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)用范圍越來越廣泛，場(chǎng)景需求也越來越高。如何保障攝像機(jī)在夜間或明暗反差過大環(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/ 陳愛民
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通過在每個(gè)像素點(diǎn)上安裝經(jīng)過形狀優(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走過了低照度畫質(zhì)最弱的時(shí)期，經(jīng)過三十多年的發(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解決FSI在材料及制造方面的問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，由于光不需要穿過金屬線及電介質(zhì)，導(dǎo)致光子丟失，從而來實(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)格方面沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于如何來衡量低照度攝像機(jī)，也是眾說紛紜。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。
(本文作者現(xiàn)任福建星網(wǎng)銳捷安防科技研發(fā)部)
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