攝像機(jī)技術(shù)指標(biāo)比較評測

代小艷，　羅萬杰

(中國人民公安大學(xué)警務(wù)信息工程學(xué)院， 北京　100038)

攝像機(jī)技術(shù)指標(biāo)比較評測

代小艷，羅萬杰

(中國人民公安大學(xué)警務(wù)信息工程學(xué)院， 北京100038)

摘要攝像機(jī)作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端采集圖像的關(guān)鍵部件，是實現(xiàn)防控的首要關(guān)卡，其性能優(yōu)劣直接關(guān)乎社會治安防控體系整體效果的發(fā)揮。綜合分析影響攝像機(jī)監(jiān)控效果的各項技術(shù)指標(biāo)，建立評測指標(biāo)集，介紹其中幾項重要指標(biāo)的評測方法，并結(jié)合其在某銀行攝像機(jī)產(chǎn)品選購評測中取得的良好應(yīng)用效果，證實該評測方法能夠有效運用于攝像機(jī)技術(shù)指標(biāo)的比較評測中。

關(guān)鍵詞攝像機(jī); 技術(shù)指標(biāo); 評測方法

0引言

視頻監(jiān)控作為社會治安防控體系的有效手段之一，已普遍用于公安偵查破案中，并在平安城市建設(shè)、金融保衛(wèi)、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用帶動下備受關(guān)注。攝像機(jī)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)視頻圖像的采集，其性能優(yōu)劣直接影響監(jiān)控系統(tǒng)效能的發(fā)揮[1]，如圖像清晰度不高、圖像延時等現(xiàn)象已成為制約聯(lián)動報警以及偵查破案的主要因素。而隨著視頻監(jiān)控應(yīng)用市場的極速擴(kuò)展，各攝像機(jī)制造廠商紛紛推出能夠適應(yīng)各種監(jiān)控環(huán)境的攝像機(jī)產(chǎn)品，一方面繁榮了市場，為使用者提供了更大的選擇范圍；另一方面由于產(chǎn)品繁多且魚目混雜，給使用者正確選取到滿意產(chǎn)品帶來了極大困惑。為此，亟需在同一應(yīng)用環(huán)境下對不同廠家的產(chǎn)品進(jìn)行相同指標(biāo)項的比較，以評比出綜合性能好或單一指標(biāo)表現(xiàn)突出的產(chǎn)品，為使用者選用攝像機(jī)提供技術(shù)依據(jù)。

通過走訪安防行業(yè)內(nèi)專家，聽取其對影響攝像機(jī)性能指標(biāo)的專業(yè)性見解，實地考察多家曾參與視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計安裝的安防運營商，了解其對指標(biāo)的實踐性認(rèn)識，并結(jié)合學(xué)術(shù)界現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究成果，本文設(shè)計了一套攝像機(jī)性能比較評測方法；其中包括攝像機(jī)評測指標(biāo)集，攝像機(jī)主要性能指標(biāo)測試方法并面向特定的測試方法限定了測試環(huán)境及測試設(shè)備。值得一提的是，此方法成功運用在了某銀行總行的2014年攝像機(jī)產(chǎn)品選購評測中，并取得了較好評測結(jié)果。

1攝像機(jī)評測指標(biāo)集

1.1　攝像機(jī)評測指標(biāo)集建立

攝像機(jī)技術(shù)指標(biāo)比較評測的首要工作是確定指標(biāo)并建立評測指標(biāo)集?？紤]到現(xiàn)階段復(fù)雜多變的社會治安形勢對視頻監(jiān)控系統(tǒng)的較高要求，結(jié)合攝像機(jī)的功能特性，可以確定將攝像機(jī)中影響視頻監(jiān)控效果以及左右使用者做出攝像機(jī)選型決定的因素作為指標(biāo)進(jìn)行綜合評價研究。這就要求指標(biāo)需具備全面性，能夠客觀反映相同指標(biāo)下不同廠家攝像機(jī)產(chǎn)品的優(yōu)劣；同時還應(yīng)注意不同類型攝像機(jī)指標(biāo)選擇的差異性，如寬動態(tài)攝像機(jī)的關(guān)鍵性指標(biāo)是動態(tài)范圍，而網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)關(guān)鍵性指標(biāo)則是圖像延時?？傊?，攝像機(jī)評測指標(biāo)選定應(yīng)兼顧差異性且保證全面性，在選取之初周全考量。

