某小區(qū)治安監(jiān)控項(xiàng)目采購(gòu)了一批某著名品牌的彩轉(zhuǎn)黑日夜型攝像機(jī),調(diào)試完成后,業(yè)主覺得夜間照度不佳,但為了避免夜間燈光擾民,要求增加紅外燈對(duì)監(jiān)控點(diǎn)位進(jìn)行補(bǔ)光,系統(tǒng)集成商按要求增加了若干紅外補(bǔ)光燈,但是到了夜晚,幾乎每個(gè)點(diǎn)位的攝像機(jī)都出現(xiàn)了彩色黑白視頻反復(fù)切換的問題。集成商百思不得其解,找來攝像機(jī)的廠家,開始也是一籌莫展,最后經(jīng)過仔細(xì)分析,最終使問題得到了較好的解決,相關(guān)技術(shù)人員也上了寶貴的一課。要了解問題發(fā)生的根源并理解最終的解決辦法,我們必須從頭說起。
黑白視頻和彩色 視頻清晰度問題
模擬復(fù)合視頻信號(hào)(CVBS)是由一系列頻率不同的正弦波所組成的復(fù)雜波形(可根據(jù)傅里葉變換分解),這些正弦波的頻率范圍從0赫茲到8M赫茲,這也就是復(fù)合視頻信號(hào)的帶寬。在這一系列的不同頻率的正弦波中,低頻部分決定了視頻中物體的形狀等宏觀屬性,而高頻部分則決定了圖像的清晰度和圖像中物體的細(xì)節(jié)。如果是彩色信號(hào),那么色彩部分也是由高頻部分決定的。也就是說,對(duì)于彩色復(fù)合視頻信號(hào)來說,信號(hào)的高頻部分決定了圖像的清晰度、被攝物體的細(xì)節(jié)以及色彩等屬性。由于基帶復(fù)合視頻信號(hào)通常在同軸電纜上傳遞,也就是說所有頻率的信號(hào)都會(huì)在同一根線纜上傳輸,而由于高頻部分包含了色彩信號(hào),這會(huì)對(duì)原來的決定清晰度和細(xì)節(jié)的那部分高頻信號(hào)帶來干擾,這樣做的后果是,視頻的清晰度會(huì)下降。聯(lián)系實(shí)際,我們常??梢园l(fā)現(xiàn) ,黑白攝像機(jī)的清晰度要好于彩色攝像機(jī),彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)在同樣條件下轉(zhuǎn)黑白模式后要更清晰一些。如果我們留意產(chǎn)品資料上彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)的參數(shù),就會(huì)注意到,黑白狀態(tài)下的線數(shù)標(biāo)稱要比彩色狀態(tài)下的線數(shù)高一些。
關(guān)于紅外校正鏡頭
自然界中不單有可見光,還有紅外光,只是紅外光人眼是無法感知的,但是攝像機(jī)的感光器件卻可以對(duì)紅外光進(jìn)行成像。紅外線參與成像,可以有效提高攝像機(jī)的靈敏度,但是對(duì)攝像機(jī)的鏡頭是有要求的。如果攝像機(jī)上安裝的是普通鏡頭,眾所周知,紅外光和可見光經(jīng)過普通鏡頭后成像的焦點(diǎn)是不同的,此時(shí),由于濾光片的作用,紅外線不參與成像。而我們?cè)谡{(diào)試攝像機(jī)時(shí),一般是在可見光充足的條件下,對(duì)鏡頭的聚焦調(diào)試是以可見光為準(zhǔn)的,由于可見光與紅外光通過普通鏡頭后折射率的不同,如果聚焦以可見光為準(zhǔn),那么紅外光參與成像時(shí)所成的圖像就會(huì)模糊,這樣造成的后果就是一旦紅外線參與成像,如果采用的是普通鏡頭,那么不管彩色或者黑白模式,視頻都會(huì)變模糊些。為了解決這個(gè)問題,一種方法就是采用紅外校正鏡頭,紅外校正鏡頭通過鏡頭鍍膜技術(shù)和鏡片研磨工藝保證了對(duì)可見光和紅外光成像點(diǎn)的統(tǒng)一。這樣一來,無論什么情況下,都能得到聚焦清晰的圖像。
某些項(xiàng)目中,攝像機(jī)沒有安裝紅外校正鏡頭,結(jié)果明明白天調(diào)試聚焦是清晰的,結(jié)果晚上就顯得模糊了,這里面有景深的因素,也有紅外光成像偏離焦點(diǎn)的因素。如果整個(gè)畫面都模糊了,基本上是紅外光偏焦的問題,如果只是一部分原來清楚的物體變得模糊,則有可能與景深有關(guān)。
