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夜视摄像机,看清黑暗世界的“眼睛”

随着近年来夜间监控市场的增长,带有夜视功能的摄像机也成了工程商选购的热点。据AS在今年3月份所做的调查资料显示,2005年红外与日夜两用摄像机的采购量预测分别为62%和61%。如此大规模的应用,那么,目前夜视摄像机在夜间监控的表现如何?
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由于夜幕的掩护,夜间往往是犯罪分子活动的“猖獗期”,因此,夜视功能摄像机自从一出道之日,便受到市场的青睐。特别是近几年来在很多重点场所,如银行金库、大型工厂、电站的电缆廊道、大型仓库等,先后都装上了夜视功能摄像机,以达到“24小时全天候的监控”。这些领域的兴起,使得夜视摄像机在2005年出现了良好的增长势头。\r\n\r\n因为各自具有不同的特点,目前,日夜两用与红外摄像机,都稳居一方领地而一起统领夜间监控市场。据南京的工程商王普雨介绍,红外摄像机因其在没有光源的情况下也能拍摄到图像,因而主要应用在一些晚间不开灯的大厦办公大楼、财务室或不允许有光源的仓库等场所。而日夜摄像机因其在市场成长多年,技术也日趋成熟,并且近年来,日夜两用摄像机在夜间监控的表现上也在不断改进,例如低照度、画面清晰度等。所以在一些对监控图像要求比较高的地方,如目前正火热的平安城市道路或治安监控、高速公路、银行、厂区周界、机场等大的系统里大多选用的还是日夜两用摄像机。\r\n\r\n不过这两种摄像机如今都还存在着极需改进的地方。据西安欣海安的工程商张家勇分析,现在市场上一般的红外摄像机的距离都很有限;另外,红外摄像机在白天工作时,还存在图像清晰度不够的问题。\r\n\r\n针对这些现象,JVC安防市场部主管张智勇解释说,要加大红外摄像机的距离,势必要加大红外灯功率,由于红外灯的散热处理以及设计都是一个极其复杂的工艺,稍有设计不好或取材不当,就会导致红外灯及整机的使用寿命不够,这也是很多红外线摄像机厂家现阶段正在攻克的重点。另外,红外摄像机由于受到机芯分析处理能力的限制,也影响了图像的清晰度,而要提高这些处理能力,将会对机芯及其他部件的要求更高,因而会带来高昂的成本。\r\n\r\n除此之外,张智勇还指出,目前大多数枪型红外摄像机还不能做到自动变焦,以致于很多监控人员为了减少频繁的调整焦距,故将焦距折中到一个固定的点上;但在实际应用当中,由于光线条件的不断变化,因而也会影响到成像的效果。\r\n\r\n那么,针对用户关注的另一种夜视摄像机——日夜两用摄像机来说,当前有哪些地方正在改进中呢?以下将对此作重点分析。

更低的照度
为了在较低的光线条件下也能得到很好的画面,低照度是日夜两用摄像机厂家开发的重点。因为黑白摄像机比彩色摄像机具有更高的灵敏度,可以在较暗的环境里获得不错的图像。因此,日夜两用摄像机实现低照度的第一步就是“彩转黑”。 在一定的光源条件下,摄像机线路切换的方式将图像由彩色转为黑白,这也就是我们所说的彩转黑日夜两用摄像机——在白天或光源充足时为彩色摄像机,当夜晚降临或光源不足时即利用数位电路将彩色信号消除掉,成为黑白影像。

由于照度值越小,CCD的灵敏度就越高,所以现在市面上有很多厂家将低照度值标到10的负四次或负五次方,对于这一现象,广州伟昊技术部的工程师万云峰指出:“这些并不是最正确的衡量指标,因为要达到这么低的值,其前提是在摄像机将快门速度打到非常慢的情况下,这不是一种通常用的状态,所以是一个不公平的对比。如果要做到低照度对比的话,首先要各摄像机基于同一种镜头参数,另外IR的值与F值一定要在一致的情况下,并且不启动慢快门,如此体现出来的低照度才是一个最合理的值。”

