星光级超低照度摄像机技术分析

    在平安城市项目、金融、酒店、写字楼、住宅小区、平安村居、校园、港口、高速公路、街道等场合，由于夜间光照不足，又不可能大规模安装补光照明设施，此种场景下对摄像机的低照度性能要求就比较高，由于常规型摄像机难以满足24小时连续监控的需求，要得到较好的监控效果，就需要安装高品质的适合夜间拍摄的低照度摄像机来保证监控效果。
　　如何满足夜间的监控需求
　　针对夜间监控，目前市面上主要应用的是红外摄像机与激光摄像机，这两种摄像机可谓是各有所长，它们分别利用不同的原理与技术来满足对夜间监控的需求。
　　摄像机的传感器相当于人的眼睛，但比眼睛厉害的是它能感应到一部分不可见光，如红外光线。传感器有一个指标灵敏度，也叫最低照度值，其能体现出对微弱光线的反应能力，灵敏度越高，对光线的感应能力越强，感应红外线的能力就越强。由于传感器可以感知到红外线，在白天，光线中的红外线也进入图像中，会导致整体图像偏红。所以普通摄像机在传感器表面都贴有滤光片，滤掉光线中的红外线。而如果红外摄像机也贴上这种滤光片，夜间摄像机红外灯主动发射的红外光也会被滤掉，导致红外灯失效。为了避免这种情况，高端红外摄像机一般备有双滤光片，即白天打开红外过滤光片，过滤掉光线中的红外线，晚上关闭红外滤光片，让红外线通过镜头射入传感器。这就是红外摄像机为什么可以在人眼看不清的夜间也能清晰成像的原因。
　　激光摄像机是由半导体激光器与镜头搭配组成。激光光束的角度小、能量集中，非常适合远距离照明；配合变焦镜头，可实现激光与摄像机随动，让激光根据摄像机焦距的改变产生相应的变化。
　　相对红外光线，激光照明可以无视光线的强弱，通过激光部件以及超低照度感光元件，摄像机可在完全黑暗的环境下实现对远距离的高清监控，保证成像清晰度；其次其寿命长，激光监控摄像机寿命是普通红外摄像机寿命的3倍，这点对需24小时监控的应用，优势更加凸显；再者传统红外摄像机散热量很大，不仅需消耗较多的电力，而且热量会在机身中堆积，造成机身过热，会严重影响摄像机电子元器件寿命，而激光摄像机则没有这个隐患。但激光照明也有光束过于集中的缺陷，在中短距离监控中，由于成本及覆盖角度不够等问题，相比红外并无优势，也因此其主要应用于针对远距离的监控应用，如景区、铁路等。
　　另外，在某些对光的要求不太严格的场景中，可采用白光常亮或频闪补光，也可获得较好的监控效果。白光灯是节能环保的新型绿色照明灯具，是一种可见光，属于冷光源，其最大的特点是其在夜晚的成像为彩色，所看到的景物和白天没有太大的差别，可以提供更多信息量，有利于调查取证。带白光灯的摄像机通常被用于道路监控工程中的卡口系统或小区停车场出入口。
　　而频闪补光则能与摄像机每帧图像的电子快门同步，受控于摄像机的帧同步信号，并适应摄像机的帧率做出相应的倍频，按照一定的频率闪亮给摄像机补光，从而降低其对人眼的影响和减少环境光对拍照的干扰，现主要被应用于治安卡口、超速抓拍、闯红灯等环境中。
　　占据一席之地
　　红外与激光摄像机在外界无需任何辅助光源的情况下即可得到较清晰的图像，因此它们被较多地使用在夜晚无灯的区域。而基于其整体价格相对较低等优势，使得红外摄像机在近年来所占据的市场份额也呈直线上升趋势。但红外与激光摄像机目前仍存在一些缺陷，如色彩为黑白、能耗大、散热不佳、红外摄像机照射距离有限、照射范围不广等等。而低照度摄像机是近年来随着半导体技术发展而推出的监控行业的热点产品。
　　低照度摄像机，从字面上就可以看出，是指在光照较暗的情况下(即低照度)仍然可以获得比较清晰图像的摄像机。目前安防行业通常将前端摄像机分为四个等级：普通级摄像机，一般照度值均大于0.1Lux；照度值范围在0.1Lux至0.01Lux之间的摄像机，一般被称为低照度摄像机；而被称为月光级摄像机，其照度值范围在0.01Lux至0.001Lux间；当最低照度值达到甚至低于0.0001Lux的时候，便达到了“星光级”的超低照度摄像机，但这些分类也没有绝对的规范化、标准化。
