超低照度摄像机的技术发展之路

    近几年，前端摄像机市场的竞争已经白热化，如何在这片红海中树立起自己的航标?以当前的市场格局来看，用户需求的细分化程度越来越深入，“超低照度”、“宽动态”、“智能透雾”等等这些从前只在高端产品中出现的名词，如今已渗透到各个应用领域。特别是超低照度摄像机，如今大多数生产厂家都已推出各具特色的不同价位的低照度摄像机，下面我们就从超低照度的技术发展路线和相关注意要点来逐步分析探讨。
　　一、“超低照度”到底是什么
　　根据标准化的定义，目前安防行业将前端摄像机分为四个等级：普通级摄像机，一般照度均大于0.1Lux;照度范围在0.1Lux至0.01Lux之间的摄像机，一般被称为低照度摄像机;而被称为月光级的摄像机，其照度范围均在0.01Lux至0.001Lux;当照度范围达到并超过了0.0001Lux的时候，便达到了“星光级”的超低照度摄像机。
　　上面的数值虽然一直以来都被用作衡量摄像机产品是否是低照度的标准，但是仅以此视作低照度产品的标杆，是完全不够的，也是不负责任的一种表现。
　　那么，我们所说的“超低照度”到底是什么呢?根据无线电工程学会(IEEE)给出的标准定义：在广播级视频电平中，任何视频信号在播放时的亮度电平都不能超过100IRE。当视频输出电平的振幅低于原始振幅的30%时，视频信号提供的图像将视为不可用。
　　上面的这个描述或许有点复杂，让我们将其还原应用至“超低照度”摄像机上面来：以星光级产品为例，如若在0.001Lux的情况下，通过摄像机自带(需摄像机内置的图像处理器DSP支持)的AGC(自动增益控制)功能提供额外的10%的图像增益修正，视频输出的电平只有15%IRE，在这样的情况下，拍摄到基本无光的实验室内的图像表现如下图1所示，只能稍微看到环境中物品本身所带的点点亮光，其它几乎不可视，这是完全没能达到“可用”标准。因此，在照度描述下标注IRE值是一个安防生产商对自身产品质量的信心体现，也是对客户负责任的体现。

    图1

    加上了IRE标注的低照度产品就能视为可信吗?回答依然是否定的，因为“光”的开口还被另一个器件――镜头把关着。
　　镜头的光圈大小，即f值的大小直接决定了产品的价格。光圈越大，f值越小，价格越高;反之亦然。一个需要镜头光圈f=0.9开口的星光级摄像机与一个需要镜头光圈f=1.2开口的星光级摄像机，你会选择哪个产品?这个问题或许不好回答，但如果我们换种方式提问：一个价格2万多元的星光级摄像机与一个价格只需要两千元左右的摄像机，两者功能无差异，只有镜头不同，大多数客户都会选择后者。
　　因此，本着“用户至上，诚信为本”的原则，以笔者所在的广东迅通科技股份有限公司为例，我们将在f=1.2，振幅电平等于50%IRE情况下，照度达到0.001Lux和0.0001Lux的摄像机叫做“月光级”和“星光级”摄像机，也只有这两类产品才属于“超低照度”摄像机的行列。以迅通的超低照度百万像素宽动态高清网络半球(月光级产品)为例，在同样的几乎无光的实验室内，其图像表现如图2，我们能够捕捉到无光环境下的物品放置位置及亮光的存在。