通過多次篩選，本文將攝像機(jī)評測指標(biāo)分為兩類：一是客觀確認(rèn)類，此類指標(biāo)通過閱讀說明書或觀察產(chǎn)品即可確定比較，不需要測試，如攝像機(jī)的供電方式、形式等；二是效果認(rèn)定類，這類指標(biāo)需要通過測試，由專業(yè)人員依據(jù)效果給出評判。第二類指標(biāo)又分為基礎(chǔ)項和附加項：基礎(chǔ)項是指攝像機(jī)的基本指標(biāo)，是所有類別攝像機(jī)都需要測試比較的，如背光補償、自動電子增益等；而附加項則是特定類別攝像機(jī)需要測試的指標(biāo)，如動態(tài)范圍是寬動態(tài)攝像機(jī)的附加項指標(biāo)，圖像延時是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的附加項指標(biāo)。評測指標(biāo)集建立如圖1所示。

圖1　攝像機(jī)評測指標(biāo)集　

1.2　部分指標(biāo)說明

(1)水平清晰度。它是攝像機(jī)對所拍攝物體成像細(xì)節(jié)表現(xiàn)的量化。在安防行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)中對其定義為對一幀等寬黑白相間線條的圖像，分辨其黑白線條最小寬度的能力[2]。攝像機(jī)水平清晰度是衡量攝像機(jī)圖像采集質(zhì)量的重要指標(biāo)，其分辨能力高低直接影響監(jiān)控效果。一旦清晰度太差導(dǎo)致圖像模糊，監(jiān)控系統(tǒng)就難以發(fā)揮作用。

(2)自動白平衡。白平衡是去除非正常顏色，衡量攝像機(jī)在不同色溫環(huán)境下對物體色彩還原能力的一項技術(shù)指標(biāo)[3]。物體在不同色溫的光源環(huán)境下會呈現(xiàn)不同顏色，而攝像機(jī)的傳感器不具備人眼獨特的適應(yīng)性，當(dāng)其色彩調(diào)整同景物照明的色溫不一致就會發(fā)生偏色。自動白平衡則能通過攝像機(jī)內(nèi)部色彩電路將拍攝到的圖像抵消偏色進(jìn)而實現(xiàn)自動調(diào)整，最大限度還原監(jiān)控現(xiàn)場的本來面目。實際應(yīng)用場所中，早、中、晚的色溫差異普遍會導(dǎo)致視頻畫面中成像目標(biāo)顏色改變，對監(jiān)控效果產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此，自動白平衡功能在解決圖像的色彩失真方面起著舉足輕重的作用[3]。當(dāng)白平衡效果不佳時，視頻圖像中嫌犯衣著等顏色失真，會誤導(dǎo)辦案人員判斷，影響破案進(jìn)程。

(3)自動背光補償。背光補償可以有效補償攝像機(jī)在逆光環(huán)境下拍攝時畫面主體黑暗的缺陷。從攝影學(xué)角度講，“背光”就是背面有強(qiáng)光，導(dǎo)致主體曝光不足而變黑。若監(jiān)控畫面中出現(xiàn)背光情況，則無法實現(xiàn)對目標(biāo)的正常成像，對目標(biāo)的曝光不足會導(dǎo)致失去目標(biāo)的特征細(xì)節(jié)，嚴(yán)重時會無法辨別目標(biāo)。

(4)最低照度。它是為獲得可識別被攝物體最低界限的圖像輸出水平所需的必要的被攝物體照度[4]。攝像機(jī)最低照度這一指標(biāo)的數(shù)值越低，表明其越能滿足較低光強(qiáng)條件下監(jiān)控成像的要求。在相同的測試條件下，最低照度越小越好，此時，即使在環(huán)境光照強(qiáng)度很低時，監(jiān)控攝像機(jī)依然能夠發(fā)揮較好的作用。

(5)自動電子增益。它是保證攝像機(jī)在不同照度環(huán)境下依然輸出標(biāo)準(zhǔn)視頻信號，即讓放大器的增益能夠在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。其通過檢測視頻信號的平均電平自動完成增益調(diào)節(jié)，確保增加攝像機(jī)在低照度下的靈敏度，從而提高圖像信號的強(qiáng)度以獲得清晰的圖像。在攝像機(jī)工作環(huán)境中，光照由弱變強(qiáng)或者由強(qiáng)變?nèi)醯那闆r時有發(fā)生，如果自動電子增益不能根據(jù)光強(qiáng)的變化很好地完成調(diào)節(jié)工作，那么攝像機(jī)監(jiān)控畫面將會模糊不清。

