文/徐永紅

　　摘要：一般而言，多數(shù)的犯罪皆發(fā)生在夜晚或者光線不佳的場景下，如何更好地杜絕此類事件的發(fā)生呢?此時具備低照度監(jiān)控性能的攝像機(jī)便有了用武之地，那么，低照度監(jiān)控攝像機(jī)本身受到哪些決定性因素的影響呢?哪些技術(shù)又可改善低照度攝像機(jī)在光照不足時的監(jiān)控效果呢?本文將向您一一道來。

　　科技的發(fā)展日新月異，監(jiān)控行業(yè)亦是概莫能外，2010，作為公認(rèn)的高清元年，這一年幾乎成了模擬監(jiān)控攝像機(jī)的受難日，短短一年時間，高清攝像機(jī)幾乎就完成了對傳統(tǒng)模擬攝像機(jī)的滅頂式覆蓋，真是應(yīng)驗了中國人的一句老話：三十年河?xùn)|，三十年河西。如今，人們對清晰度的要求越來越高，以至于對其無止境的追求演變成一種鋼鐵般的趨勢。

　　那么監(jiān)控行業(yè)的趨勢就此一種，別無分號了嗎?非也非也，低照度監(jiān)控技術(shù)便是另一種鋼鐵般的趨勢了。監(jiān)控行業(yè)的本質(zhì)是什么?其本質(zhì)就是“販賣”安全，給人們安全感，讓世界更和諧。你敢奢望一個在夜晚或者光線昏暗環(huán)境下毫無作為的攝像機(jī)能給你帶來安全感嗎?當(dāng)然不能。據(jù)統(tǒng)計，90%以上的犯罪事件皆發(fā)生在夜晚或者光線不佳的環(huán)境里。黑暗是犯罪的催化劑。也因此，對于夜晚或者光線不佳時的監(jiān)控比白天的監(jiān)控更為緊要。需求決定趨勢，趨勢造就未來，低照度監(jiān)控技術(shù)自然順理成章地成為監(jiān)控行業(yè)的一種發(fā)展趨勢了。

　　低照度監(jiān)控技術(shù)的“今生今世”

　　當(dāng)下的現(xiàn)狀

　　目前，行業(yè)對低照度攝像機(jī)的需求是相當(dāng)饑渴的，其基本已能滿足用戶24小時的監(jiān)控需求，但用戶的需求亦是無止境的，再者，用戶需求也在一定程度上受到技術(shù)的引領(lǐng)，當(dāng)年的D1畫質(zhì)亦能在相當(dāng)程度上滿足用戶需求，如今，這樣的日子一去不復(fù)返。正如施耐德電氣(中國)有限公司產(chǎn)品經(jīng)理王淑芬在接受筆者采訪時表示：“技術(shù)的提升與用戶需求的變化都是動態(tài)的，所以從這種意義上來講，很難說目前的低照度監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)能完全滿足用戶需求，相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，將來更高的客戶需求也可被滿足。”

　　定義

　　何為低照度攝像機(jī)?從字面上理解就是在亮度較低的情況下依然能提供有效的監(jiān)控效果。目前業(yè)界對低照度攝像機(jī)并無嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，只是依據(jù)其有效監(jiān)控效果最低可達(dá)到多少照度值的標(biāo)準(zhǔn)來將其劃分為暗光型攝像機(jī)、月光型攝像機(jī)及星光型攝像機(jī)，它們的有效最低照度值依次為0.1Lux、0.01Lux及0.001Lux以下。

　　優(yōu)勢

　　筆者不妨先淺釋一下低照度攝像機(jī)的原理，光線經(jīng)鏡頭到達(dá)傳感器，形成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)由圖像處理器進(jìn)行處理編碼壓縮后再傳輸，期間經(jīng)歷采集、光電轉(zhuǎn)換、編碼壓縮、傳輸、存儲、解碼及顯示等諸多流程。低照度攝像機(jī)與普通攝像機(jī)的原理其實并無不同，只是低照度攝像機(jī)在光線較為昏暗時的監(jiān)控畫質(zhì)表現(xiàn)要好很多。既然原理相同，那么低照度攝像機(jī)的內(nèi)部藏著怎樣的乾坤導(dǎo)致其與普通攝像機(jī)如此不同的低照度監(jiān)控效果呢?又該如何去更上一層樓地提升低照度攝像機(jī)的靈敏度呢?且看下文詳解。

