黑夜“殺手”，讓夜晚不再灰白
——淺析星光攝像機(jī)

□文/劉 暢

據(jù)統(tǒng)計(jì)，絕大多數(shù)犯罪活動(dòng)都在夜間進(jìn)行，夜晚昏暗的環(huán)境無疑為犯罪份子提供了最有利的掩護(hù)，讓人很難快速識(shí)別出犯罪份子，這也是當(dāng)前監(jiān)控亟待解決的安全問題。近年來，隨著平安城市、雪亮工程等項(xiàng)目的普及以及大眾安全防范意識(shí)的提高，在人流密集的重要場所：如道路、廣場、小區(qū)、校園、企業(yè)園區(qū)等都安裝有監(jiān)控?cái)z像機(jī)。其中低照度攝像機(jī)以其穩(wěn)定的性能、優(yōu)異的夜晚監(jiān)控效果，在大大小小的安防監(jiān)控項(xiàng)目中逐漸普及開來。

星光攝像機(jī)因何而生

傳統(tǒng)的低照度攝像機(jī)有紅外攝像機(jī)和慢快門型兩種，但近幾年風(fēng)靡安防領(lǐng)域的星光級(jí)攝像機(jī)受到廣泛青睞。傳統(tǒng)的紅外補(bǔ)光技術(shù)雖然能在低照度下獲得清晰的成像，但會(huì)失去色彩,只能形成黑白圖像，而且通過紅外補(bǔ)光，車牌這類高反光的物體很容易過曝，而衣著顏色、車身顏色、車牌等又往往都是破案的關(guān)鍵線索，丟失不得。而慢快門型是通過降低視頻幀率來提高圖像亮度，對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體的監(jiān)控有拖尾現(xiàn)象，一般不常用。 所以低照度下的清晰彩色成像需求越來越多，而這也是星光級(jí)攝像機(jī)誕生之初就非常火爆的原因之一。

星光級(jí)攝像機(jī)，從字面上就可以看出，是指在光照亮度極低的情況下仍然可以獲得比較清晰的圖像。目前安防行業(yè)通常將前端攝像機(jī)分為四個(gè)等級(jí)：普通級(jí)攝像機(jī)，一般最低照度值均大于0.1Lux；最低照度值范圍在0.1Lux至0.01Lux之間的攝像機(jī)，一般被稱為低照度攝像機(jī)；而被稱為月光級(jí)攝像機(jī)，其最低照度值范圍在0.01Lux至0.001Lux間；當(dāng)最低照度值達(dá)到甚至低于0.001Lux的時(shí)候，便達(dá)到了星光級(jí)的超低照度攝像機(jī)。市場上早期的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)低照度效果普遍一般，隨著圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展，以及圖像降噪算法的提高，高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的低照度效果越來越好，即使在光線較暗的情況下仍然能夠獲得高清彩色視頻圖像。而且其采用了獨(dú)有的電子倍增和噪點(diǎn)控制技術(shù)，解決了普通低照度攝像機(jī)夜間出現(xiàn)的拖尾現(xiàn)象，以滿足對(duì)夜間高品質(zhì)監(jiān)控的需求，其優(yōu)點(diǎn)是功耗小、圖像效果真實(shí)、不偏色。

星光攝像機(jī)的制約因素

星光級(jí)攝像機(jī)主要受鏡頭、圖像傳感器、圖像處理技術(shù)等多個(gè)因素的影響，要想取得較為理想的低照度監(jiān)控效果，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行提升：

采用大光圈鏡頭：鏡頭是攝像部件的重要組成部份，它在低照監(jiān)控應(yīng)用技術(shù)上的作用是為攝像機(jī)聚焦被攝目標(biāo)的光線，這里的低照應(yīng)用與技術(shù)關(guān)鍵在于鏡頭的口徑越大其進(jìn)光量也會(huì)越大，也就是鏡頭光圈的增大可有效提升進(jìn)光量，從而使攝像機(jī)獲得理想的低照度效果。

選用大靶面?zhèn)鞲衅鳎簲z像機(jī)的本質(zhì)就是把光能轉(zhuǎn)化為電能，而量化的核心部件是傳感器，傳感器的作用就是把傳到它身上的不同強(qiáng)度的光線進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成電壓信息最終生成數(shù)字圖像信息。而傳感器上接收光線的部位自然是核心中的核心。如果相同分辨率的攝像機(jī)，圖像傳感器靶面面積越大，則其單位像素進(jìn)光量就越大，抑制噪點(diǎn)能力越強(qiáng)，低照度拍攝時(shí)，成像畫質(zhì)也越好。