(6)寬動態(tài)。它可改善畫面中高亮部分(全白)不能正常成像而丟失視頻細(xì)節(jié)的問題。在目標(biāo)監(jiān)控中，強(qiáng)光源照射下的明亮區(qū)域和陰影、背光等相對亮度較低的昏暗區(qū)域有時會同時存在[5]，此時攝像機(jī)輸出的視頻圖像會由于明亮區(qū)域的曝光過度和黑暗區(qū)域的曝光不足而分別呈現(xiàn)白色和黑色，導(dǎo)致監(jiān)控畫面被嚴(yán)重破壞、缺乏色彩層次[5]。寬動態(tài)技術(shù)則在應(yīng)對光線干擾中有著與生俱來的優(yōu)勢，能夠在光照強(qiáng)度對比極其強(qiáng)烈的條件下，使畫面中的物體依然清晰可見。實際應(yīng)用中的某些工作場景難免出現(xiàn)照度對比鮮明的現(xiàn)象，因此，需要在模擬光線反差巨大的情況下對各臺具有寬動態(tài)技術(shù)的攝像機(jī)進(jìn)行寬動態(tài)范圍測試。

(7)圖像延時。圖像延時是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)很重要的指標(biāo)之一，表現(xiàn)為視頻圖像畫面不連續(xù)，有滯后現(xiàn)象，其值越小越好。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像延時指標(biāo)的好壞主要取決于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)所選用的壓縮芯片以及壓縮算法的開發(fā)能力和核心底層技術(shù)能力。通常網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的圖像延時應(yīng)控制在200 ms左右，一旦超過400 ms，則前端設(shè)備報警會達(dá)不到聯(lián)動應(yīng)有的反映速度效果。

2攝像機(jī)技術(shù)指標(biāo)評測方法研究

參照中華人民共和國安全行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《安全技術(shù)視頻監(jiān)控攝像機(jī)通用技術(shù)要求》中的方式與方法，結(jié)合監(jiān)控攝像機(jī)工作環(huán)境一般要求，對第二類指標(biāo)的原理、評測要點、環(huán)境構(gòu)建等做了較為細(xì)致的研究，最終制定了較合理的評測方案，其中包含設(shè)備的選取以及評測環(huán)境的限定。

2.1　攝像機(jī)技術(shù)指標(biāo)評測原則

攝像機(jī)指標(biāo)評測過程中，為了使評測結(jié)果能更好地反映產(chǎn)品的真實性能，統(tǒng)一對參與評測攝像機(jī)作出明確規(guī)定，要求其所用內(nèi)部鏡頭一致，焦距范圍盡量相同。評測為保證公平公正，將技術(shù)評測室與評判評測室完全分開，互不干預(yù)，采取全雙通的方式實現(xiàn)雙方通信。評判室中僅有可以實時觀測技術(shù)室內(nèi)各攝像機(jī)測試效果的監(jiān)視器，參評人員通過監(jiān)視器觀察各攝像機(jī)輸出的圖像，從而判定各項指標(biāo)的比較結(jié)果。技術(shù)評測室內(nèi)，應(yīng)該將自然光線的干擾降到最低，為此，窗戶及門都采用遮光布遮擋，營造一個光線密閉的環(huán)境，這樣對不同廠家的攝像機(jī)同時進(jìn)行評測時可以忽略自然光線對最終結(jié)果產(chǎn)生的不良影響。

2.2　攝像機(jī)技術(shù)指標(biāo)評測方法介紹

2.2.1水平清晰度測試

水平清晰度測試的主要測試儀器及工具包括清晰度測試卡兩張、測試卡架子若干、5 600 K色溫?zé)魞膳_，其中模擬攝像機(jī)測試采用的是4∶3的清晰度測試卡，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)測試采用的是16∶9的清晰度測試卡，測試卡如圖2所示。測試設(shè)備的現(xiàn)場搭建如圖3所示。

圖2　清晰度測試卡　

圖3　水平清晰度測試設(shè)備搭建圖　

其中，如何將不同廠商提供的攝像機(jī)同時進(jìn)行測試是當(dāng)時亟待解決的關(guān)鍵問題。經(jīng)過多次實驗，最終決定采用自行搭建的簡易可升降平臺，將各臺攝像機(jī)都放置在該臺子上，并且用攝像機(jī)測試支架固定住。最終取得了很好的效果，如圖4所示。