　　圖1 同樣照度條件下，低照度攝像機(jī)的監(jiān)控效果優(yōu)勢明顯

　　低照度監(jiān)控技術(shù)是怎樣煉成的

　　那么哪些方面的因素可以決定其最終的低照度表現(xiàn)呢?筆者現(xiàn)從決定性因素與技術(shù)類型兩個方面來進(jìn)行探討。

　　決定性因素

　　鏡頭

　　鏡頭作為攝像機(jī)的“眼睛”，在相當(dāng)程度上決定著監(jiān)控的成像效果，而在夜晚，即低照度下，決定監(jiān)控效果的關(guān)鍵參數(shù)是其最大光圈值，這個最大光圈值直接決定外界可有多少光線透過鏡頭到達(dá)傳感器以進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光線越多，低照度監(jiān)控效果便越好。最大光圈值用F值表示，F(xiàn)值=f(焦點距離)/D(鏡頭的有效口徑)，這里有個誤區(qū)需要稍加說明，并不是F值越大，透過鏡頭到達(dá)傳感器的光線便越多，而是正好相反，也即焦點距離越長時(鏡頭的有效口徑不變時)，進(jìn)光量越少，此時低照度監(jiān)控效果便會相對較差;鏡頭的有效口徑越大(焦點距離不變時)，進(jìn)光量便越多，低照度監(jiān)控效果便越好。

　　傳感器

　　作為攝像機(jī)的核心元器件，傳感器在成像方面的重要性如何強(qiáng)調(diào)都不為過，這其中自然包括對低照度監(jiān)控效果的影響。

　　“從技術(shù)上來看，制約低照度攝像機(jī)發(fā)展的最主要因素仍是感光器件的靈敏度。如果感光器件的靈敏度不夠高，在非常微弱的自然光且不借助其他光源的情況下就會導(dǎo)致圖像噪點增多、清晰度不高、層次感不強(qiáng)。感光器件性能不穩(wěn)定將導(dǎo)致攝像機(jī)對被攝物體的細(xì)節(jié)分辨能力下降。” 杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司技術(shù)支持工程師姚靜在接受筆者采訪時如此表示。

　　那么傳感器是如何影響低照度監(jiān)控效果的?我們知道傳感器的面積相對較小，目前200萬像素攝像機(jī)的傳感器面積大多為1/2.8"，此時廠商如果將其像素值由200萬升級到400萬甚至更高的話(其他條件不變)，那么該攝像機(jī)的低照度監(jiān)控效果會怎樣?會提升嗎?不會，非但不會提升，其低照度監(jiān)控效果相較200萬像素時會更差。我們知道，圖像都是由一個個的像素點所組成，在傳感器面積一定時，隨著像素值的提升，單個像素點的感光面積便越小，靈敏度便越低，靈敏度低直接導(dǎo)致攝像機(jī)在進(jìn)行低照度監(jiān)控時畫面噪點增多，清晰度不高，層次感不強(qiáng)的結(jié)果。在這里提到一個概念，即單個像素點的感光面積，其計算方法非常簡單，即用傳感器的面積除以攝像機(jī)的像素值，一般而言，其值越大，那么低照度效果便越好(其他的參數(shù)條件相同時)。

　　此外，傳感器還分為CCD(Charge-Coupled Device)與CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)兩種類型，前者目前的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在尺寸方面具備一定的優(yōu)勢，但其工藝較為復(fù)雜，再者其成本高、耗電多以及像素提升難度大亦是需要正視的。后者盡管畫質(zhì)表現(xiàn)稍弱，但其制造工藝簡單，制造成本較低，再者由于工藝方面的原因，其尺寸無法做得很大。

　　“這兩年來隨著CMOS技術(shù)的提升，其與CCD技術(shù)的差距在不斷縮小，目前來說差距已經(jīng)不大了，但CMOS在加工工藝與成本控制方面相對CCD有優(yōu)勢，其具備價格優(yōu)勢，也因此在監(jiān)控行業(yè)中，CMOS傳感器占據(jù)了更多的市場份額。” 施耐德產(chǎn)品經(jīng)理王淑芬小姐如是說。

　　應(yīng)該說CCD傳感器與CMOS傳感器是各具優(yōu)劣的，絕非一句CCD傳感器優(yōu)于CMOS傳感器便能概括，對二者的選擇需要“量才錄用，合理分配”，應(yīng)該根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境和需求在二者中作出選擇，當(dāng)然這自然需要對CCD與CMOS各自的特性優(yōu)勢有個清楚的認(rèn)識，方能在實際應(yīng)用中達(dá)到事半功倍的效果。

　　圖像信號處理回路

　　“圖像傳感器通常是以1/50秒的間隔來調(diào)用影像。如果延長調(diào)用間隔的話，比如2/50秒調(diào)用一次就可提高2倍的感光度，4/50秒調(diào)用一次就可提高4倍的感光度。這樣自然能得到更加良好的低照度監(jiān)控效果。” ?？低暭夹g(shù)支持工程師姚靜在回答如何提升低照度監(jiān)控效果時如此表示。

