文/王新偉 深圳中興力維技術(shù)有限公司

　　摘要：在有大量紅外光的場景中，沒有辦法很好做到精確的白平衡，所以一般的彩色攝像機在Sensor之前都會有紅外濾鏡以起到過濾紅外光的作用。紅外攝像機在紅外燈開啟時，存在大量的紅外光，此時肯定不會使用紅外濾鏡過濾掉紅外光，只能使用全透濾鏡并切換成黑白圖像。

　　經(jīng)過一段時期的快速發(fā)展，大部分安防監(jiān)控廠商針對常規(guī)場景(白天)監(jiān)控方面的技術(shù)趨于成熟，差距較小，但夜視效果則參差不齊。而夜間低照度環(huán)境是監(jiān)控中需要重點關(guān)注的，此時更能體現(xiàn)出各廠家的真正實力。未來各廠商會投入更多資源研究和提升攝像機低照度效果。另一方面，良好的低照度效果也是采購方重點考量的因素，它對實現(xiàn)24小時監(jiān)控、保留證據(jù)、打擊犯罪都會有很大幫助，這也是今后攝像機競標(biāo)效果PK的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　目前一般在用的24小時監(jiān)控攝像機在夜間主要是以黑白圖像模式來顯示，但這樣攝像機在夜晚會失去彩色信息，人與人、車和車，或者其他事物之間的相似度較大，不利于快速辨別目標(biāo)。低照度攝像機就是要以彩色圖像來監(jiān)控各種各樣的場景，幫助快速鎖定目標(biāo)。

　　何為低照度攝像機

　　低照度監(jiān)控攝像機，顧名思義是指能在極低的光照情況下可以實現(xiàn)清晰彩色的辨識影像、實時連續(xù)畫面的攝像機。低照度攝像機一般分成暗光級、月光級、星光級，它們分別指光照為0.1Lux、0.01Lux和0.001Lux及以下。關(guān)于低照度攝像機具體照度要求，CCTV產(chǎn)業(yè)在技術(shù)規(guī)格方面并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此當(dāng)前也無法定義其最低照度為何值則可稱其為低照度攝像機。而且最低照度與鏡頭的光圈大小(F值)、增益(AGC)、紅外燈開關(guān)狀態(tài)等條件均有關(guān)系，因此比較不同攝像機的最低照度水平需要在相同的環(huán)境下對圖像效果進(jìn)行比較。現(xiàn)在市面的主流攝像機都宣稱彩色圖像的最低照度在0.01Lux以下，同時也注明了測試條件：F(1.2)、AGC on。

　　低照度攝像機的優(yōu)勢

　　相比普通照度攝像機

　　很顯然低照度攝像機的優(yōu)勢在于它的低照特性，即使在光線不好的情形下，亦可實現(xiàn)清晰的彩色圖像。

　　相比紅外攝像機

　　與紅外攝像機相比，低照度攝像機的優(yōu)勢體現(xiàn)在如下方面。

　　穩(wěn)定性好

　　紅外攝像機需要增加一個紅外燈，紅外燈主要有LED紅外燈、陣列式LED紅外燈和激光紅外燈等這幾種，他們的共同特點是發(fā)熱量大且壽命短。在紅外燈損壞之后，整個攝像機也就無法使用，而且由于發(fā)熱量大，攝像機內(nèi)部溫度過高，會出現(xiàn)電子器件的“溫漂”現(xiàn)象，影響整個攝像機的穩(wěn)定性。

　　圖像為彩色

　　在有大量紅外光的場景中，沒有辦法很好做到精確的白平衡，所以一般的彩色攝像機在Sensor之前都會有紅外濾鏡以起到過濾紅外光的作用。紅外攝像機在紅外燈開啟時，存在大量的紅外光，此時肯定不會使用紅外濾鏡過濾掉紅外光，只能使用全透濾鏡并切換成黑白圖像。

　　圖像亮度均勻

　　市面上的紅外攝像機的紅外燈一般只能照射到整個圖像場景的中心部分，導(dǎo)致整個圖像的中心亮度很高甚至過曝，而四周圖像很暗甚至全黑，也就是人稱的“手電筒現(xiàn)象”。有些攝像機宣稱已解決“手電筒現(xiàn)象”，但也只是根據(jù)中心區(qū)域的圖像亮度降低了紅外燈的功率或者降低圖像的亮度。真正的圖像亮度不均勻的問題并沒有解決。

