低照度星光摄像机成市场新宠

    【CPS中安网 cps.com.cn】随着低照度技术的进步，高清产品的普及，从14年开始各大安防厂家都把星光级、超低照度等系列产品作为旗舰产品进行宣传和推广，星光级高清摄像机等产品理所当然的成为了市场宠儿。低照度的呈现，考量更多的是硬件的性能，同时对ISP的优化也提出了更高要求，只有通过软硬件相结合从而获得更高画质的夜间效果。此类技术的研发厂家较多，国外的安讯士，国内的海康、天地伟业等公司都推出了各具特色的低照度摄像机，在光照正常的环境下，摄像机能够保持亮丽、正常成像效果;而当光线变暗，如昼夜转换时，通过采用低照度的高清传感器和ISP的图像处理将使画面保持彩色、流畅和清晰无拖尾的低照度成像。

　　星光级高清摄像机的技术分析

　　低照度性能作为高清摄像机重要的性能指标之一，对于视频监控应用来讲，低照度性能也通常会作为产品选型的参考标准之一。低照度性能卓越的高清摄像机可以满足弱光下的清晰彩色图像，在全黑环境或者照度极低的情况下也可提供清晰的黑白图像。可以说星光级产品的出现，彻底解决了夜间监控的夜晚昏暗不清图像或是红外下黑白的图像。而且随着厂家对产品线的补充，更是将星光级产品推向了几乎所有常见的应用场景。以国内的天地伟业厂家为例，其均针对各种场景和产品需求推出了星光枪机、星光球机、星光激光夜视仪等全系产品。星光枪机主要用于道路定点监控，重点在于全景和大场景;而星光球机则主要用于动点监控，重点在于特写和长距离监控;激光夜视仪可以满足行业需求应用在城市制高点、边防、海防等领域，其重点在于兼顾大场景和小细节，而且搭配卓越的低照效果，可实现在弱光环境下对超远距离的目标进行细节监控。

　　目前市面上很多厂家都宣称有自己的低照、星光产品，但是这里面很多有偷换概念的成分。真正意义的高清星光应为在0.002lux的照度下，还原出彩色、无拖尾的分辨率不小于1080P的流畅图像。按照这个标准来进行衡量的话，市面上能满足的产品可以说是凤毛麟角，这主要是有两方面的原因：

　　首先是传感器的选择。众所周知，同样感光面积的图像传感器，像素越高，分配到每个像素的感光面积就越小，一个曝光周期内的通光量就越小，低照度效果就越差。比如都是1/3英寸的传感器，普通模拟摄像机大约为30万像素，而高清摄像机则至少是200万像素，像素点是模拟摄像机的8倍，而每一个像素的感光面积则只有模拟摄像机的1/8，如果不采用高新技术的传感器，其高清画质在夜间会惨不忍睹。目前市面上低照效果好的传感器主要集中在索尼、Aptina等一些传感器厂家。以索尼为例，其STARVIS系列传感器，采用背照式像素技术，相对于前照式的影像传感器，由于从没有配线或电路等障碍物的背面获取影像，能够将更广范围的光采集到光电二极管，具有每1µm2 2000mV或以上的感光度。满足监控摄像头用途所需的夜间拍摄的感光度性能从可见光区域扩大到近红外区域。不仅可在黑暗的环境中明亮地拍摄，由于还能够高效地获取近红外光，因此在夜间也能清晰地拍摄。

　　其次是ISP的调整，经常可以在市面上各家效果进行PK的时候发现同样的方案，同样的传感器，但是各个厂家的低照效果却大相径庭。在低照效果成像的ISP处理方面，降噪处理和伽马曲线调整就是很重要的图像处理过程，噪点会使图像显得不清晰，但降噪处理不当又会造成严重的雾感、拖影，损失细节等现象。伽马曲线数值设置的过高会让画面的对比度增加，画面变暗，画质通透，但是会丢失细节;伽马曲线数值设置的过低又会使图像变亮，细节会增加，但是画质通透度变差。所以即使基于相同的硬件平台，产品的最终效果也各有不同，这其中就体现了不同厂家的研发能力。

 　　低照度衡量标准

　　那么应当如何测量网络摄像机产品的低照度性能呢?不同的厂家有不同的方法，有些厂商甚至会针对不同的市场采用不同的测量方法，而且这些厂商通常不愿意让用户知晓他们所采用的测量方法。这种情况造成的结果是，用户只能通过摄像机的数字指标来比较产品的低照度性能，而光凭数字指标并不能真正反映出摄像机的实际性能。