　　?？低暪こ處熞o所言的方式似乎跟慢快門功能差不多，那么通過慢快門的方式是不是亦可實現(xiàn)相同的效果呢?答案是否定的。慢快門并不會進(jìn)行長時間的調(diào)用影像，它只是持續(xù)像素中的光電荷轉(zhuǎn)換，從而形成一些特殊的影像效果。在攝影愛好者的眼中，慢快門是一個非常實用的功能，拍攝星空中不斷閃耀的星星，夜景中繁華交通要道上車流的燈光流線效果，水流的柔化霧化效果等，這些特殊的影像效果都可以通過慢快門獲得。需要說明的是，上述效果的實現(xiàn)是基于其場景中所攝物的運(yùn)動軌跡是持續(xù)且有規(guī)則可循的，一旦這兩個條件不能滿足，那么其相應(yīng)的效果便不能成立。比如利用慢快門去拍攝不規(guī)則運(yùn)動的人時，便會產(chǎn)生畫面模糊不清、拖影甚至虛影現(xiàn)象。

　　技術(shù)類型

　　在介紹完低照度攝像機(jī)的決定性因素后，那么對低照度效果的提升可通過哪些技術(shù)來實現(xiàn)呢?

　　“市場上大部分?jǐn)z像機(jī)改善低照度成像效果的技術(shù)主要有彩轉(zhuǎn)黑技術(shù)、數(shù)字降噪技術(shù)以及幀累積這三種。” ?？低暭夹g(shù)支持工程師姚靜在面對筆者上述問題時如此回答。

　　彩轉(zhuǎn)黑技術(shù)

　　目前該技術(shù)被應(yīng)用得較為廣泛，其原理并不復(fù)雜，即在傳感器與鏡頭之間設(shè)置一塊可活動的紅外濾光片，白天光線充足時，將紅外濾光片置于傳感器與鏡頭之間，過濾掉自然光線中的紅外光，讓其不參與成像以避免畫面出現(xiàn)偏色現(xiàn)象，而到了晚上或者光線不足時，此時需要有更多的光線參與成像，便將紅外濾光片移開，讓紅外光參與成像，此時通過鏡頭到達(dá)傳感器的光增加了，畫面亮度得到提升，低照度效果自然得以提升。此外還有另外一種彩轉(zhuǎn)黑技術(shù)，并不需要紅外濾光片，其利用電子電路將彩色信號濾除掉，當(dāng)然此種方式對低照度監(jiān)控效果的提升不是很大，只是在低光照條件下，改善了彩色噪聲的問題。

　　數(shù)字降噪

　　數(shù)字降噪一般可分為2D降噪和3D降噪，目前大多數(shù)攝像機(jī)采用的是3D降噪技術(shù)。

　　“數(shù)字降噪技術(shù)可以較好地改善圖像的潔凈度和清晰度，從而提升低照成像效果。”來自蘇州科達(dá)科技股份有限公司監(jiān)控產(chǎn)品線產(chǎn)品經(jīng)理李偉偉說。

　　那么數(shù)字降噪是如何改善低照度監(jiān)控效果的?一般而言，為了進(jìn)一步提升低照度環(huán)境下的監(jiān)控效果，攝像機(jī)往往需要提高增益，但是提高增益是把雙刃劍，它在提高圖像亮度的同時，圖像的噪聲也跟著提高了(見圖1)，那么該如何是好?數(shù)字降噪功能能夠降低弱信號圖像的噪波干擾，由于圖像噪波的出現(xiàn)是隨機(jī)的，每一幀圖像出現(xiàn)的噪波并不相同，數(shù)字降噪通過對比相鄰的幾幀圖像，將不重疊的信息(即噪波)自動濾出，有效地減少圖像的噪點，使圖像更加清晰透徹，數(shù)字降噪的核心在于降噪算法，降噪算法直接決定了對噪點判斷的準(zhǔn)確率及完整性，不同廠家的數(shù)字降噪效果會有較大的不同，這個不同在相當(dāng)大的程度上是由降噪算法導(dǎo)致的。需要說明的是數(shù)字降噪亦有其副作用，那就是降噪算法在進(jìn)行判斷時可能會出現(xiàn)失誤，從而導(dǎo)致畫面中的一些有效信息丟失，再者亦可能出現(xiàn)拖尾及動畫感問題。

　　幀累積

　　幀累積的原理并不復(fù)雜，其很好地利用了電腦具備記憶的功能，將連續(xù)幾個曝光不足的畫面進(jìn)行累積疊加，從而得到一個較為明亮清晰的圖像，幀累積與慢快門相似，有效地延長了曝光時間，使低照度下的監(jiān)控效果得到顯著的提升，但圖像變化的實時性受到較為明顯的影響，也就是說，當(dāng)被攝物快速運(yùn)動時，會出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，而圖像也會表現(xiàn)出動畫的效果來，因此幀累積的應(yīng)用場景有限，更適合針對靜態(tài)場景的監(jiān)控。