　　市场上早期的高清网络摄像机低照度效果普遍一般。随着图像传感器技术的提高，以及图像降噪算法的应用，高清网络摄像机的低照度效果越来越好，它不同于红外，可借助周围的一切光源，如路灯、走廊灯、月光甚至星光等，在光线较暗的情况下获得全彩色实时视频图像，由于采用了超灵敏度图像传感器和独有的电子倍增和噪点控制技术能够极大地提高摄像机的灵敏度，并且具备24小时全彩色实时效果，绝无普通低照度摄像机出现的拖尾现象，以满足对夜间高品质监控的需求。其优点是功耗小、图像效果真实、不偏色，在应用面上，虽然不及红外摄像机广泛，但也在一定程度上具备不可替代性。目前低照度摄像机普遍应用于平安城市、军队、边防、银行、医院、高速公路等对日夜监控要求比较高的领域。
　　目前国内安防行业中，仅有部分研发能力强、在图像处理方面具备雄厚实力且有相应细分市场的安防厂家在低照度摄像机领域取得了一定成绩。如苏州某安防厂商推出的星光级摄像机IPC123，其在星光环境下无须借助任何辅助光源便可显示清晰且不拖尾的彩色图像，同时与其他十来家厂商摄像机在新疆某兵团公安系统组织的选型测试PK中脱颖而出，一举拿下各项综合性能NO1的称号，体现出该厂商在此领域的雄厚实力。
　　低照度监控效果的提升方式
　　低照度监控技术主要受镜头、图像传感器、后端图像处理技术等因素的影响，要想取得较为理想的低照度监控效果，可从以下几个方面进行提升：
　　利用大光圈镜头：镜头是摄像部件的重要组成部份，它在低照监控应用技术上的作用是为摄像机聚焦被摄目标的光线，这里的低照应用与技术关键在于镜头的口径越大其进光量也会越大，也就是镜头光圈的增大可有效提升进光量，从而使摄像机获得理想的低照度效果。
　　选用大靶面传感器：摄像机的本质就是把光能转化为电能，而量化的核心部件是传感器，传感器的作用就是把传到它身上的不同强度的光线进行光电转换，转换成电压信息最终生成数字图像信息。而传感器上接收光线的部位自然是核心中的核心。如果相同分辨率的摄像机，图像传感器靶面面积越大，则其单位像素进光量就越大，抑制噪点能力越强，低照度拍摄时，成像画质也越好。
　　改进传感器工艺：要想取得理想的低照度效果，还可以通过对传感器工艺的改进，以提升其灵敏度。摄像机本体中的图像传感器看上去很简单，实际上对生产工艺与微处理的技术要求相当高，比如背照传感器通过改善传统CMOS感光元件内部的结构，让感光层的元件调转方向，光能从背面直射进去，避免了在传统传感器结构中，光线会受到微透镜和光电二极管之间的电路和晶体管的影响，从而显著提高光的效能，大大改善低光照条件下的拍摄效果。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、功能更加丰富且性价比更高。
　　良好的图像处理技术：以往的摄像机采用传统的2D算法来实现降噪功能，而现在采用的3D降噪技术，在原有的帧内降噪基础上，通过对前后两帧的图像进行对比筛选处理，从而将噪点位置找出，对其进行增益控制，3D数字降噪功能能够降低弱信号图像的噪波干扰。由于图像噪波的出现是随机的，因此每一帧图像出现的噪波是不相同的。3D数字降噪通过对比相邻的几帧图像，将不重叠的信息(即噪波)自动滤出，采用3D降噪的摄像机，图像噪点会明显减少，图像会更加清晰透彻，从而显示出比较纯净细腻的画面。
　　增加补光设备：低照度摄像机，比如星光级枪机，能在微光环境下正常工作，但有些场景，也可通过增加白光补光的方式来提升其监控效果。
　　结语
　　目前，针对各类光源与场景，都有特定的监控设备满足用户需求，包括在完全黑暗的环境下也可通过补光举措实现图像监控，24小时昼夜监控技术已可基本满足用户需求，但用户的需求也在不断提升，与此同时，低照度监控技术也需用不断地提升来满足用户的需求。