　　很多因素都会影响到摄像机的感光度，包括光圈、镜头质量、图像传感器(CCD或CMOS)的质量和大小、增益大小、曝光时间、图像处理方法等等。一般可以从：亮度、黑电平、信噪比、分辨率四个指标进行评价，通过测量得出的4个光照水平中最高的一个则被定义为该摄像机的最低工作照度要求，这一照度水平的数值实际上就是能够使网络摄像机产生指定质量图像所需的最低照度需求，也就是该摄像机的低照度性能指标。对摄像机的4个参数分别依照相关标准进行测量，在这种情况下就很难通过调整增益水平和图像处理方法来对摄像机的整体性能进行补偿。例如，提高增益水平可能会提高图像亮度，但同样会增加画面中噪点数量，造成较低的信噪比。因此系统的整体测量结果能够非常真实地反映出摄像机自身的质量水平。

　　以天地伟业为例，通常对于低照度的测试标准如下：

　　1、网络摄像机采用默认的视频设置，保证机器的各项参数和性能都在默认状态;

　　2、测量过程所使用的各种测试图表包括TE 153对数灰度反射测试表、TE 182 18%反射测试表、TE 170分辨率测试表。采用白炽光线照射，光线色温保持在3100+/-200K。测试图表中心到周边的光照最大差异在+/-10%之内，光谱特性必须保持一致。光照强度的测试点选在测试图表的中央，尽可能接近图表，并与图表平面尽可能保持平行。调整摄像机，使测试图表充满整个画面。 如图(1)所示。

　　3、总曝光时间不超过200ms，以保证能够集成任何曝光类型和帧类型。

　　4、对摄像机进行对焦，使测试图表能够清晰成像，并确保成像稳定。

　　5、如果使用了红外滤镜，在测量过程中应当使滤镜始终处于工作位置。对测量过程中出现的所有色差情况进行记录。

　　6、在彩色模式下，依照以下4条标准进行测量，并分别记录下摄像机不能达到预定要求时的光照水平，其中最高的一个将作为该摄像机的最低光照要求。

　　·亮度：当TE 153测试表中的纯白色无法达到最高亮度条件下的50%时，则认为摄像机无法满足亮度要求;

　　·黑电平：当TE 153测试表中2%黑色反射部分相对于最高亮度条件下的黑电平增加了标称亮度信号振幅的5%以上时，或者当摄像机无法正确分辩出灰度阶梯时，则认为摄像机无法满足黑电平要求;

　　·信噪比：使用TE 182测试表对亮度信号与噪点信号(亮度变化值的均方根)之比进行测量，此比率应当高于17 db(50:1功率比);

　　·分辨率：采用TE 170进行分辨率测试，所达到的分辨率水平应当高于最高亮度条件下的70%。

　　a) 4：3 综合测试卡 b) 16：9 综合测试卡

　　图1　最低照度测试图

 　　星光级高清摄像机实现方式

　　作为衡量一个摄像机在低照度环境下的图像细节还原能力，通常通常是以最低照度(单位Lux)来表示。低照度摄像机其内部主要是选用具有高感光度特征的CCD/CMOS 图像传感器芯片;通过双滤光片切换机构和彩转黑方式实现日夜型图像功能;在编码过程中进行低照度图像降噪和图像增强等技术。在外部环境中主要是通过红外灯、白光灯或激光等来补光，通常各厂商采用一种或多种技术组合的方式来提升低照度下的图像效果。低照度摄像机通常有三种实现方式：

　　1、日夜型和彩转黑，采用双滤光片切换机构。在白天和光线充足条件下，使用红外截止滤光片，修正白天偏色问题，确保清晰、高品质的彩色图像。在夜间或光照低情况下，切换为另一片全透光谱滤光片，同时支持外同步切换，传感器切换到黑白状态，提升夜晚的亮度，以便允许捕捉明亮、高对比度的黑白图像。这种方式是目前应用最广的一种方式。

　　2、低速快门(Slowshutter)也称慢快门，该方式又称为帧累积，连续将几个因光线不足而较显模糊的画面累积起来，成为一个图像清晰的画面。由于开启该功能之后，虽然可以获得较清晰的图像，但是受慢快门影响，动态画面会有非常严重的拖尾，因此此类型低照度摄像机适用于禁止红、紫外线破坏的博物馆、夜间生物活动观察、夜间军事海岸线监视等静态场景的监视，但不适合城市道路等动态监控。

　　3、超感光度，此方式主要是提升摄像机图像传感器的感光度，结合DSP的图像效果处理，可以实现在极低照度下的清晰彩色图像。近几年图像传感器发展迅速，而且DSP对图像增强技术也有了长足进度，所以可以保证高清摄像机能适用于多种复杂的环境，不仅白天画质要好，同时夜间能看清楚。例如天地伟业推出的超低照度系列产品可实现在极低的照度下可以看到动态的彩色图像。

 　　星光级高清摄像机市场前景

　　一个完整的摄像设备由有两部分组成，即镜头和摄像机，而摄像机又由感光器件(CCD或者CMOS)、复杂的信号处理电路、滤光片等组成。如果想实现超低照度，那么镜头、传感器、DSP、滤光片等均需要满足一定的技术要求，缺一不可。