以下的討論都在假設(shè)攝像機(jī)使用紅外校正鏡頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
簡(jiǎn)易彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)和真正的彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)
攝像機(jī)的CCD或者CMOS(以下簡(jiǎn)稱為感光器件)都是不單可以感受可見光,還可以感受紅外光。自然界中紅外光也是普遍存在的,紅外光在攝像機(jī)里參與成像有利有弊。紅外線是沒有顏色的,攝像機(jī)對(duì)紅外線的成像是黑白色的,如果此時(shí)攝像機(jī)同時(shí)對(duì)可見光成像,且處于彩色狀態(tài),那么黑白視頻和彩色視頻疊加在一起,會(huì)造成原來彩色圖像的偏色,畫面會(huì)偏藍(lán)偏紫,所以在光線充足的情況下,我們是不希望紅外線參與成像的,所以,在攝像機(jī)傳感器之前和鏡頭之后,都會(huì)設(shè)置一塊紅外濾光片,這塊濾光片可以是固定的,也可以是可移動(dòng)的。
白天可見光充足,攝像機(jī)處于彩色模式下,輸出彩色圖像,為保證色彩逼真,紅外濾光片必須擋在感光器件前面,把紅外光濾除掉,不讓紅外線參與成像。但是在夜間或者可見光不足的情況下,可見光成像效果變差了,此時(shí),我們是希望紅外線能參與成像,提高視頻效果。所以在這種情況下,必須允許紅外線進(jìn)入攝像機(jī),即將濾光片從感光器件前移開,使紅外線能參與成像。但是此時(shí),是否還要繼續(xù)保持彩色模式呢?當(dāng)然可以繼續(xù)保持彩色模式,但是帶來的代價(jià)是清晰度不高(與黑白視頻相比)、視頻偏色 。但是這樣做也有好處,就是視頻即使是偏色的,但畢竟還是彩色的,其信息量和參考價(jià)值要大于黑白視頻。另一種選擇就是為了避免偏色造成的不適感,在可見光不足時(shí),將攝像機(jī)處于黑白工作模式,這樣做雖然喪失了色彩信息,但是提高了清晰度,盡管這種提升可能很有限。在將攝像機(jī)切換至黑白模式的同時(shí),將紅外濾光片移開,讓紅外線參與成像,這意味著進(jìn)入攝像機(jī)傳感器的光(紅外光)增加了許多,畫面亮度可以得到有效提升。由于濾光片移開后,紅外線能參與成像,所以如果我們注意彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)的照度參數(shù),就可以發(fā)現(xiàn),攝像機(jī)在黑白模式下的低照度性能一般都比在彩色模式下有數(shù)量級(jí)的提升。 如圖1所示。
如果濾光片是固定不可移動(dòng)的,那么這種日夜型攝像機(jī)就是簡(jiǎn)易彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)。簡(jiǎn)易彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)也可以在光照不足時(shí)轉(zhuǎn)成黑白模式,但是此種攝像機(jī)的紅外濾光片是固定在感光器件前面的,也就是說,即使在光照不足的情況下,紅外光也無法進(jìn)入攝像機(jī)內(nèi)部,也不能參與成像,在光照不足的情況下,攝像機(jī)只是轉(zhuǎn)為黑白模式,這個(gè)轉(zhuǎn)換只能稍微提升一些清晰度,沒有低照度效果上的明顯提升,如果留意簡(jiǎn)易彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)的產(chǎn)品參數(shù),可以發(fā)現(xiàn),此種攝像機(jī)在黑白或者彩色模式下,照度參數(shù)沒有明顯的提升,處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)。
如圖2所示。
顯然這種攝像機(jī)無法配合紅外燈使用,其轉(zhuǎn)黑白模式的意義也非常有限。