圖4　攝像機(jī)安放　

評測中，為了讓各臺攝像機(jī)都能在相同光線環(huán)境下工作，使每臺攝像機(jī)得到的測試卡畫面所擁有的光線盡可能一樣，要求將兩臺5 600 K色溫?zé)糸_至最亮，在兩側(cè)以45度角對準(zhǔn)測試卡，并距離2~3 m左右，而要求所有攝像機(jī)距離測試卡3 m以上為宜，各個攝像機(jī)間距越小越好，光圈開至最大。測試過程中，為使觀察效果更好，需調(diào)整每個攝像機(jī)焦距至分辨率卡充滿監(jiān)視器的整個屏幕，并且調(diào)整畫面至最佳狀態(tài)。參評人員在評判室通過監(jiān)視器觀察實際所得線數(shù)而給出結(jié)果。本項評測是對攝像機(jī)的成像效果進(jìn)行比較，未使用圖像清晰度測試軟件Hyres，而是通過模擬視頻監(jiān)控的實際情況，采用主觀評測法，由參評人員根據(jù)液晶監(jiān)視器上圖像中心楔上能分辨的最大水平電視線示數(shù)(如圖5所示)，按規(guī)則進(jìn)行打分。

圖5　模擬攝像機(jī)水平電視線數(shù)　

2.2.2自動白平衡測試

本項測試主要測試儀器及工具包括可調(diào)色溫?zé)魞膳_、24色色彩還原卡兩張和測試卡架子若干，其中可調(diào)色溫?zé)裟軌蛘{(diào)出三種色溫光源：6 500 K、5 600 K及3 200 K。這三種光源可分別模擬陰天、晴天平均中午及日出后或落日前3小時等各時段的色溫。測試中，為使參評人員在不同的色溫條件下，能夠更直觀地觀察各臺攝像機(jī)的自動白平衡對目標(biāo)物體色彩還原的效果，本項測試采用24色色彩還原卡作為目標(biāo)物體。24色色彩還原卡如圖6所示。測試設(shè)備的現(xiàn)場搭建仍如圖3，但是需要使用24色色彩還原卡替換清晰度測試卡。

圖6　24色色彩還原卡　

測試過程中，通過不斷調(diào)節(jié)色溫?zé)?，觀察攝像機(jī)在不同的色溫環(huán)境下所成像中24色色彩還原卡的顏色，判斷攝像機(jī)在不同的環(huán)境色溫下是否可以正確重現(xiàn)原色。

2.2.3寬動態(tài)測試

本項測試主要測試儀器及工具包括5 600 K色溫?zé)魞膳_、24色色彩還原卡大小各兩張、塑料模特和測試卡架子若干。測試中，暗處運用塑料模特作為目標(biāo)，為便于觀看暗處目標(biāo)在攝像機(jī)監(jiān)控畫面中的表現(xiàn)，在塑料模特上粘貼了小24色色彩還原卡。測試設(shè)備的現(xiàn)場搭建如圖7所示。

圖7　寬動態(tài)測試設(shè)備搭建圖　

本項測試主要針對擁有寬動態(tài)技術(shù)的攝像機(jī)。評測過程中，打開兩臺5 600 K色溫?zé)舨⒃趦蓚?cè)以45度角對準(zhǔn)大24色色彩還原卡，根據(jù)需要，適當(dāng)調(diào)整設(shè)備距離。此時，塑料模特沒有燈光照射，處于陰影處，從而營造出了光照對比強(qiáng)烈的場景。通過調(diào)節(jié)攝像機(jī)焦距至分辨率卡充滿監(jiān)視器的整個屏幕，然后調(diào)整畫面至最佳狀態(tài)，觀察畫面前后景寬動態(tài)的效果。參評人員在評判室通過觀察監(jiān)視器畫面，將陰暗處的塑料模特以及其上粘貼的小24色色彩還原卡的亮度和顯示效果與光照充足的測試卡支架上的大24色色彩還原卡進(jìn)行對比，比較各臺監(jiān)視器中二者在強(qiáng)弱光源巨大反差下的圖像質(zhì)量，從而進(jìn)行主觀評判。

2.2.4自動電子增益測試

本項測試的主要測試儀器及工具包括清晰度測試卡兩張、顏色鮮艷的物體(花籃)、節(jié)拍器和可調(diào)色溫?zé)魞膳_。測試時，打開兩臺色溫?zé)?，開至最亮，在兩側(cè)以45度角對準(zhǔn)測試卡，花籃和節(jié)拍器是沒有燈光照射的，測試設(shè)備的現(xiàn)場搭建如圖8所示。

圖8　自動電子增益測試設(shè)備搭建圖　

本項測試通過人為不斷調(diào)整可調(diào)色溫?zé)粢愿淖児饩€強(qiáng)度，觀察在光線由弱變強(qiáng)以及由強(qiáng)變?nèi)醯倪^程中，攝像機(jī)成像的效果。參評人員根據(jù)評判室里各臺監(jiān)視器上顯示的畫面，按規(guī)則進(jìn)行評分。