　　條條大路通羅馬

　　嚴(yán)格來說，上述所討論的都是攝像機(jī)本身的“主觀”因素對低照度監(jiān)控效果的影響，那么在“客觀”上可通過哪些方式來提升低照度的監(jiān)控效果呢?那就是照明——給攝像機(jī)增加照明設(shè)備，增加照明設(shè)備的好處顯而易見，那就是即使在照度為0Lux時，攝像機(jī)亦能提供清晰影像。

　　“補(bǔ)光型低照度監(jiān)控技術(shù)的主要原理是依靠補(bǔ)光設(shè)備發(fā)出的紅外光線或激光，同時接受并感應(yīng)被照物反射回來的紅外光線或激光，從而形成在低照度情況下的影像。”來自威智倫(Avigilon)公司的技術(shù)經(jīng)理王偉對筆者如是說。

　　目前常用的照明方式為紅外照明與激光照明，紅外照明由于發(fā)光面及原始發(fā)光角度大，光能量分布較散，光照利用率低，所以紅外照明更加適合進(jìn)行短距離的夜視監(jiān)控，此外由于紅外照明設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率一般為20%-30%，甚至更低，依據(jù)能量守恒定律，其他的70%-80%的無效能量將以熱量等方式揮發(fā)出去，這導(dǎo)致紅外設(shè)備的發(fā)熱量較大，從而嚴(yán)重影響紅外設(shè)備的使用壽命，當(dāng)然，紅外設(shè)備的生產(chǎn)門檻低，價格便宜，這使得其在夜視監(jiān)控中得以廣泛應(yīng)用。

　　相對紅外照明，激光照明的優(yōu)勢明顯，其能量轉(zhuǎn)換效率一般可達(dá)到50%-60%，能量分布更為集中，方向性更好，因此其更加適合中遠(yuǎn)距離的照明，依據(jù)需求還可對激光的空間光強(qiáng)分布模式進(jìn)行勻化處理，從而使畫面的亮度更加均勻，清晰。激光照明設(shè)備的使用壽命及穩(wěn)定性皆較紅外照明設(shè)備要佳，但需要注意的是在使用過程中人眼不可近距離地直視激光燈，否則可能會對人眼造成傷害，當(dāng)然激光照明設(shè)備相對紅外照明設(shè)備價格較高。

　　除卻紅外與激光，監(jiān)控行業(yè)中有時也會使用白光來對攝像機(jī)進(jìn)行補(bǔ)光。與不可見的紅外與激光不同，白光是一種可見光，屬于冷光源。

　　“白光的最大特點是其夜晚的成像為彩色圖像，所看到的景物與白天并無太大差別，可以提供更多的信息量，有利于調(diào)查取證。”科達(dá)產(chǎn)品經(jīng)理李偉偉說。

　　值得一提的是，白光的有效補(bǔ)光距離相較紅外與激光皆要短，其有效距離一般在50米以內(nèi)。

　　圖2 開啟降噪效果前后的圖像對比

　　墻里墻外，各自花開

　　“在低照度監(jiān)控領(lǐng)域中，國際市場與國內(nèi)市場的一個較大差異體現(xiàn)在補(bǔ)光型球機(jī)上，國際品牌很少會推出帶紅外補(bǔ)光功能的球機(jī)產(chǎn)品。” 威智倫(Avigilon)公司技術(shù)經(jīng)理王偉在與筆者談到國際國內(nèi)安防市場的差異時如此表示。

　　國際知名廠商在前端圖像傳感器及后端的DSP技術(shù)方面相較國內(nèi)品牌具備優(yōu)勢，但國內(nèi)品牌在具備光源補(bǔ)償功能的攝像機(jī)的發(fā)展上更加迅速，其占有率已經(jīng)超過50%以上，而中國安防市場已經(jīng)占據(jù)全球安防市場三成的份額，這是任何國際巨頭皆不會忽視中國市場的原因，因此，國際知名廠商紛紛迎合國內(nèi)市場，在具備光源補(bǔ)償功能的攝像機(jī)方面發(fā)力。盡管國內(nèi)安防企業(yè)不太容易在產(chǎn)業(yè)鏈的上游找到屬于自己的位置，但其更加了解用戶的需求，可以此為突破口，尋求更大的發(fā)展。

　　結(jié)語

　　低照度監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展仍然在持續(xù)著，目前，200萬像素低照度攝像機(jī)的技術(shù)已經(jīng)較為成熟，基本能滿足目前的應(yīng)用需求，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)化，未來600萬、4K甚至1600萬像素的低照度攝像機(jī)將會被紛紛推出并得以成熟，屆時，低照度監(jiān)控技術(shù)將會為我們營造一個更加清晰、更加安全的和諧世界。