    图2

    二、实现超低照度的技术与方法
　　不同的传感器(尤指CCD与CMOS)，由于其构造的差异，有着截然不同的方法实现“超低照度”。下面我们将分成两部分来对其进行论述。
　　（一）CCD的超低照度之路
　　一块CCD传感器即是一个感光面，但其光感性能却是由每个像素位的光感性能综合决定的。以经典的SonyHAD系列CCD传感器为例，在HAD系列传感器诞生之前，受限于当时电子制造业水平，CCD的光感性能在一段时间内遭遇了难以逾越的物理屏障。
　　如何在越来越小的传感器上得到质量良好的成像与低照度表现，第一代SuperHAD传感器给出了答案：通过在每个像素点上安装经过形状优化设计的镀膜微小镜片，以保证光线准确到达传感器底部的基层板上，从而达到提高光利用率，使画面更清晰，照度更低。简而言之，SuperHAD技术就是一个放在传感器前面的高效率放大镜，把光正确的引导至每个微小的像素孔里面，把原本灰暗的部分给点扫灭了。有了SuperHAD技术的支撑，各大厂商纷纷推出了低照度摄像机产品，即在f=1.2的情况下，在光照强度不足0.1Lux的环境中，输出图像依然能达到或超过30%IRE。
　　然而真正的“超低照度”摄像机产品是从第二代SuperHAD传感器之后才诞生的。把像素孔的孔内高度降低，增大每个像素孔的开口，再换个加大号的且经过光学优化的放大镜。经此设计调整，传感器的感光效率提高了136%，而使用该款传感器的摄像机也能达到星光级标准，即在f=1.2的情况下，在光照强度不足0.0001Lux的环境中，输出图像依然能达到或超过30%IRE。
　　（二）CMOS的超低照度之旅
　　受限于制造工艺与组成结构的问题，CMOS传感器的超低照度之旅着实要比它的竞争对手CCD来得困难。CMOS又叫互补金属氧化物半导体，是一种集成了感光器件与模数转换器的以低电压驱动的图像传感器。在其诞生之初，别说低照度了，就是在正常光照下，其画面输出效果都让人汗颜。
　　然而，经过三十多年的发展，CMOS的感光和成像性能有了翻天覆地的变化。
　　丑小鸭终于变成了白天鹅，更有成为凤凰的潜质。超低功耗、超低照度、千万像素、背照式、堆栈式等新名词出现在了CMOS发展的各个时期。根据市场研究公司In-Stat/MDR的统计结果，图像传感器的次级市场年成长率高达30%以上，其中80%的份额属于CMOS传感器。
　　是什么原因让CMOS发展如此惊人呢?对比CCD传感器，CMOS的光感性能决定于整块传感器的受光面积，而非各像素点的入射光强度。这个特性对于科研人员来说，就如同要其去用斧子去劈一块木桩与一根头发的区别。劈木桩，你只要考虑木桩在哪，斧子是否够利;然而要劈头发，首先得在动斧子之前找到那根头发，还得祈祷斧子下去时不要把头发给吹走。
　　有了方向，对应的方法就很简单了。斧头劈不开，那就换个可以倒立的木桩，如图3;斧子劈不到中心，那就找个小点的“树皮”薄点的木桩，如图4。通过如此举措，CMOS传感器成了“高性能”“低价格”的代名词，也逐步被市场认同和接受。

图3

   图4

    三、超低照度的应用及注意要点
　　超低照度摄像机的设备稳定性远高于红外补光摄像机。受到红外补光电路的电磁以及红外灯的发热影响，在高温或长时间工作时，红外补光摄像机经常会出现成像质量变差、红外切换失灵等一系列问题。也是因为如此，绝大部分的卡口摄像机都需要将补光配件分离出来，以保证系统长时间工作的整体稳定性。
　　低照度摄像机是符合低碳环保的绿色发展主题的。以迅通的网络摄像机设计规范为例，一个使用CMOS传感器的超低照度高清枪型摄像机的额定设计功耗为5W左右，而一个使用CMOS传感器的红外补光高清枪型摄像机的额定设计功率通常达到了9W。这样算起来，可能几个摄像机所节省的功耗效果不太明显，但如果遇到大型视频监控项目，特别是近几年平安城市项目所承载的监控点越来越多，有些甚至达到几万个监控点，如果按1000个监控点，1年的运作时间计算，将可为监控系统节约能耗约3.5万多千瓦时。
　　超低照度摄像机在使用上与其他摄像机产品没有太大的不同，所以它一上市便成了市场中的宠儿。越来越多的项目、工程都将其部署在重要区域，其中尤以医院、银行、智能楼宇等对人的视觉感知影响较大且长期处于弱光环境下的重点、敏感区域。
　　四、结语
　　超低照度摄像机的发展是得到市场认同的。产品不论从功能、效果、稳定性，还是从产品的易用性、人性关怀指数甚至环保指数等，都较大幅度的领先于传统摄像机产品。从目前市场上的售价来看，超低照度摄像机只略高于传统摄像机，与红外补光产品显持平的态势，而这种态势将随着产品的规模化量产而价格逐步被拉低。相信将来将会有更优秀更智能更人性化的超低照度摄像机涌现，在“平安城市”、平安校园、道路监控、金融等重要领域中大显身手。