監(jiān)控行業(yè)低照度攝像機(jī)技術(shù)分析

    所謂低照度攝像機(jī)，即在光線很暗的情況下，無需其它輔助光源仍能識(shí)別目標(biāo)物體的攝像機(jī)。目前，很多廠家將攝像機(jī)的照度參數(shù)越標(biāo)越低，從1.0lux到0.1lux，再到0.001lux等等，那么，這些攝像機(jī)果真有那么高的靈敏度嗎？

    CCD及配套技術(shù)

    一個(gè)完整的攝像設(shè)備由有兩部分組成，即鏡頭和攝像機(jī)，而攝像機(jī)又由感光器件(CCD或者CMOS，本文以CCD為例)、復(fù)雜的信號(hào)處理電路、濾光片等組成。

    鏡頭

    作為攝像部件的重要組成部分，其作用是為攝像機(jī)的CCD聚焦被攝物體的光線，使景物在CCD上成像。其可攝取光線的多少直接決定了CCD成像的清晰度。衡量鏡頭攝取光線的多少，稱之為進(jìn)光量，鏡頭的進(jìn)光量用F值(光圈)表示。F值=f(焦點(diǎn)距離)/D(鏡頭的有效口徑)，它與口徑成反比，與焦點(diǎn)距離成正比。在焦距相同的條件下，鏡頭口徑越大，F(xiàn)值越小，鏡頭進(jìn)光量就越大。常見鏡頭的F值多為1.2、1.4，目前也有F1.0的鏡頭。因此為了使得攝像機(jī)獲得理想的低照度效果，需要配置相適合的或配置F值較小的鏡頭。

    CCD感光器件

    目前攝像機(jī)常用的CCD主要有三大供應(yīng)商，即SONY、SHARP和LG，在這三種CCD中，SONY的CCD感光度相對(duì)較好，常用的SONYCCD低照度技術(shù)為SuperHADCCD;后來SONY又研發(fā)出超感光度CCD，SONY稱之為EXVIEWCCD，該CCD的感光度為SuperHADCCD的5倍。

    另外，CCD的尺寸大小也對(duì)感光度有著很大的影響，尺寸越大，其感光度越好。為了使攝像機(jī)有更低的照度指標(biāo)，經(jīng)常會(huì)采用1/2英寸的CCD攝像機(jī)。有數(shù)據(jù)顯示：1/3英寸CCD的感光量只有1/2英寸CCD的56%;而1/4英寸CCD的感光量只有1/3英寸CCD的44%。

    濾光片

    其是彩色攝像機(jī)的一個(gè)很小的器件，對(duì)攝像機(jī)的成像效果起著很大作用。濾光片濾除紅外光。彩色攝像機(jī)的CCD也可感應(yīng)紅外線，但因感應(yīng)紅外光易導(dǎo)致DSP無法算出正確顏色，因此須加一片濾光片將光線中紅外光濾除，所以只有彩色CCD需要濾光片，黑白CCD不需要安裝。

    低照度攝像機(jī)為得到更低的照度，除攝取可見光外，也需要攝取一些紅外光，而不同波長(zhǎng)的紅外光都被攝取會(huì)對(duì)攝像機(jī)成像造成一定的影響，所以要采用可濾除不需要的的紅外光而保留需要的紅外光的濾光片。目前高端低照度攝像機(jī)會(huì)選用雙濾光片，即白天采用不感應(yīng)紅外的濾光片以獲得清晰的圖像，夜間采用可感應(yīng)紅外的濾光片得到更低的照度。此類攝像機(jī)都會(huì)有一個(gè)光敏電阻，當(dāng)光敏電阻感應(yīng)到外界光線不足時(shí)會(huì)啟動(dòng)攝像機(jī)內(nèi)的觸發(fā)電路，將不感應(yīng)紅外光的濾光片切換成感應(yīng)紅外光的濾光片。更高端的攝像機(jī)在切換濾光片的同時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)換成黑白圖像，以此得到更好的圖像效果。當(dāng)然，在轉(zhuǎn)換過程中會(huì)遇到一個(gè)臨界值問題，若光線恰好在設(shè)定的臨界值時(shí)會(huì)來回切換，不但對(duì)成像效果會(huì)有影響，也會(huì)因?yàn)椴煌５臋C(jī)械運(yùn)動(dòng)影響濾光片的壽命，所以一些生產(chǎn)廠家在攝像機(jī)內(nèi)增加一個(gè)延遲電路，即當(dāng)達(dá)到臨界值時(shí)延遲一段時(shí)間再切換，若在這個(gè)時(shí)段內(nèi)，照度繼續(xù)降低，則切換，若保持不變或者升高，則不進(jìn)行切換。