　　沒有紅外失焦現(xiàn)象

　　紅外光的波段比可見光的波段長，彩色圖像和黑白圖像的聚焦點存在細(xì)小的差異。導(dǎo)致白天在不啟動紅外燈的情形下，圖像是清晰的;到了晚上啟用紅外燈，圖像便模糊了，細(xì)節(jié)損失很嚴(yán)重?，F(xiàn)在有些攝像機利用自動對焦功能來解決這個問題，但由于現(xiàn)有自動對焦功能的固有缺陷，如對特定場景會失焦，因此無法很好地應(yīng)用。

　　當(dāng)下現(xiàn)狀

　　現(xiàn)在市面上低照度攝像機大多宣稱其彩色成像的最低照度可達(dá)0.001Lux。實際在這種照度下，監(jiān)控畫面中的物體只能看到一點邊緣，色彩信息幾乎不存在。所以，低照度攝像機在實際應(yīng)用過程中需要解決遇到的各種各樣的監(jiān)控環(huán)境問題，需要綜合不同技術(shù)應(yīng)用到低照度監(jiān)控中，使攝像機在低照度環(huán)境中仍能保持圖像色彩還原的真實性、圖像畫面的清晰度、視頻流暢性以及噪聲抑制性能，能在低照度環(huán)境下為用戶提供真實、流暢的視頻監(jiān)控信息。

　　低照度攝像機的技術(shù)突破點

　　鏡頭

　　作為攝像機的重要組成部分，鏡頭在低照度攝像機的低照性能上有相當(dāng)重要的影響。鏡頭采集了為攝像機的Sensor聚焦被攝物體的所需光線，使景物正常成像。鏡頭可攝取進(jìn)來光線的多寡直接決定了CCD Sensor或CMOS Sensor成像的清晰度。因此在鏡頭上衡量攝取光線多少的條件，我們稱之為進(jìn)光量F值，鏡頭的進(jìn)光量用F值(光圈)來表示，即F值=f(焦點距離)/D(鏡頭的有效口徑)，它與口徑成反比，與焦點距離成正比。在焦距相同的條件下，鏡頭口徑越大，F(xiàn)值越小，鏡頭進(jìn)光量就越大。常見鏡頭的F值多為1.2或1.4，當(dāng)然目前也有大到F1.0的鏡頭，但畢竟是少數(shù)。因此為了使得低照度攝像機獲得優(yōu)越的低照效果，搭配適合的F值鏡頭就成了首要的關(guān)鍵因素。

　　Sensor的感光性能

　　目前低照度攝像機常用的CCD/CMOS主要供貨商有索尼、松下、APTINA、Omnovision和 LG等。在這些供貨商中，索尼的CCD感亮度相對較好，常用的索尼CCD低照度技術(shù)為Super HAD CCD，1983年索尼開發(fā)出的有超感亮度Exview CCD，Exview CCD的感光敏感度通常為Super HAD CCD的5倍之多。

　　2009年索尼推出了新型影像傳感器Exmor R CMOS，它采用先進(jìn)的背照射技術(shù)，其對光線的靈敏度比傳統(tǒng)的CMOS影像傳感器提高了約2倍，大幅提升了低照度拍攝的畫質(zhì)，得到明亮畫面的同時實現(xiàn)更好地降噪，使得在低照度條件下仍然可以獲得細(xì)節(jié)豐富的照片，造就卓越的夜間拍攝性能。2012年索尼推出RGBW像素編碼，在原有RGB三原色組成像素的基礎(chǔ)上增加一個白色子像素，形成RGBW四色像素，增加一個白色的像素，會降低圖像質(zhì)量，但索尼本身的技術(shù)和信號處理能力可以在不損害圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上提升靈敏度。

　　三星電子公司在2010年開始量產(chǎn)采用背面照射技術(shù)的CMOS傳感器(BSI型CMOS傳感器)。三星在工藝技術(shù)方面采用適于降低成本的方法，通過提高靈敏度在維持相同的靈敏度的同時縮小像素間距。據(jù)該公司估算，1.4μm間距的BSI型能夠獲得與基于現(xiàn)有技術(shù)的FSI(Front Side Illumination)型1.75μm間距產(chǎn)品相同的畫質(zhì)。同一像素間距，BSI型的靈敏度可以比FIS型高30%。