我們將那些紅外濾光片可以根據(jù)光線充足與否適當(dāng)切換,使紅外線能參與成像,以至于對(duì)攝像機(jī)的低照度效果有實(shí)質(zhì)提升的攝像機(jī)稱之為彩轉(zhuǎn)黑日夜型攝像機(jī),簡(jiǎn)稱彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī),這是真正意義上的彩轉(zhuǎn)黑日夜型攝像機(jī)。而簡(jiǎn)易型彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)特指那些濾光片無法切換的彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)。
彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)的工作機(jī)制彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)的紅外濾光片是如何根據(jù)外界光照情況來自主切換的呢?我們必須了解彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)的工作原理。
為了保證視頻輸出的效果,攝像機(jī)內(nèi)部一般都有對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理的芯片(DSP),如果要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行處理,必須把感光器件采集到的模擬原始視頻信號(hào)(不同于攝像機(jī)最終輸出的信號(hào),最終輸出的信號(hào)是經(jīng)過處理后的視頻信號(hào))轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),數(shù)字信號(hào)進(jìn)入視頻信號(hào)處理芯片進(jìn)行各種效果的優(yōu)化以及調(diào)節(jié)。視頻處理芯片一般內(nèi)部集成某些算法,用以實(shí)現(xiàn)寬動(dòng)態(tài)效果,提升低照度效果等。涉及到提升低照度效果時(shí),通常會(huì)使用自動(dòng)增益控制電路AGC。
自動(dòng)增益控制電路是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)視頻效果(主要是信號(hào)幅度)的電路。當(dāng)光照充足時(shí),原始的視頻信號(hào)幅度足夠,此時(shí)即使將AGC功能開啟,此電路也不起作用,不對(duì)視頻進(jìn)行信號(hào)放大處理。隨著光照條件的惡化,攝像機(jī)感受到的原始視頻信號(hào)幅度越來越低,此時(shí),AGC自動(dòng)增益電路就開始起作用了,其放大視頻幅度,使畫面變亮,由于只是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理,所以原始信號(hào)中的噪聲信號(hào)也將同時(shí)被放大。在光照充足時(shí),視頻信號(hào)中的有用部分與噪聲部分相比要大許多,在視頻中基本看不到噪聲,但是在光照不足時(shí),視頻信號(hào)幅度下降得很快,此時(shí)有用信號(hào)的幅度和噪聲信號(hào)就處于可比較的層次上,此時(shí)如果對(duì)整個(gè)視頻信號(hào)進(jìn)行放大,則有用部分和噪聲部分同時(shí)被放大了,原本不明顯的噪聲被放大后就很明顯了,反映在視頻上就是畫面亮度有明顯的提升,但是噪點(diǎn)也將變得明顯,并且隨著增益倍數(shù)的提升越發(fā)明顯。
需要注意的是,自動(dòng)增益控制功能一定要處于開啟或者使能狀態(tài),在這種情況下,此增益電路才可以根據(jù)原始視頻亮度來動(dòng)態(tài)地選擇增益的倍數(shù),隨著光照條件的下降,增益倍數(shù)是在相應(yīng)地增加,當(dāng)光線充足時(shí),即使此增益電路處于使能狀態(tài),也不會(huì)工作,所以,不會(huì)使本來就很好的視頻變得更亮。