改進(jìn)傳感器工藝：目前攝像機(jī)常用的感光器件分為CCD和CMOS，其主要供應(yīng)商有SONY、APTINA、OV等廠家。隨著高清的普及，CMOS技術(shù)得到長足的進(jìn)度，之前制約其發(fā)展的低照效果有了質(zhì)的提升，例如索尼最新推出的Exmor CMOS傳感器，可實(shí)現(xiàn)低照比傳統(tǒng)的CMOS提升一倍以上;而且各大廠家新推出的BSI背照式技術(shù)采用了和普通方法相反、向沒有布線層的一面照射光線的背面照射技術(shù)，由于不受金屬線路和晶體管得阻礙，開口率(光電轉(zhuǎn)換部分在一個(gè)像素中所占的面積比率)可提高至近100%，因此，這類CMOS傳感器的靈敏度已經(jīng)與CCD傳感器接近，低照度下圖像效果極佳，且集成度更高，功能更加豐富、性價(jià)比更高。另外感光器件的靶面大小也對(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)采用更大靶面的傳感器。有數(shù)據(jù)顯示： 1/4英寸的感光量只有1/3英寸的44%。

良好的圖像處理技術(shù)：星光級(jí)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)、幀累積技術(shù)、降噪技術(shù)的出現(xiàn)使得高清低照度攝像機(jī)效果得到了很大提升。眾所周知，同樣感光面積的圖像傳感器，像素越高，分配到每個(gè)像素的感光面積就越小，一個(gè)曝光周期內(nèi)的通光量就越小，低照度效果就越差。 由于高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的低照度下，圖像噪點(diǎn)會(huì)比光線較好時(shí)增加很多，各種數(shù)字圖像降噪算法也陸續(xù)應(yīng)用于高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。比如，處理靜態(tài)畫面時(shí)使用三維濾波，而動(dòng)態(tài)時(shí)則使用二維濾波。兩種降噪算法結(jié)合使用，可以保留重要的細(xì)節(jié)，使圖像更加平滑，并可以盡量減少運(yùn)動(dòng)物體形成的拖影，同時(shí)極大的改善視頻的閃爍感。降噪的處理上還可以通過畫面取樣的細(xì)分、處理算法的提升、自動(dòng)增益細(xì)化等來改善低照度攝像機(jī)的效果，處理完畢后再進(jìn)行圖像合并，出來的畫面效果顯得更加清晰和細(xì)膩。

目前在實(shí)際項(xiàng)目中，星光級(jí)攝像機(jī)應(yīng)用最多的場景是在道路上，需要既能看清整體環(huán)境，又能抑制過往車輛大燈，看清車牌，這是星光級(jí)攝像機(jī)遇到的挑戰(zhàn)，因?yàn)橐环矫娴驼請(qǐng)鼍跋滦枰M可能讓更多光線進(jìn)入攝像機(jī)，但另一方面需要把過亮的強(qiáng)光弱化，否則容易過曝干擾成像效果。而另一個(gè)難題是隨著像素的提高，彩色低照效果越差，這是由于攝像機(jī)對(duì)傳感器的尺寸有要求，在尺寸變化不大的情況下，像素點(diǎn)越多，單位像素的感光面積越小，從而低照效果越差。目前星光級(jí)攝像機(jī)以1080P分辨率為主，都是基于1/1.8”左右的傳感器，而更高像素如4K攝像機(jī)，傳感器大小也不過在1/2”左右，低照效果自然也不佳。不過隨著部分廠家4/3”靶面4K超星光攝像機(jī)的推出，高分辨率與星光級(jí)技術(shù)的結(jié)合必是大勢所趨，相信這也會(huì)是星光級(jí)技術(shù)逐漸普及的一個(gè)重要方向。

結(jié)束語

在平安城市、城市交通、軌道交通、高速公路等領(lǐng)域，監(jiān)控區(qū)域的夜間光照不足，不可能大規(guī)模安裝補(bǔ)光照明設(shè)施。星光級(jí)攝像機(jī)可依靠自身的性能，對(duì)外部環(huán)境的依賴較小，在微弱光照下可獲得較好的監(jiān)控效果；如高速公路收費(fèi)監(jiān)控系統(tǒng)中，車輛進(jìn)入收費(fèi)站后車燈打開，環(huán)境光源與車牌的照度形成了一定的動(dòng)態(tài)范圍，傳統(tǒng)攝像機(jī)無法清晰識(shí)別車牌。在無輔助補(bǔ)光去情況下，星光級(jí)攝像機(jī)能對(duì)收費(fèi)站的車道、收費(fèi)廣場、收費(fèi)亭的收費(fèi)情況，進(jìn)行觀察和記錄。隨著平安城市、智能交通等應(yīng)用的推動(dòng)，星光級(jí)低照度攝像機(jī)的使用將會(huì)更加普及，受限于當(dāng)前技術(shù)水平的發(fā)展，使得星光級(jí)攝像機(jī)成本偏高，客戶的預(yù)算成本也會(huì)增加，這也是星光級(jí)攝像機(jī)市場的一根軟肋，但無論是現(xiàn)在還是以后的城市、交通以及安保都需要低照度保駕護(hù)航，我們有足夠的理由相信，星光級(jí)攝像機(jī)不再是高端項(xiàng)目的選擇，它必將應(yīng)用于更多的項(xiàng)目中，而這一天，即將很快到來！