“星光級技術(shù)”對弈正當(dāng)時

□ 文/吳 迪

安防產(chǎn)業(yè)發(fā)展分為三個階段，給人看——解決看得清的問題，產(chǎn)業(yè)以PQ（Picture Quality 圖像質(zhì)量）拉動，2018年之前處于此階段；幫人看——解決看得懂的問題，產(chǎn)業(yè)以PQ+AI雙輪驅(qū)動，目前處于此階段；給機器看——完全釋放人力，產(chǎn)業(yè)以AI+APP（Application 應(yīng)用）場景化帶動，預(yù)計2020年以后進入此階段。星光級技術(shù)是PQ時代的核心產(chǎn)物，隨著技術(shù)的不斷迭代，也正在為AI時代的全面到來提供優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量保證。

星光級技術(shù)在安防行業(yè)已經(jīng)火了好幾年，其效果優(yōu)勢讓該技術(shù)的產(chǎn)品化進程加快，遍地可見的星光產(chǎn)品也加劇了各個安防廠家在“星光”上的競爭。星光級攝像機經(jīng)過了前后幾代的發(fā)展，但效果依然良莠不齊，優(yōu)勢技術(shù)依然掌握在?？?、天地、大華等主流廠家手中，其他廠家也都在窮追猛趕。龐大的市場需求不斷促使新產(chǎn)品的誕生，星光級技術(shù)，如何為AI賦能，安防行業(yè)正在面臨異常激烈的星光技術(shù)對弈。

概念對弈：星光級技術(shù)的前世今生

星光級技術(shù)的每一次進步都伴隨著一次新概念的包裝，這些概念來自于當(dāng)時的核心技術(shù)廠商，讓我們來回顧一下星光技術(shù)的前世今生。

“星光級技術(shù)”的前身是“低照度技術(shù)”。傳統(tǒng)的攝像機在夜晚都是紅外燈補光，呈現(xiàn)出來的是黑白效果。這些錄像對事件的查看造成很多不利影響，會丟失很多的色彩信息和關(guān)鍵細節(jié)，于是“低照度技術(shù)”應(yīng)運而生，這個概念始于2014年，是指攝像機在照度較低時，圖像清晰度、噪點抑制能力都有較好表現(xiàn)。在2015年發(fā)展成為“星光級技術(shù)”，并在行業(yè)內(nèi)流傳開來。何謂星光？星光級技術(shù)亮點就是低照度和大靶面，可以徹底解決攝像機低照效果差的問題，通常意義下，星光級技術(shù)是讓攝像機在照度低至0.002Lux的環(huán)境光下，依舊能夠輸出清晰彩色視頻的技術(shù)。為什么叫星光級呢，因為在只有星星的光線、沒有任何外界補光的夜晚，最低照度就是0.002Lux。

2015年星光級技術(shù)經(jīng)歷了一代、二代的變革，在色彩還原、噪點抑制抑制上有所提升，2016到2018年是星光技術(shù)飛速發(fā)展的時段，各廠家開始推出星光技術(shù)的變種革新技術(shù)，如天地偉業(yè)推出的 “超星光系列”、?？低曂瞥龅摹昂诠鈹z像機”、大華推出的“極光系列”……當(dāng)然，不管大家在概念層面如何競爭，技術(shù)的核心目的是一致的，而且廣大客戶的眼睛是雪亮的，能拿出出色的夜視效果才是關(guān)鍵，星光技術(shù)已經(jīng)從實驗室走向了實戰(zhàn)，并不斷向?qū)嵱没l(fā)展，行業(yè)內(nèi)基于此的競爭也會不斷加劇。那么下一個星光概念是什么，誰又能再次引領(lǐng)“星光級技術(shù)”的發(fā)展，我們拭目以待。

▲一代星光效果

▲二代星光效果

▲超星光 4.0效果（右側(cè)，左側(cè)為極低照度下iPhoneX拍攝的現(xiàn)場情況）

技術(shù)對弈：研發(fā)星光級攝像機的難點

如今，幾乎任何安防廠家都有自己的星光產(chǎn)品線，但在星光效果的表現(xiàn)上卻參差不齊，這取決于不同廠家對“星光級技術(shù)”的積淀程度的不同，也從另一方面體現(xiàn)了研發(fā)星光攝像機并不是將像組裝積木那樣簡單。技術(shù)難點有如下幾個方面：

光路設(shè)計原理：

光路設(shè)計是指光線從自然界到在攝像機上最終成像經(jīng)歷的路徑以及路徑上主要部件的選型，這是決定星光攝像機效果的首要因素。影響攝像機成像效果的主要部件是鏡頭和傳感器，那這兩者的選型和調(diào)校就顯得尤為重要。

