(jié)攝像機(jī)的參數(shù)來(lái)提升圖像亮度的方法。

　　幀累積或者慢快門(mén)功能，可以持續(xù)像素中的光電荷轉(zhuǎn)換，從而延長(zhǎng)曝光時(shí)間，提升圖像畫(huà)面亮度，因此打開(kāi)慢快門(mén)功能時(shí)，輸出的圖像不是實(shí)時(shí)圖像，而是通過(guò)犧牲圖像的實(shí)時(shí)性，來(lái)提升低光照?qǐng)龊舷碌膱D像清晰度，只要攝像機(jī)的快門(mén)慢到4倍以上，在監(jiān)視器上就可以看到比較明顯的圖像拖影。但是對(duì)于監(jiān)控而言，重要的恰恰在于清晰、連貫、實(shí)時(shí)的圖像，因此幀累積慢快門(mén)攝像機(jī)常常被用于對(duì)靜態(tài)事物的監(jiān)視，而不建議用在非靜態(tài)應(yīng)用中。

　　AGC(Auto Gain Control)是將來(lái)自圖像傳感器的信號(hào)放大到可以使用水準(zhǔn)的視頻放大器，其放大量即增益，可自動(dòng)根據(jù)信號(hào)電平調(diào)整增益幅度，優(yōu)點(diǎn)是提升了攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，缺點(diǎn)是將噪聲一同放大。因此當(dāng)夜晚圖像增益提高時(shí)，畫(huà)面會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似“雪花點(diǎn)”的噪點(diǎn)，可以開(kāi)啟攝像機(jī)的3D降噪功能，撫平畫(huà)面噪點(diǎn)，使圖像看起來(lái)更細(xì)膩平滑。

　　未來(lái)趨勢(shì)

　　人類(lèi)對(duì)于高清的追求是永無(wú)止境的，因此向更高清的方向發(fā)展是一個(gè)必然的趨勢(shì)。而像素值越高的攝像機(jī)其低照度效果反而越差，隨著技術(shù)的發(fā)展，圖像傳感器工藝的進(jìn)步，一定會(huì)出現(xiàn)既能滿(mǎn)足高清監(jiān)控，又具有較好低照度監(jiān)控效果的圖像傳感器。其實(shí)目前市場(chǎng)上500萬(wàn)像素以上的攝像機(jī)低照度效果相比較3年前已經(jīng)有了相當(dāng)大的提升。

　　另外，像素越高，圖像傳感器等部件的價(jià)格越貴，考慮到CCD比CMOS成本上要貴很多，且兩者之間夜間成像效果已經(jīng)相差無(wú)幾，甚至結(jié)合一些優(yōu)秀圖像處理算法，CMOS的效果還要好于CCD，因此未來(lái)的超高清超低照度攝像機(jī)市場(chǎng)肯定還是要以CMOS為主。當(dāng)然星光級(jí)超低照度監(jiān)控并非盡頭，而是一個(gè)起點(diǎn)，未來(lái)的攝像機(jī)肯定還會(huì)向著更低的照度方向發(fā)展，最終做到“無(wú)光勝有光”。