隨著安防監(jiān)控技術(shù)日新月異的發(fā)展，攝像機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛，場(chǎng)景需求也越來(lái)越高。如何保障攝像機(jī)在夜間或明暗反差過(guò)大環(huán)境中仍然能正常持續(xù)工作，成為各大廠商技術(shù)研發(fā)的突破點(diǎn)。

　　■ 文/ 陳愛(ài)民 呂俊杰

　　隨著視頻監(jiān)控使用環(huán)境和使用者呈現(xiàn)多元化發(fā)展，各生產(chǎn)廠商必須要提高攝像機(jī)的新技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的需求，使其能夠最大程度的滿足應(yīng)用要求。為了突出監(jiān)控?cái)z像機(jī)對(duì)圖像的捕捉能力，越來(lái)越多的安防廠商將寬動(dòng)態(tài)與低照度兩大功能納入了基本范疇之內(nèi)，將這兩個(gè)技術(shù)納入監(jiān)控?cái)z像機(jī)的必備要素。

　　【低照度技術(shù)篇】

　　低照度技術(shù)的發(fā)展

　　相比于紅外一體機(jī)(紅外補(bǔ)光攝像機(jī))紅外補(bǔ)光電路的電磁及紅外燈發(fā)熱的影響，在高溫場(chǎng)合或長(zhǎng)時(shí)間工作，紅外補(bǔ)光攝像機(jī)出現(xiàn)圖像質(zhì)量變差、紅外燈衰弱、紅外效果變差、紅外切換失靈、夜視黑白圖像導(dǎo)致人或物分辨不清等問(wèn)題，超低照度攝像機(jī)性能則遠(yuǎn)高于紅外補(bǔ)光機(jī)型，在市場(chǎng)中便成了客戶、工程商認(rèn)同的產(chǎn)品，在平安城市、道路監(jiān)控、金融、校園等領(lǐng)域大顯身手。

　　顧名思義，超低照度攝像機(jī)是指在較低光照度條件下仍然可以取得清晰圖像的攝像機(jī)。最初低照度定義也是從CCD傳感器上誕生的，sony had CCD通過(guò)在每個(gè)像素點(diǎn)上安裝經(jīng)過(guò)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的鍍膜微小鏡片，以保證光線準(zhǔn)確到達(dá)傳感器底部的基層板上，從而達(dá)到提高光利用率，使畫(huà)面更清晰，照度更低。受制于當(dāng)時(shí)的電子制造水平，CCD感光性能在很長(zhǎng)一段時(shí)間遭遇難以逾越的屏障，但是在sony super HAD 傳感器誕生后，感光效率提高了更高，達(dá)到了星光級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。和CCD傳感器的發(fā)展相較，COMS走過(guò)了低照度畫(huà)質(zhì)最弱的時(shí)期，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，CMOS的感光性及圖像效果也有了翻天覆地的變化，下面重點(diǎn)概述CMOS低照度的兩種實(shí)現(xiàn)方式。

　　前面照度技術(shù)，簡(jiǎn)稱FSI。對(duì)于FSI技術(shù)而言，光線是從前面的金屬控制線之間進(jìn)入，然后再聚焦在光面二極管上。此類技術(shù)，對(duì)于較大像素而言具有一定優(yōu)勢(shì)，而對(duì)比日益要求高像素來(lái)解決FSI在材料及制造方面的問(wèn)題就存在一定的局限性，雖然光敏靈敏度有所提高，但在更小像素1.1um升至更小像素時(shí)，F(xiàn)SI光敏導(dǎo)管設(shè)計(jì)難度大大增加，缺陷越顯突出。

　　背面照度像素技術(shù)，簡(jiǎn)稱BSI，背面照度技術(shù)相比FSI，改為從像素的后面搜集光子，反轉(zhuǎn)的架構(gòu)也將光敏二極管轉(zhuǎn)移到頂部，由于光不需要穿過(guò)金屬線及電介質(zhì)，導(dǎo)致光子丟失，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)光電效率的最大化。圖像傳感器廠家也宣稱同樣大小像素尺寸下，背光照度技術(shù)將弱光敏靈敏度提高了30%，從而擴(kuò)大更大面積的感光范圍。BSI的微透鏡更貼近于光敏二極管，從而其在工藝上對(duì)背面處理相對(duì)比較麻煩，對(duì)于此類工藝研發(fā)的廠家也需花大量精力及財(cái)力攻克此難關(guān)。當(dāng)然，將FSI技術(shù)不斷改進(jìn)，可以直接應(yīng)用于BSI技術(shù)，從而為提高BSI性能打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