鏡頭是攝像機成像的第一個光學(xué)部件。鏡頭的最大光圈是其中很重要的一個因素，光圈越大進光量越大，從而彩色效果越好，反之則效果越差，但鏡頭光圈越大，景深卻越淺，即場景中聚焦清晰的范圍越小，所以要在進光量與景深之間找到一個平衡點。與此類似的另一個參數(shù)是攝像機慢快門，當(dāng)快門越慢，進光量越大，畫面亮度提高，但相對的運動物體的拖影也越嚴重，所以快門值也是把雙刃劍，需要根據(jù)具體應(yīng)用場景匹配相應(yīng)的值。此外鏡頭的材質(zhì)也會影響效果，如玻璃鏡頭成像色彩逼真、穩(wěn)定，塑料鏡頭雖然經(jīng)濟性好但是容易出現(xiàn)虛焦等問題。在不同規(guī)格的鏡頭中做選擇是很多安防廠家經(jīng)常遇到的難題，以天地偉業(yè)超星光3.0為例，其采用F0.95超大光圈、超低色散的全玻璃鏡頭，并配合快慢快門自適應(yīng)技術(shù)，實現(xiàn)夜視效果的最佳匹配。

傳感器（sensor）是將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的部件，目前主流的前端產(chǎn)品（IPC或球機）都采用CMOS傳感器，雖然在剛起步時，由于兩種傳感器結(jié)構(gòu)及工作機理的不同，CMOS在低照下的成像效果不如CCD，但隨著背照式CMOS的推出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)做了調(diào)整，光線通過透鏡后能直接到達感光面，使靈敏度有了質(zhì)的飛躍，而傳感器靈敏度正是攝像機在微弱環(huán)境光中依然能獲得清晰彩色圖像的最大保障，上面提到的感光面及靶面，靶面越大，其光學(xué)靈敏度就越高，就能捕捉到環(huán)境中零星的光線完成成像。

基于如上的硬件平臺，我們就可以設(shè)計成像的光路了，是否搭配紅外或白光來補光，是選擇單sensor、單鏡頭還是雙sensor單鏡頭，還是單sensor雙鏡頭，亦或是雙sensor雙鏡頭，這些考量都會直接影響星光效果。不同架構(gòu)都會有各自的優(yōu)缺點，可能是成本上的，也可能是效果上的。如通過紅外補光雖然可以應(yīng)付一些極端的無光環(huán)境，但是開啟紅外后會丟失顏色信息，而通過白光補光可以保留顏色信息，但會一定程度上降低圖像的通透度，但這可以通過ISP的調(diào)節(jié)來改善，因此白光補光會是一個趨勢，如天地的警戒系列。多sensor或多鏡頭會提升攝像機的光敏感度，但是會導(dǎo)致成本的增加，也會在顏色矯正等因素上上引入新的難題。

但是困難越多，方法越多，實際上，?？怠⑻斓氐葟S家已經(jīng)探索出單鏡頭雙sensor的成熟方案，以天地偉業(yè)推出的超星光4.0為例，它代表了PQ時代的最高技術(shù)，通過顛覆式雙光路設(shè)計：像素級逐幀融合，可實現(xiàn)無光全彩；馭光級光通控制技術(shù)：最新一代硬件方案組合，使用最先進的傳感器工藝，通光量提升30%，極限光路設(shè)計，全波長全光路增透，對環(huán)境光的感應(yīng)達到極致。

原始輔助數(shù)據(jù)：

光路設(shè)計好了之后，就需要研發(fā)人員通過不斷收集原始的視頻數(shù)據(jù)來輔助效果調(diào)試，包括飽和度、色彩偏差、白平衡、信噪比、銳度數(shù)據(jù)、曝光參數(shù)、可視化數(shù)據(jù)等，這些原始數(shù)據(jù)非常可貴，一般情況下這些數(shù)據(jù)的理論值越理想，攝像機的實際效果也越好，所以大家非常關(guān)注這些數(shù)據(jù)。然而這些數(shù)據(jù)的采集不同廠家差別較大，有些小廠沒有數(shù)據(jù)采集和分析過程，一切靠主觀評價，效果波動較大，客觀性較差，有些廠家采集數(shù)據(jù)的設(shè)備較為簡陋，大多通過人工，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差且效率低，僅有少數(shù)一些廠家擁有自己的專業(yè)的測試系統(tǒng)，所有數(shù)據(jù)均由軟件自動生成，如海康、天地等的Image test測試系統(tǒng)，他們所有指標(biāo)都是通過這套系統(tǒng)測算，優(yōu)劣一目了然，為研發(fā)人員的效果調(diào)試提供了強有力的指導(dǎo)，這也是這些主流廠家的星光效果一直獨占鰲頭的原因之一。