如果AGC功能處于關(guān)閉狀態(tài),即使光照條件很差,畫面亮度也不會(huì)有提升,畫面很暗,但是由于沒有對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,所以不會(huì)有明顯的噪點(diǎn)。
然后,攝像機(jī)的彩色黑白模式到底是根據(jù)什么來切換的呢?普通攝像機(jī)沒有眼睛,沒法分辨白天黑夜或者光線狀況是否良好,但是可以根據(jù)一些間接的條件來做出判斷。在上述過程中,我們可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)自動(dòng)增益功能開啟時(shí),增益的倍數(shù)其實(shí)是可以間接反映出原始視頻信號(hào)幅度,進(jìn)而間接反映出外界環(huán)境光照度的大小。讓我們以白天和黑夜為例來理順這一過程。
白天光照充足的環(huán)境下,攝像機(jī)采集的原始視頻亮度已經(jīng)足夠,即使AGC處于工作狀態(tài)下,增益值也很小,甚至沒有,隨著光照條件的不斷下降,原始視頻幅度也隨之下降,隨著原始視頻幅度的下降,自動(dòng)增益電路的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用開始發(fā)揮作用,增益倍數(shù)隨著原始視頻幅度的下降而逐漸提升,放大視頻信號(hào),導(dǎo)致攝像機(jī)最終輸出的視頻維持在一個(gè)合適的亮度上。
在這個(gè)過程中,隨著外界光照條件的不斷下降,增益的倍數(shù)是在隨之不斷提升的,所以說,增益電路的放大倍數(shù)是可以間接反映出外界環(huán)境的情況,只是二者呈現(xiàn)反比關(guān)系,當(dāng)增益值上升到某個(gè)數(shù)值時(shí),我們就可以認(rèn)為,此時(shí)光照不良,需要通過攝像機(jī)本身的CPU發(fā)出指令將紅外濾光片移開,使紅外線能進(jìn)入攝像機(jī)參與成像了,當(dāng)增益值下降到某個(gè)值,我們就可以認(rèn)為,此時(shí)光照充足,可見光足夠,紅外線不需要再參與成像了,免得畫面亮度過高。
攝像機(jī)是否處于黑白或者彩色模式和上述過程沒有必然聯(lián)系,只是在長(zhǎng)期的實(shí)踐過程中,為了避免紅外線參與成像導(dǎo)致的模糊以及偏色問題,幾乎所有的攝像機(jī)生產(chǎn)商,都做了如下聯(lián)動(dòng)處理:濾光片的切換帶動(dòng)攝像機(jī)色彩模式的切換。當(dāng)濾光片處于感光器件前時(shí),攝像機(jī)處于彩色模式,紅外線不參與成像,畫面不會(huì)偏色;而當(dāng)濾光片從感光器件前移開時(shí),紅外線參與成像,為避免偏色現(xiàn)象,攝像機(jī)轉(zhuǎn)換為黑白模式,提供清晰的黑白視頻。
濾光片是否移開,則是由光照是否充足決定的,而光照是否充足則由AGC電路的增益數(shù)值來間接反映的。
綜上所述,AGC自動(dòng)增益電路的增益值將決定濾光片的切換動(dòng)作,進(jìn)而決定彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)的彩色或黑白狀態(tài)。換句話說,攝像機(jī)是根據(jù)自動(dòng)增益的數(shù)值來決定自身處于何種色彩狀態(tài)的,如果AGC電路不起作用,彩色黑白的狀態(tài)轉(zhuǎn)換就會(huì)失去誘因和依據(jù)。再回到實(shí)際中,如果留心,你會(huì)發(fā)現(xiàn),彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)如果把自動(dòng)增益功能關(guān)閉,則自動(dòng)彩轉(zhuǎn)黑功能就不再起作用了,攝像機(jī)將固定處于彩色或者黑白狀態(tài)(如圖3)。
一體式紅外機(jī)