　　影響低照度性能的因素

　　影響低照度攝像機(jī)因素不僅僅取決于Sensor傳感器的自身照度(其自身實(shí)現(xiàn)技術(shù))，還取決于如下四個(gè)主要因素：

　　一是鏡頭，鏡頭是攝像機(jī)的重要組成部分，也相當(dāng)于它的眼睛，鏡頭可攝取的光線多少直接決定了Sensor成像的清晰度。鏡頭的攝取的光線多少，我們也稱之為進(jìn)光量F值，光圈越大，F(xiàn)值越小，為了使得低照度攝像機(jī)獲得更好的更優(yōu)越的低照效果，搭配適合的F值鏡頭就成了首要條件。這點(diǎn)卻往往被很多客戶忽視，認(rèn)為低照度攝像機(jī)可以隨便搭配鏡頭，就能實(shí)現(xiàn)低照效果，這是選擇低照度攝像機(jī)的盲區(qū)誤區(qū)。

　　二是感光器件，也是上文中提到的FSI及BSI，也是影響攝像機(jī)低照度效果的關(guān)鍵因素之一。三是圖像處理組件ISP處理。除了不斷在鏡頭硬件以及感光器件方面進(jìn)行研發(fā)改進(jìn)改良，從而保障低照度性能，此外，圖像ISP處理技術(shù)也關(guān)系到低照度攝像機(jī)的圖像表現(xiàn)。在低照度噪點(diǎn)降噪處理、曝光時(shí)間、模擬數(shù)字增益方面，各廠家有不同的風(fēng)格，在同等情況下對(duì)比，會(huì)略有差異，當(dāng)然這是低照度攝像機(jī)低照度效果影響因素中較小的因素。

　　四是彩轉(zhuǎn)黑技術(shù)，低照度攝像機(jī)在處理光線靈敏度比紅外一體機(jī)攝像機(jī)靈敏度要高很多，與紅外一體機(jī)區(qū)別在于，紅外一體機(jī)取決于光敏電阻電子機(jī)械原理來(lái)切換彩色與黑白，而低照度攝像機(jī)則利用CPU內(nèi)部ISP，根據(jù)視頻亮度增益等信號(hào)做內(nèi)部算法來(lái)進(jìn)行彩色黑白切換。因?yàn)槊考业乃惴ú灰恢?，所以為了不讓低照度攝像機(jī)在照度臨界邊緣上下不斷反復(fù)切換，需要在算法上去處理，當(dāng)然這也是衡量廠家低照度攝像機(jī)一個(gè)指標(biāo)。

　　低照度技術(shù)衡量標(biāo)準(zhǔn)

　　由于產(chǎn)業(yè)技術(shù)規(guī)格方面沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于如何來(lái)衡量低照度攝像機(jī)，也是眾說(shuō)紛紜。現(xiàn)在也有不少攝像機(jī)制造商有自己內(nèi)部的衡量指標(biāo)，當(dāng)然每家衡量標(biāo)準(zhǔn)不一。低照度衡量方法如下，先選擇好通光量F1.2的鏡頭(根據(jù)不同像素標(biāo)準(zhǔn)選擇同等像素鏡頭)，光圈處于最大位置，D65光源光線照度最低可以調(diào)調(diào)至到0.05Lux以下，保證所拍攝圖像整個(gè)面亮度值相差小于20%;測(cè)試步驟就是在不改變光源的情況下調(diào)節(jié)光源照度，當(dāng)輸出圖像分辨率達(dá)到正常圖像分辨率70%(可能每家的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有所差異)，使用照度計(jì)測(cè)試測(cè)試圖上或接近于測(cè)試圖的照度，這樣去衡量其最低照度，當(dāng)然在衡量低照度攝像機(jī)的同時(shí)去對(duì)比其低照效果時(shí)，也要關(guān)注下以上提到幾個(gè)影響因素及指標(biāo)，比如其低照度噪點(diǎn)、低照度時(shí)日夜切換模式是否反復(fù)切換、低照度下幀率及拖影效果等等。

　　低照度技術(shù)應(yīng)用前景廣闊

　　與低照度攝像機(jī)對(duì)比，紅外補(bǔ)光攝像機(jī)本身的缺陷無(wú)法忽視，與此同時(shí)，低照攝像機(jī)比紅外攝像機(jī)消耗功率更低，因此在全民環(huán)保意識(shí)加強(qiáng)的今天更容易被用戶所接受。目前，低照度攝像機(jī)的應(yīng)用除了平安城市、高速路口、港口、醫(yī)院等傳統(tǒng)的監(jiān)控領(lǐng)域，也在眾多注重行業(yè)應(yīng)用的企業(yè)助推下，在大中小學(xué)校園、各種類型的智慧園區(qū)中得以廣泛使用，在安全保障和日常業(yè)務(wù)管理中發(fā)揮重要作用。

　　此外，治安案件90%發(fā)生在夜間，夜晚監(jiān)控的意義要比白天更重要，所以低照攝像機(jī)將在今后面臨非常廣闊的應(yīng)用前景。

　　【寬動(dòng)態(tài)技術(shù)篇】

　　寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的基本概念

　　動(dòng)態(tài)范圍(Dynamic Range)是指攝像機(jī)支持的最大輸出信號(hào)和最小輸出信號(hào)的比值，或者說(shuō)圖像最亮部分與最暗部分的灰度比值。普通攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍一般在1:1000(60db)左右，而寬動(dòng)態(tài)(Wide Dynamic Range,WDR)攝像機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍能達(dá)到1:1800-1:5600(65-75db)。