3評測比較實例分析

本節(jié)以某銀行攝像機(jī)產(chǎn)品選購評測為例，選取網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)寬動態(tài)槍式1 080 p中的寬動態(tài)范圍和水平清晰度兩個指標(biāo)進(jìn)行實例分析。本次評測結(jié)果采用計分制，根據(jù)最終的綜合得分進(jìn)行性能比較排名。水平清晰度最高分值采用動態(tài)機(jī)制，即每類攝像機(jī)中選擇水平清晰度實際最高者的線數(shù)/10作為最高分。寬動態(tài)最高分值為10。而寬動態(tài)作為此類型攝像機(jī)的關(guān)鍵指標(biāo)，參評專家一致認(rèn)為其權(quán)重為水平清晰度的兩倍。如表1所示。

表1　評分規(guī)則

本節(jié)選取了4家廠商，分別為A、B、C、D。評測中，對各廠商提供的攝像機(jī)均采用了同一型號規(guī)格的3~12 mm的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭?；诘?節(jié)中第2小節(jié)的評測方法，對4臺攝像機(jī)同時進(jìn)行清晰度和寬動態(tài)測試。各家廠商提供的攝像機(jī)在清晰度測試中所獲取的畫面如圖9所示，在寬動態(tài)測試中獲取的畫面如圖10所示。

圖9　各廠家水平清晰度測試效果圖　

圖10　各廠家寬動態(tài)范圍測試效果圖　

參評人員通過觀察測試畫面對各攝像機(jī)對應(yīng)的指標(biāo)項目按規(guī)則進(jìn)行評分。對于水平清晰度，參評人員通過主觀評測法，根據(jù)觀察到的可分辨的電視線數(shù)/10作為最終得分。而對于寬動態(tài)，則根據(jù)前后景效果對比作為評分標(biāo)準(zhǔn)。評分結(jié)果如表2所示。

其中，各家廠商提供的攝像機(jī)對應(yīng)的各項指標(biāo)的平均分Ckj的計算如公式(1)所示。

(1)

表2　指標(biāo)得分

式中，k表示供應(yīng)商序號，j表示指標(biāo)序號，n表示共n位參評人員，bij表示第i位評判者給予第j項指標(biāo)的評分。

百分制的計算如公式(2)所示。

(2)

式中，Hj表示第j項指標(biāo)的最高得分，Dkj表示第k家廠商提供的參與評測攝像機(jī)第j項指標(biāo)的百分制分?jǐn)?shù)。

將兩項指標(biāo)各自的最終得分進(jìn)行量化分析，如圖11所示。

圖11　寬動態(tài)槍式1 080 p　

從該量化圖中，兩項指標(biāo)性能的優(yōu)劣顯而易見。其中，D廠家提供的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)寬動態(tài)槍式1 080 p水平清晰度效果最好，而C廠家提供的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)寬動態(tài)槍式1 080 p寬動態(tài)范圍效果最好，由此可見，哪家廠商的攝像機(jī)質(zhì)量更好不是憑一個指標(biāo)就能夠決定的，而是需要綜合評判作出分析。對于以上兩項指標(biāo)，進(jìn)行綜合比較，將各項得分進(jìn)行加權(quán)平均，得出的綜合評分表如表3所示，量化結(jié)果如圖12所示。根據(jù)量化圖，兩項指標(biāo)綜合比較結(jié)果顯示廠商D提供的攝像機(jī)性能更優(yōu)。

表3　綜合得分

圖12　兩項指標(biāo)總成績　

4結(jié)語

如何評測攝像機(jī)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣是困擾目前攝像機(jī)采購的難題。本文基于實際需求，通過建立合理的攝像機(jī)評測指標(biāo)集，提出了實用性強(qiáng)的評測方法，并將其用于某銀行攝像機(jī)技術(shù)指標(biāo)比較評測中，同時給出了客觀合理的結(jié)果。評測中未使用如imatest色彩還原測試軟件、Hyres清晰度測試軟件等，只需參評人員主觀評測，根據(jù)觀察圖像的客觀顯示效果，按規(guī)則給各項指標(biāo)進(jìn)行打分，使評測方法具備通用性。另外，評測中將評判室和技術(shù)評測室完全分開，并在二者間由廣播級聯(lián)的方式實現(xiàn)全雙工通信是一大亮點，保證了評測的公正性。本文評測方法側(cè)重考察主觀評測結(jié)果，在客觀評測方面略顯不足，若能與軟件結(jié)合起來使用，將會使評測結(jié)果更具科學(xué)性。

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(責(zé)任編輯陳小明)

作者簡介代小艷(1990—)，女，湖北人，2013級碩士研究生。研究方向為安全防范技術(shù)與工程。

中圖分類號D918.2