所以对于广大工程商来说,参考摄像机低照度值的话,不可单一地去看数字,而要综合其他性能指标的状态。PELCO的技术部经理闫毅也指出,日夜两用摄像机的低照度水平如果能做到10的负二次方,已经是不错的水平,而且在现实中也够用,也就是说只要在有可见光源的情况下,哪怕是较暗的月光、晚上路灯光等,这种低照度的摄像机都能满足监控要求。
目前,各主流厂家实现低照度的技术主要有三种,一是采用超感CCD;第二是采用移除或改进红外滤光片的方法;第三是利用慢快门技术。广州伟昊的万云峰分析说,如果将这三种技术容为一体的日夜两用摄像机,应该可以说是一台出色的摄像机。

超感CCD
日夜两用摄像机低照度的处理能力取决于两大核心部件:CCD和DSP。由于摄像机CCD本身具有感应红外光的功能,当红外滤光片关掉时,不再阻挡红外线进入CCD,红外线经物体反射后进入镜头进行成像。这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像,而不是可见光反射所成的影像,即此时可拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的影像。而如果CCD感光能力不好或者感光面积不够的话,肯定是达不到一个很好的夜视效果。

目前,市场上主要采用的是索尼的超感CCD,据专业人士介绍,它的感光能力是普通CCD的6到10倍,其彩色照度可达0.05LUX,黑白则可达0.003-0.001LUX(亦可搭配红外线以达 0LUX)。由于CCD具有很强的感光能力,所以不用搭配慢快门,即便在夜间也能拍到清晰、实时、连续的画面。

除此之外,DSP电路的处理也是很关键的,如果本身环境中光线很暗的话,可以通过优良的DSP进行校正和优化,将信号放大到一个比较好的值。如此一来,摄像机的噪点及照度都会比较低,因而也能得到比较清晰的画面。例如松下今年新推出的一款WV-CL920A系列产品中,就增加了带近红外特性的CCD及新的数字信号处理器,在几乎没有光线的情况下,仍然可以利用近红外线实现监控。

不过,具有上述功能的产品目前还没有形成主流趋势,究其最主要的原因是,当前这种CCD及DSP的价格都比较昂贵、技术难度还比较高,因而生产此种产品的厂家还主要是以国外的大型厂商为主。

红外滤光片
一般的摄像机在白天光线强时,为了避免红外光以及紫外线对彩色图像的影响,都会带有一个红外滤光片来过滤这些光源。据JVC专业项目部总工程师张智勇介绍,在色谱上红外光线比一般的光线波长要长,要通过红外滤光片才能将其校正;在白天彩色模式状态下,如果红外滤光片切换没有开启的话,彩色图像就会造成严重的偏色;而在晚上红外滤光片没有移去,CCD就不能感应到红外光,而拍摄不到暗中的画面。

如此一来,如果要实现日夜两用,摄像机的红外滤光片就需要能够依光线的明暗而自动切换。于是制造厂家们经过电路控制、软件设计等,让滤光片能够在白天开启,晚上关掉,从而不论是在白天(彩色)或晚间(黑白)的情况下,摄像机都能得到良好质量的图像。

不少专业人士指出,这虽然是一个机械式切换的小型器件,但是如果没有比较好的生产工艺及设备的话,是很难做到较高质量水平的;特别日夜两用摄像现在都要实现24小时全天候的监控,需要反复切换的动作,连续长时间的工作,要保证低故障率也具有一定的难度。

慢快门
慢快门是利用电脑记忆体的技术,连续将几个因光线不足而较显模糊的画面累积起来,成为一个影像清晰的画面,运用SLOW SHUTTER技术降低摄像机照度至极低的值(一般在0.008LUX/F1.2(×128)),并且画面能够累积的帧数(128帧) 。