ISP效果調(diào)試：

有了數(shù)據(jù)做指導(dǎo)，研發(fā)的效果小組要做的最重要的一件事就是做ISP調(diào)試，經(jīng)過不斷的探索、試驗，最終確定最合適的ISP參數(shù)組合，這些參數(shù)包括目標(biāo)亮度值、快門、增益、白平衡、寬動態(tài)、飽和度、銳度、降噪等多項指標(biāo)。這些參數(shù)的取得除了靠理論數(shù)據(jù)，還要依據(jù)反復(fù)的實測與厚重的經(jīng)驗積累，需要有一支龐大且有經(jīng)驗的測試和研發(fā)隊伍來完成，這支隊伍的價值就是 “星光級技術(shù)”的核心競爭力。

我們以天地偉業(yè)超星光4.0為例，看ISP效果調(diào)試是如何發(fā)揮作用的。

Smart幀預(yù)判技術(shù)：在保證低照亮度的同時，對場景識別后進行幀累積的智能預(yù)判，不會強制降幀，卻能達到長曝光的效果。保證在同樣的場景下，拖影、亮度、噪聲達到一個完美的融合?；齑钍筋l空降噪技術(shù)：在使用數(shù)字降噪進行頻域降噪的同時，與空域降噪進行配合。避免簡單的使用頻域降噪帶來較大拖尾的風(fēng)險。

▲ ISP調(diào)整后

應(yīng)用對弈：星光與其他技術(shù)的融合

隨著安防行業(yè)的發(fā)展，監(jiān)控攝像機從最初的視頻采集設(shè)備逐步演化為具有更多附加值的智能化產(chǎn)品，人們希望它們的作用不僅局限于錄像，而是要有一些深層次的應(yīng)用，對“星光級攝像機”來說也不例外，星光與其他技術(shù)相融合來解決更多系統(tǒng)的問題，這會是一個趨勢。

星光+車輛識別：

星光級技術(shù)的滲入無疑為交通車牌識別的全天候使用提供了有力的技術(shù)支持，普通卡口或電警設(shè)備在夜晚或者路燈環(huán)境下，由于夜晚環(huán)境光的色溫及光線陰影問題，會干擾攝像機車輛識別算法對車牌、車身顏色、車型的建模，給正常的抓拍和識別帶來很大程度的影響，但星光級技術(shù)的出現(xiàn)對這些問題的解決，起到了事半功倍的效果。

星光級攝像機對環(huán)境亮度的要求較為寬松，適合照度較低的街道或小路，面對這種環(huán)境，星光級攝像機利用獨特的感光數(shù)據(jù)處理芯片，使整體視覺效果提升數(shù)倍，使原本暗淡的車牌顏色和車身顏色得到更加真實的還原，避免了由于燈光照射角度而導(dǎo)致的陰影問題，保證了車輛識別數(shù)據(jù)的真實有效，讓車輛識別的環(huán)境適應(yīng)能力更強，識別更準(zhǔn)，而且讓低照下提取駕駛員及副駕駛?cè)四樓逦鷪D片采集信息成為可能。同時采用無爆閃技術(shù)，有效避免了爆閃及常亮補光燈對司機的視覺影響，以免造成不必要的交通事故。

▲低照下車牌及駕駛員信息提取

星光+深度學(xué)習(xí)：

2017-2018年，伴隨著深度學(xué)習(xí)算法的成熟，人臉識別、人體識別、行為分析等技術(shù)再一次火起來。深度學(xué)習(xí)算法模擬了人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)思考問題的方式，其對事物抽象、概括能力的顯著提升。將這樣的算法與星光級技術(shù)相結(jié)合，智能將如虎添翼，以人臉識別為例，星光級技術(shù)可以為人臉識別系統(tǒng)提供更加清晰的夜間畫面，臉部細節(jié)清晰可見、顏色信息完整保留，極大提升人臉識別算法在夜間的識別能力，使整套系統(tǒng)的夜視能力遠超人眼辨識范圍。想象一下，在一個漆黑的深夜郊外，沒有任何輔助光源的情況下，人臉識別系統(tǒng)依然能準(zhǔn)確識別出同一畫面內(nèi)的最多100個人的面部信息，那是一件多么神奇的事情。

▲夜間11點的漆黑環(huán)境下的人臉識別

星光+警戒：

傳統(tǒng)安防更多關(guān)注事后的視頻圖像取證，或者事中的一些報警聯(lián)動，然而這些都是基于危險事件、治安案件已經(jīng)發(fā)生這一事實，因此無法做到事前的主動安全防范和預(yù)警。天地偉業(yè)推出警戒系列產(chǎn)品，提出“主動安防”的概念，當(dāng)有危險苗頭的時候，警戒前端（注意，是前端，也就會事件發(fā)生的現(xiàn)場）會通過聲音、白光、激光等組合方式對看守區(qū)域的人、物進行提醒或震懾，同時后端講這一信號放大，讓安保人員及時知道，將危險、治安案件消滅在萌芽狀態(tài)。因為大多治安案件都是發(fā)生在晚上，所以星光配合警戒系統(tǒng)，可以在夜間對入侵者產(chǎn)生極強震懾的同時，還能呈現(xiàn)最為的通透亮麗的彩色畫面，將“主動安防”發(fā)揮到極致。