    圖像DSP處理

    低照度攝像機(jī)發(fā)展至今，不僅有硬件技術(shù)方面的發(fā)展，對(duì)于DSP圖像處理方面也有突出的表現(xiàn)，比如彩轉(zhuǎn)黑技術(shù)和低速電子快門，即幀累積技術(shù)的出現(xiàn)。

    彩轉(zhuǎn)黑技術(shù)

    通常黑白攝像機(jī)的靈敏度會(huì)比彩色攝像機(jī)的靈敏度要高很多，因?yàn)楹诎讛z像機(jī)中，DSP運(yùn)算只對(duì)兩種色彩進(jìn)行處理，即黑色和白色，所以現(xiàn)在相當(dāng)部分的低照度攝像機(jī)都有彩色轉(zhuǎn)黑白的功能，即白天為彩色圖像，夜間通過軟件處理將圖像轉(zhuǎn)換為黑白圖像，通過犧牲彩色效果來得到更低的照度。

    一般彩色轉(zhuǎn)黑白的過程是通過CCD采集光線后轉(zhuǎn)換的電荷強(qiáng)弱來控制，當(dāng)電荷強(qiáng)度達(dá)到一定臨界值時(shí)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為黑白圖像，同樣為保證在臨界值時(shí)不會(huì)造成反復(fù)切換，會(huì)做一個(gè)延遲處理。

    低速電子快門技術(shù)

    低速電子快門利用電腦記憶體的技術(shù)，連續(xù)將幾個(gè)因光線不足而較顯模糊的畫面累積迭加，成為一個(gè)影像相對(duì)較清晰的畫面。在CCD攝像機(jī)內(nèi)，是用光學(xué)電控影像表面的電荷積累時(shí)間來操縱快門，電子快門控制攝像機(jī)CCD的累積時(shí)間，當(dāng)電子快門速度增加時(shí)，在每個(gè)視頻場(chǎng)允許的時(shí)間內(nèi)，聚焦在CCD上的光減少，將降低攝像機(jī)的靈敏度。普通攝像機(jī)的電子快門為PAL：1/50-1/100000秒，NTSC為1/60-1/100000秒，低速電子快門可放慢快門的曝光速度，使得CCD可更長(zhǎng)時(shí)間累積電荷從而在低照度環(huán)境下得到相對(duì)清晰的畫面。現(xiàn)在幀累積攝像機(jī)其低速電子快門放慢速度可達(dá)到普通攝像機(jī)的128倍。然而，隨著電子快門速度的放慢，會(huì)產(chǎn)生攝像機(jī)圖像拖尾現(xiàn)象，該類攝像機(jī)比較適用于對(duì)靜止畫面的監(jiān)視，活動(dòng)劇烈的畫面監(jiān)視不宜用。

    通過以上分析，用戶在選擇低照度攝像機(jī)時(shí)不能盲目地看各商家所標(biāo)的最低照度參數(shù)，而應(yīng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境、要求、監(jiān)視對(duì)象，再結(jié)合經(jīng)濟(jì)能力選擇相應(yīng)的低照度攝像機(jī)。如選1/2英寸還是選1/3英寸攝像機(jī);究竟選SuperHADCCD技術(shù)還是選EXviewHADCCD技術(shù)或幀累積技術(shù);還可考慮是否要有彩色轉(zhuǎn)黑白功能，是否運(yùn)用了雙濾光片切換技術(shù)等。

    當(dāng)然任何低照度攝像機(jī)都需要有一定的光線才可使用，至于光照度的大小涉及到低照度攝像機(jī)的靈敏度。所以0LUX攝像機(jī)是沒有的，所謂OLUX是指沒有可見光，這需要由紅外線燈來補(bǔ)光才能使攝像機(jī)可以工作。然而，一些場(chǎng)所紅外攝像機(jī)被禁止使用，因此目前為止，低照度攝像機(jī)仍有其不可替代的地位。如博物館禁止紅外線紫外線，而這些場(chǎng)所又必須24小時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合建議盡可能選擇CCD尺寸較大的攝像機(jī)，如1/2英寸的攝像機(jī)。在一些易燃易爆的倉(cāng)庫(kù)、煤礦井，由于紅外攝像機(jī)的發(fā)熱量較大，易造成自燃導(dǎo)致火災(zāi)，紅外攝像機(jī)在這些場(chǎng)所也被禁止;還有軍事海岸線等場(chǎng)所，由于紅外攝像機(jī)所發(fā)出的波長(zhǎng)容易被一些專用儀器所發(fā)現(xiàn)而禁止，只能選擇低照度攝像機(jī)。