　　镜头

　　作为摄像部件的重要组成部分，其作用是为摄像机的传感器聚焦被摄物体的光线，使景物在传感器上成像。其可摄取光线的多少直接决定了成像的清晰度。衡量镜头摄取光线的多少，称之为进光量，镜头的进光量用F值(光圈)表示。F值=f(焦点距离)/D(镜头的有效口径)，它与口径成反比，与焦点距离成正比。在焦距相同的条件下，镜头口径越大，F值越小，镜头进光量就越大。常见镜头的F值多为1.2、1.4，目前也有F1.0的镜头。因此为了使得摄像机获得理想的低照度效果，需要配置相适合的或配置F值较小的镜头，但是带来不利的影响是F值越小，景深会变差。目前随着星光级高清摄像机的普及，高清镜头厂家也不断推陈出新，很多厂家新推出了超低照度镜头，可实现大光圈和大景深的兼得，这部分后期的市场前景比较看好。

　　感光器件

　　目前摄像机常用的感光器件分为CCD和CMOS，其主要供应商有SONY、APTINA、OV等厂家，随着高清的普及，CMOS技术得到长足的进度，之前制约其发展的低照效果有了质的提升，例如索尼最新推出的Exmor CMOS传感器，可实现低照比传统的CMOS提升一倍以上;而且各大厂家新推出的BSI背照式技术采用了和普通方法相反、向没有布线层的一面照射光线的背面照射技术，由于不受金属线路和晶体管得阻碍，开口率(光电转换部分在一个像素中所占的面积比率)可提高至近100%，因此，这类CMOS传感器的灵敏度已经与CCD传感器接近，低照度下图像效果极佳，但集成度更高，功能更加丰富、性价比更高。另外感光器件的靶面大小也对感光度有着很大的影响，尺寸越大，其感光度越好。为了使摄像机有更低的照度指标，经常会采用更大靶面的传感器。有数据显示： 1/4英寸的感光量只有1/3英寸的44%。

　　滤光片

　　低照度摄像机为得到更低的照度，除摄取可见光外，也需要摄取一些红外光，而不同波长的红外光都被摄取会对摄像机成像造成一定的影响，所以要采用可滤除不需要的的红外光而保留需要的红外光的滤光片。一般都会选用双滤光片，即白天采用不感应红外的滤光片以获得清晰的图像，夜间采用可感应红外的滤光片得到更低的照度。在转换过程中会遇到一个临界值问题，若光线恰好在设定的临界值时会来回切换，不但对成像效果会有影响，也会因为不停的机械运动影响滤光片的寿命，所以生产厂家在摄像机内增加一个延迟电路，即当达到临界值时延迟一段时间再切换，若在这个时段内，照度继续降低，则切换，若保持不变或者升高，则不进行切换。目前随着技术的进步，新的产品也有低照度彩色摄像机即不需要滤光片切换电路，全部都是彩色图像。

　　图像DSP处理

　　低照度摄像机发展至今，不仅有硬件技术方面的发展，对于DSP图像处理方面也有突出的表现，比如彩转黑技术、帧累积技术、降噪技术的出现使得高清低照度摄像机效果得到了很大提升。众所周知，同样感光面积的图像传感器，像素越高，分配到每个像素的感光面积就越小，一个曝光周期内的通光量就越小，低照度效果就越差。 由于高清网络摄像机的低照度下，图像噪点会比光线较好时增加很多，各种数字图像降噪算法也陆续应用于高清网络摄像机。比如，处理静态画面时使用三维滤波，而动态时则使用二维滤波，。两种降噪算法结合使用，可以保留重要的细节，使图像更加平滑，并可以尽量减少运动物体形成的拖影，同时极大的改善视频的闪烁感。降噪的处理上还可以通过画面取样的细分、处理算法的提升、自动增益细化等来改善低照度摄像机的效果，处理完毕后再进行图像合并，出来的画面效果显得更加清晰和细腻。

　　综述

　　当然任何低照度摄像机都需要有一定的光线才可使用，至于光照度的大小涉及到低照度摄像机的灵敏度。所以0LUX摄像机是没有的，所谓OLUX是指没有可见光，这需要由红外线灯来补光才能使摄像机可以工作。然而，一些场所红外摄像机被禁止使用，因此目前为止，低照度摄像机仍有其不可替代的地位。如博物馆禁止红外线紫外线，而这些场所又必须24小时进行监控，对要求较高的应用场合建议尽可能选择传感器尺寸较大、镜头F值较小的摄像机。在一些易燃易爆的仓库、煤矿井，由于红外摄像机的发热量较大，易造成自燃导致火灾，红外摄像机在这些场所也被禁止;还有军事海岸线等场所，由于红外摄像机所发出的波长容易被一些专用仪器所发现而禁止，只能选择低照度摄像机。在监控网络化大潮的推动和市场需求的驱动下，星光级高清摄像机获得了实实在在的突破。星光级高清摄像机可满足多种场合应用，尤其是弱光和低照等特殊场合的特性势必会大量应用在各种各样的实际项目中。

【作者单位：天地伟业数码科技有限公司】