星光+……

儲備對弈：下一代星光

“星光級技術(shù)”越是競爭激烈，就越能展現(xiàn)出它巨大的發(fā)展空間，星光一定會在更多的維度進化，所有廠家也時候儲備下一代星光技術(shù)了：

智能星光：

所謂智能星光，是指可以在不同環(huán)境內(nèi)都可以實現(xiàn)各項參數(shù)智能化自動調(diào)節(jié)，做到完全的場景自適應(yīng)，以匹配最佳的星光效果。當(dāng)前最優(yōu)秀的星光攝像機在面對不同的光線、色溫等環(huán)境時，也需要人工干預(yù)調(diào)整曝光、降噪等參數(shù)來被動適應(yīng)環(huán)境的變化，無法做到完全自動化。這一現(xiàn)實由當(dāng)前星光技術(shù)發(fā)展水平所限，因為要想實現(xiàn)智能星光，需要更為復(fù)雜的算法和ISP底層環(huán)境適應(yīng)支持，需要有更多的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗積累，雖然困難，但“星光級技術(shù)”的發(fā)展盡頭告訴我們這一定可以在不久的將來得以實現(xiàn)，就像我們現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了快門、光圈、紅外亮度等參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)一樣。

多鏡頭多sensor星光

如果單鏡頭、單sensor的感光能力達到瓶頸，我們是否可以通過增加感光器件來實現(xiàn)感光效果的疊加呢？答案是肯定的，這在理論上可行，不同的光路設(shè)計原理會有所差異，但核心都是通過多個感光將各自的感光能力進行累加，達到效果倍增的目的，讓夜視能力達到極致，突破視覺極限。?？狄呀?jīng)在單鏡頭雙sensor上做著探索，天地偉業(yè)也在多sensor、多鏡頭上做著技術(shù)儲備。所有的研究成果在不久也許就會和大家見面，當(dāng)然每家產(chǎn)品的原理和效果一定會有差異，誰會更加大膽，誰的效果會更好，我們把評判的權(quán)利交給時間。

機器視覺星光：滿幀甚至60fps超連貫星光

星光攝像機夜視效果好的同時，有時也會伴隨著一些副作用，如低照下拖尾、丟幀等問題。機器視覺星光旨在解決低照拖尾、丟幀問題，智能處理動態(tài)場景，讓夜間動態(tài)視頻更加連貫。如天地偉業(yè)TVP技術(shù)，針對動態(tài)運動場景，可設(shè)定特殊的動作閾值，當(dāng)超過該閾值系統(tǒng)判斷為運動場景，低于該閾值為靜態(tài)場景。在運動場景中通過采取I幀動態(tài)補償防止運動偽影，同時聯(lián)動增益及時域、空域雙邊濾波降噪做動態(tài)處理，確保運動目標(biāo)不拖尾、周邊細節(jié)不丟失。

高分辨率星光：高清、低照雙豐收

高清化是必然趨勢，隨著H.265技術(shù)的普及，以及智能編碼技術(shù)的革新，窄帶高清已經(jīng)不是夢，用原來1080P的碼率現(xiàn)在已經(jīng)足夠傳輸5MP甚至是4K的視頻，因此4K及以上的星光、超星光產(chǎn)品會是不久后的趨勢，當(dāng)然如前文所述，安防的第二階段是PQ與AI雙輪驅(qū)動的時代，二者相輔相成，誰的需求更為迫切誰的發(fā)展就相對快一些，相信當(dāng)AI成熟到一定程度，更高分辨率的星光產(chǎn)品會為AI+安防帶來新的活力，量變引起質(zhì)的飛躍。

總結(jié)：每一次技術(shù)的革新總能引領(lǐng)一次行業(yè)的進步，5年前，我們不可能想象得到如今的攝像機在伸手不見五指的夜晚竟也能呈現(xiàn)清晰的彩色圖像，我還清楚地記得第一次向客戶展示星光攝像機視頻時他們那驚訝的表情?！靶枪饧壖夹g(shù)”近幾年的發(fā)展也許才只是一個開始，在這新一輪的對弈中，每個參與者都不想掉隊，因此所有廠家都會滿懷誠意的奉上屬于這個時代的星光豪禮，為AI賦能，為AI+安防賦能，作為安防人，我們應(yīng)當(dāng)為生活在這樣的時代而感到自豪，因為它總會給我們一次又一次驚喜！