市場(chǎng)上有一種紅外一體化攝像機(jī),如圖4所示。
這種攝像機(jī)的彩轉(zhuǎn)黑原理和上述彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)有較大的不同。紅外一體化攝像機(jī)內(nèi)置了紅外燈陣列,如果仔細(xì)觀察,可以在紅外燈陣列的下方位置找到一個(gè)特殊的器件——光敏電阻(箭頭處)。這個(gè)光敏電阻就是紅外一體化攝像機(jī)是否彩轉(zhuǎn)黑的依據(jù)。
光敏電阻是一種能根據(jù)可見光亮度相應(yīng)地變化阻值的特殊電阻,在可見光充足時(shí),光敏電阻的阻值會(huì)變得最小,但不會(huì)是0歐姆,而大致是十幾歐姆;當(dāng)可見光逐漸稀少時(shí),光敏電阻的阻值會(huì)逐漸變大,當(dāng)完全沒有可見光時(shí),阻值會(huì)變得很大,類似于開路。如果我們把阻值的變化值(十幾~∞)等效為0到100的一系列值,就能很方便來設(shè)定彩轉(zhuǎn)黑的閥值了。
與前述彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)不同的是,紅外一體化攝像機(jī)中的光敏電阻檢測(cè)的光照的變化是一個(gè)客觀的值,光敏電阻的阻值是可以真實(shí)直接地反映出外界的光照情況。彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)只能依靠AGC的增益倍數(shù)來間接反映出外界光照情況,而紅外一體機(jī)的光敏電阻,更像人的眼睛,顯然,用光敏電阻來作為攝像機(jī)彩色黑白轉(zhuǎn)換的依據(jù)會(huì)更合適些,只是彩轉(zhuǎn)黑的閥值需要仔細(xì)設(shè)定。
實(shí)際上,紅外一體機(jī)的彩轉(zhuǎn)黑原理也正是如此。
當(dāng)外界光照狀況下降時(shí),光敏電阻的阻值逐漸增大,當(dāng)超過設(shè)定的閥值時(shí),攝像機(jī)會(huì)執(zhí)行3個(gè)動(dòng)作:1、開啟紅外燈,為被拍攝物體補(bǔ)光;2、紅外濾光片從感光器件前移除,保證補(bǔ)充的紅外光以及自然界的紅外光經(jīng)被攝物體反射后能夠進(jìn)入攝像機(jī)成像;3、把攝像機(jī)的色彩狀態(tài)從彩色切換成黑白,同樣,是否進(jìn)行彩色切換是可以選擇的,如果轉(zhuǎn)成黑白狀態(tài),則可以避免彩色狀態(tài)下的紅外光偏色以及提高清晰度。鑒于此,幾乎所有用戶都選擇切換為黑白狀態(tài)。
紅外一體攝像機(jī)的色彩模式完全由光敏電阻的阻值來決定,相對(duì)客觀,不受其他因素的影響。
前面說了這么多,都是為了解釋下面的問題做鋪墊。
彩轉(zhuǎn)黑日夜型攝像機(jī)機(jī)和外部紅外燈的配合問題
普通的彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)在處于黑白模式時(shí),且彩轉(zhuǎn)黑模式處于自動(dòng)模式(AUTO)下時(shí)可以對(duì)自然界已有的紅外光成像,提高靈敏度,提高低照度的效果,但是不能增加紅外補(bǔ)光燈,如果和外部的紅外補(bǔ)光燈配合,則很可能會(huì)出現(xiàn)彩色黑白狀態(tài)反復(fù)切換的情況。原因如下。
我們首先必須明確,彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)處于自動(dòng)切換模式時(shí),是否切換的決定因素是AGC的增益值,而不是外界客觀的光照情況。