由于慢快门能利用1LUX(快门速度控制在1/2秒时)的亮度,使被拍摄目标明亮起来,所以能提升照度的效果。但是因为它的快门的速度放慢了,所以它的实时性就差了,因而就会存在画面动画与拖尾的现象。因此,慧友电子研发部经理钟纪祥指出,如果在拍摄静态场景或物体移动速度不是很快的时候,例如禁止红、紫外线破坏的博物馆,夜间生物活动观察,夜间军事海岸线、仓库等地方,可以使用慢快门技术;但是在拍摄动态画现的时候,为了得到最佳的图像效果,最好不要启动慢快门技术。他还指出,最佳的组合关键还在于如何在其他低照度技术上配合使用慢快门。目前,做得比较好的还主要是索尼、JVC、松下等公司。

高品质的图像效果
毫无疑问,摄像机的清晰度问题永远是人们关注的重点。尤其对于夜间监控来说,作为对现场的控制和事后取证的保证,对目标的细节和清晰度要求越来越高,例如现在的交通、金融等行业对这方面越来越重视,投入也越来越大。因而,顺应这些市场需求,目前,日夜转换摄像机已经开始加入了超级宽动态功能、降噪技术等,力求在画面的效果及画质上取得良好的表现。

宽动态范围
曾经,宽动态范围还只是日间监控的一个重点,但是随着日夜摄像机越来越多地出现在全天候24小时的工作场所,相应地也面临着更具有挑战性的照明条件。具有代表性的领域是城市道路、道路卡口、高速公路收费口,以及需要夜间监控的工厂、港口、矿区监控等。这些监控场所对摄像机的性能要求不仅仅是低照度,还要求有能够克服强烈光照、明暗变化的宽动态及背光补偿功能,以便在夜间能够清楚地识别被监视目标的细节。可以用一个典型地例子来说明,在一个光线极暗的路口,迎面开来一辆车,这时通过画面监控,要求能够在极黑的背景中清晰地看到很亮处的车牌号和车辆特征等。

因此,天津三星光电子的相关人员认为,只要在一些逆光比较明显的场合,尤其是在夜间对图像细节有要求的场合,具有宽动态功能的日夜两用摄像机的优势会更加明显。另外,这位人士还表示,现在宽动态的技术已经发展得比较成熟,只要配合好摄像机其他的性能,实现宽动态并不会增加很多的成本。目前,三星光电子也已经推出了在SV-Ⅲ技术基础上开发的第三代超级宽动态日夜两用摄像机;据称,其宽动态指标可以做到126x或52dB。

降噪技术 & 连续拍摄功能
在低照度情况下,如果要得到更好的信号,就要通过一个相应的增益,将这些信号放大。当然,在信号放大的同时,噪度也在放大,于是画面上就会现很多噪点,也就是我们所经常看到的雪花点。因此,有些厂家采取在放大信号的同时也相应地对这些噪度进行一些的抑制,或做一定改进,以得到清晰的图像。例如慧友电子近期就推出了一款540线日/夜两用摄像机,它采用的是动态降噪技术,去除噪点,以提高画面品质。

对于日夜两用摄像机目前的发展趋势,三星光电子的相关人士指出,下一步急需要提高和完善的是对连续目标的拍摄和识别技术。随着“平安城市”监控的兴起,特别是在道路监控中,对高速行驶的车流通行的过程,以及车牌的抓拍是一个很大的需求。但是目前,普通的枪型日夜两用摄像机在比较低的照度以及极快的快门模式下,还不能拍摄到得理想的图像。

这位人士指出,在道路监控中要实现对高速移动物体的拍摄,并且能够普及应用,必须要在CCD成像技术和图像识别处理技术上进一步完善;例如现在在江浙一带就有一种采用专业级处理器材的摄像机,可以完成抓拍闯红灯的车辆,但是它选用的是特殊的器材,以致于这种摄像机价格高昂,一般都在2万元以上,目前还只是在极少的环境下采用。

现在业界有不少人认为,如果日夜两用摄像机能够在黑暗中,对运动车辆的连续识别技术有大幅度的提高,那么日夜两用摄像机的市场前景将更广阔,像交通、港口、矿区、边防等国家重要部门都会得到应用。
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