　　寬動(dòng)態(tài)技術(shù)主要用來(lái)解決攝像機(jī)在寬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中采集的圖像出現(xiàn)亮區(qū)域過(guò)曝而暗區(qū)域曝光不夠的現(xiàn)象。簡(jiǎn)而言之，寬動(dòng)態(tài)技術(shù)可以使場(chǎng)景中特別亮的區(qū)域和特別暗的區(qū)域在最終成像中同時(shí)看清楚。

　　寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式

　　寬動(dòng)態(tài)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種：一是使用非線性傳感器的單次曝光方案，這類傳感器對(duì)不同照度的靈敏度表現(xiàn)不同，僅一次曝光即可使采集的圖像具備較寬的動(dòng)態(tài)范圍;二是基于多幀圖像合成的多次曝光方案，不同幀之間的曝光時(shí)間有差異，對(duì)明亮部分進(jìn)行短曝光，使高亮度區(qū)域的灰階范圍更大，對(duì)暗的部分進(jìn)行長(zhǎng)曝光，使低亮度區(qū)域的灰階范圍更大，最終多個(gè)不同曝光時(shí)間的幀合成擁有更寬動(dòng)態(tài)范圍的圖像。

　　目前主流的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)以多次曝光多幀合成方案為主。以多幀合成寬動(dòng)態(tài)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的硬件載體而言又可將其分為兩類：一是在攝像機(jī)的Sensor傳感器上實(shí)現(xiàn)多次曝光及合成，這種傳統(tǒng)方式需要攝像機(jī)對(duì)接的Sensor傳感器本身具備寬動(dòng)態(tài)能力，市面上絕大部分寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)均屬于此類;二是在攝像機(jī)的芯片ISP模組上實(shí)現(xiàn)多次曝光及合成，這種實(shí)現(xiàn)方式可以對(duì)接不具備寬動(dòng)態(tài)能力的普通Sensor傳感器，但要求Sensor傳感器具備較高的幀率，目前IPS端合成方式在市面上比較少見(jiàn)。

　　然而實(shí)際上，不管是在Sensor端還是在ISP端完成曝光及合成，都是以犧牲幀率為基礎(chǔ)的。比如，采用ISP端合成方案的攝像機(jī)在寬動(dòng)態(tài)模式下幀率達(dá)到30FPS時(shí)，其接入Sensor的幀率則需要達(dá)到60FPS。差別在于，ISP端合成方案在幀率及寬動(dòng)態(tài)之間可以比較靈活地進(jìn)行選擇，不開(kāi)啟寬動(dòng)態(tài)的情況下可配置的幀率是寬動(dòng)態(tài)模式下的2倍。

　　真假寬動(dòng)態(tài)

　　上面闡述的幾類寬動(dòng)態(tài)技術(shù)通常均屬于“真”寬動(dòng)態(tài)，除此之外目前市面還存在另一種形式的“假”寬動(dòng)態(tài)，即數(shù)字寬動(dòng)態(tài)。數(shù)字寬動(dòng)態(tài)并沒(méi)有達(dá)到真正意義上的擴(kuò)大成像動(dòng)態(tài)范圍的目的，而是通過(guò)軟件的圖像后處理算法提高了局部區(qū)域的對(duì)比度，一般由攝像機(jī)ISP模組實(shí)現(xiàn)。我們?nèi)庋劭杀鎰e的灰階范圍十分有限，而實(shí)際上計(jì)算機(jī)卻可以區(qū)分非常微弱的灰度差異，數(shù)字寬動(dòng)態(tài)正是通過(guò)圖像處理算法將這些微弱的差異增強(qiáng)到肉眼足以區(qū)分。背光補(bǔ)償(Back Light Compensation,BLC)也是采用類似的圖像處理算法實(shí)現(xiàn)的。

　　寬動(dòng)態(tài)技術(shù)在應(yīng)用上的局限性

　　市場(chǎng)上主流的多次曝光多幀合成的寬動(dòng)態(tài)技術(shù)受限于其實(shí)現(xiàn)方式，本身也存在著很多固有的缺陷。一是源自它在高亮區(qū)域短曝特征，會(huì)導(dǎo)致在日光燈場(chǎng)景下亮區(qū)域出現(xiàn)橫條紋閃爍，這是常見(jiàn)的日光燈工頻引起的閃爍現(xiàn)象，因?yàn)樵诹羺^(qū)域的曝光時(shí)間非常短，沒(méi)有達(dá)到抗閃所需的最低曝光時(shí)間;二是源自它在暗區(qū)域長(zhǎng)曝特征，當(dāng)物體進(jìn)行高速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)因過(guò)長(zhǎng)的曝光時(shí)間而產(chǎn)生拖影現(xiàn)象。

　　(本文作者現(xiàn)任福建星網(wǎng)銳捷安防科技研發(fā)部)