白天,光照充足時(shí),攝像機(jī)處于彩色模式,紅外濾光片擋在感光器件前面,紅外線不參與成像,此時(shí)攝像機(jī)輸出的是亮度正常,色彩逼真的彩色視頻,隨著光照情況的下降,AGC電路逐漸開始發(fā)揮作用,不斷增大信號(hào)放大倍數(shù),以維持輸出信號(hào)在一個(gè)正常的幅度,當(dāng)AGC值超過預(yù)設(shè)的閥值時(shí),攝像機(jī)認(rèn)為此時(shí)外界光照不足,已經(jīng)需要紅外光參與成像,攝像機(jī)此時(shí)會(huì)執(zhí)行下列動(dòng)作:1、移除感光器件前面的紅外濾光片,讓紅外線進(jìn)入攝像機(jī);2、將攝像機(jī)的色彩轉(zhuǎn)為黑白模式,輸出黑白的清晰的圖像。如果此時(shí)增加外部紅外補(bǔ)光燈,則被攝物體照度迅速增加,導(dǎo)致AGC的增益倍數(shù)相應(yīng)下降,當(dāng)降到某個(gè)預(yù)設(shè)的閥值時(shí),攝像機(jī)認(rèn)為外界光照是充足的,可以認(rèn)為已經(jīng)到了白天,此時(shí)需要輸出的是彩色的圖像,此時(shí)攝像機(jī)會(huì)恢復(fù)紅外濾光片的作用,同時(shí)切換為彩色模式,由于此時(shí)被攝物體反射的主要是紅外補(bǔ)光燈產(chǎn)生的紅外光,這部分光又將被紅外濾光片擋在攝像機(jī)外面,這又造成了被攝物照度急劇下降,導(dǎo)致AGC值迅速上升,超過預(yù)設(shè)閥值后,攝像機(jī)又會(huì)認(rèn)為此時(shí)處于黑夜?fàn)顟B(tài),必須允許紅外線參與成像,同時(shí)將攝像機(jī)切換為黑白狀態(tài),如此反復(fù),造成了攝像機(jī)在彩色和黑白之間來回切換。那么彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)是否可以和外部紅外補(bǔ)光燈配合使用呢,應(yīng)該是可以的,但是需要注意下列幾個(gè)原則。
1、使用的彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)必須具備外部輸入信號(hào)切換彩轉(zhuǎn)黑功能。攝像機(jī)的彩轉(zhuǎn)黑選擇不能只有自動(dòng)模式(AUTO),必須具有外部輸入信號(hào)切換模式(EXT),如圖5所示的某款彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)的菜單。
2、所使用的紅外補(bǔ)光燈在開啟或者關(guān)閉時(shí),必須能輸出開關(guān)量信號(hào)供彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)切換。
3、紅外補(bǔ)光燈輸出的開關(guān)量信號(hào)的類型必須和彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)內(nèi)部的外部輸入信號(hào)類型符合,如圖6所示的某款攝像機(jī)的外部輸入信號(hào)類型要求。
此款攝像機(jī)雖然支持外部輸入信號(hào)來切換色彩狀態(tài),但是要求外部輸入信號(hào)類型必須是個(gè)常開的開關(guān)量信號(hào),即白天光照充足,紅外燈關(guān)閉時(shí),紅外燈送出的信號(hào)一定是常開的,當(dāng)晚上光照不足時(shí),紅外燈開啟,此時(shí)常開信號(hào)要閉合,即短路,攝像機(jī)切換至黑白狀態(tài)。
當(dāng)然最理想的狀態(tài)是紅外燈輸出的開關(guān)量信號(hào)類型可選擇,攝像機(jī)內(nèi)部要求的切換信號(hào)類型也可選擇。
至少滿足了上述要求,彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)才能實(shí)現(xiàn)和外部紅外補(bǔ)光燈完美配合。最后,再回到文章開頭的那個(gè)實(shí)際案例,攝像機(jī)廠家的技術(shù)人員最終建議集成商更換了可以輸出開關(guān)量信號(hào)的紅外燈,算是較好地解決了這個(gè)問題。
日夜型彩轉(zhuǎn)黑攝像機(jī)和外部紅外補(bǔ)光燈配合使用的例子不是很多,所以本文描述的問題可能大多數(shù)同行都沒有遇到過,希望本文能給讀者一個(gè)有益的提醒,當(dāng)然對(duì)于了解攝像機(jī)的工作原理也是有好處的。