　　另外，CCD/CMOS組件的尺寸大小也對感亮度有著很大的影響，尺寸越大，其感亮度越好。為了使低照度攝像機有更低的照度要求指標(biāo)，通常廠商會采用1/1.8或者1/2英寸的CCD/CMOS Sensor。在組件廠商的規(guī)格表中的數(shù)據(jù)顯示1/3英寸的CCD的感光量大約只有1/2英寸CCD感光量的56%，而1/4英寸CCD的感光量更是只有1/3英寸CCD感光量的44%。這印證了感光組件大小也是影響攝像機低照效果的關(guān)鍵因素之一。

　　ISP的降噪能力

　　在低照環(huán)境中，圖像的信息很小，圖像的信噪比比較小，有時圖像中噪點很大，圖像信息會被淹沒在噪聲之中。此時攝像機的降噪能力就非常重要。降噪一般可以分成2D降噪和3D降噪。2D降噪利用空域信息對噪聲進(jìn)行空域平滑，2D降噪在噪聲較小時可以起到很明顯的效果，但噪聲較大時就無能為力了。3D降噪在利用空域信息的同時還會用到時域信息，也就是相鄰幀的信息，對噪聲信息進(jìn)行去除。但普通的3D降噪在去除噪聲的同時也會產(chǎn)生噪聲運動目標(biāo)的拖影，對視覺感受造成很大程度的影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，3D降噪也引進(jìn)了運動補償技術(shù)。在2013年十月深圳安防展上，TI推出的最新達(dá)芬奇視頻處理器DM388再度以其杰出的低照性能震動業(yè)界。DM388采用了TI第四代高級運動補償?shù)驼占夹g(shù)，十分高效地去除了圖像中的噪點，可在同類競爭解決方案所需照明一半的情況下獲得清晰影像，非常適合在有各種運動的極低光線環(huán)境中應(yīng)用。

　　紅外彩色圖像重建

　　在低照環(huán)境中，可見光很少，但還存在一些紅外光，如果能夠利用紅外光信息重建彩色圖像，這個也可以大大增加攝像機的進(jìn)光量，大大提高攝像機的最低照度性能。因為引進(jìn)了紅外光，普通攝像機上的白平衡處理算法和色彩校正都不再使用，整個ISP都需要重新改寫，難度很大。同時由于可見光信息的缺失，在重建物體的色彩時需要準(zhǔn)確找到不同色彩物體對紅外光的反饋特性。因為存在這些困難目前這個方法還在試驗階段。

　　廣闊的應(yīng)用前景

　　低照度攝像機的應(yīng)用除了交通路口、小區(qū)和廠房等傳統(tǒng)的監(jiān)控領(lǐng)域，森林防火也是一個對低照度攝像機有特殊要求的領(lǐng)域。我國是一個生態(tài)脆弱、森林資源匱乏的國家，隨著造林事業(yè)的不斷發(fā)展，林地面積、林業(yè)蓄積不斷的增加，防火工作是首要任務(wù)，因此保護(hù)好現(xiàn)有森林資源是加快林業(yè)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。

　　還有些情況下可能不方便外加光源，比如在醫(yī)院病房里面，想對病人和工作人員進(jìn)行監(jiān)控，如果在病房里加補光燈或者紅外燈，就會影響到病人休息。因此就需要用到低照度攝像機。另外還有一些不適合外加光源的場所，比如監(jiān)獄等特殊單位也需要在隱蔽位置安裝攝像機。

　　另外，在沒有條件外加光源的監(jiān)控場地，也需要使用低照度攝像機，舉例說在室外，或者有大片空地，想加光源很難或者增加光源的成本很高。在這種情況下，非低照攝像機顯示的圖像效果就很差，這時候也必須用低照度攝像機，以便得到更清晰的圖像。

　　90%以上的治安案件都是發(fā)生在夜間，這是國際上統(tǒng)計的數(shù)字。所以夜間監(jiān)控比白天監(jiān)控更重要。一線大城市夜間照明已經(jīng)足夠了，成像清晰度較好。但是中國大部分城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)夜幕降臨以后皆是一片黑暗，所以低照度攝像機具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

　　結(jié)語

　　對低照度攝像機而言，改善攝像機的最低照度和圖像質(zhì)量是廠商努力的目標(biāo)，監(jiān)控環(huán)境一直在改變，對攝像機的低照度性能形成挑戰(zhàn)，因此低照度攝像機在性能上的提升絕非就此止步，而是需要不斷進(jìn)步以滿足在復(fù)雜環(huán)境下人們對清晰監(jiān)控的應(yīng)用需求。