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夜晚不再灰白,星光下更精彩

据统计,绝大多数犯罪活动都在夜间进行,夜晚昏暗的环境在一定程度上为犯罪份子提供了“掩护”,让人难以快速识别犯罪份子。近年来,随着“平安城市”项目的普及与大众安全防范意识的提高,在人流密集的各交通路口、小区、校园都安装有监控摄像机。其中低照度摄像机以其稳定的性能、优秀的图像效果,在夜间监控项目中逐渐推广开来。
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  按照摄像机的最低有效工作亮度环境,可以分为几种不同级别的低照度摄像机,其中星光型摄像机的环境亮度在0.001Lux级别,在这种环境中,人的肉眼已经比较难以辨别物体,而此时正是星光级摄像机发挥作用的舞台,因此星光级摄像机拥有广泛的市场前景。

文/ 李林 深圳中兴力维技术有限公司 硬件开发部算法工程师


传统夜间摄像机简介

  1.普通低照度摄像机

  传统的低照度摄像机一般通过摄像机日夜转换或者慢快门功能来实现。日夜转换型摄像机在夜间通过切换ICR滤光片,让图像传感器吸收环境中诸如红外光等其他波段光线,增加摄像机前端图像传感器的总入光量,从而提升图像的亮度。不过由于红外光线的引入,会使彩色图像偏红,故日夜转换型摄像机在晚上随着滤光片的切换,图像也由彩色切换成黑白。日夜转换型摄像机由于价格实惠,技术成熟,是目前市面上绝大多数的普通低照度摄像机所采用的方案。慢快门功能是通过延长曝光时间来提升图像亮度,虽然能够在夜间看清物体,但是降低了视频帧率,只适合静态环境,对于运动物体的监控效果存在明显拖影。因此该功能只适合特定场景的监控,在实际应用中一般不开启该功能。

        2.红外摄像机

  另外一种常见的夜间摄像机是带有红外补光灯的设备,红外补光灯摄像机由于摄像机自身装有发光源,在使用时不需要其他光源就能提供夜间清晰监控图像,但是红外灯的引入也会带来一些其他问题。红外灯的开启会使摄像机功率变大,发热量增加,这会提升摄像机内部温度,同时也会增加摄像机的散热难度。摄像机内部温度过高会影响摄像机内部其他电子元器件的精确度和使用寿命,甚至可能影响摄像机的正常功能与图像效果。同时,红外灯自身的使用寿命也是有限的。红外摄像机另一个明显的特征是在低照度环境下只能提供黑白图像,红外灯提供的红外光线会导致彩色图像偏红,所以只有输出图像为黑白模式时,才能有效吸收红外光。红外灯的强度控制也是在使用中需要考虑的一个因素,红外光强度过高会造成图像中心区域过曝,红外光强度过低,监控图像的四周会偏暗。另外,在一些特定场合出于隐蔽性的考虑,也不适合采用有补光灯的摄像机。显然,传统的夜间监控摄像机所采用的方法都存在一定程度上的缺陷,这些因素都客观上促进了超低照度新技术的发展。

  星光级摄像机关键技术

  想要实现在星光级环境中也能看清物体,在图像采集和数据处理上都必须下功夫。从摄像机的结构来看,图像采集主要受镜头和图像传感器影响,镜头的进光量越多,图像传感器的感光性能越好,摄像机最终能吸收的光线也就越多。镜头的进光量一般用F值来表示,其中F值=镜头焦距/镜头通光直径。由此可以看出,在相同的镜头焦距下,F值越小,镜头的通光直径越大,镜头的进光量也越大,所以选取F值较小的镜头能够提升夜间图像亮度。目前绝大多数的摄像机都采用CMOS传感器,CMOS相比传统的CCD传感器具有成本与功耗上的优势,另外CMOS厂商在传感器感光性能与传感器尺寸大小上都取得技术进步,各种高感光特性以及大靶面CMOS传感器已经在市面上流行开来。为了有效增加摄像机进光量,星光级低照度摄像机一般采用靶面尺寸较大成像传感器,但是最终体现传感器低照度性能的是单位面积的进光量多少。即相同尺寸的传感器像素数越少,每个像素吸收到环境中的光线就会越多,低照度效果越好。在具体实际应用中需要综合考虑分辨率(像素数)与低照度(靶面尺寸)的需求。

     在传感器数据采集到图像数据后,后续的图像数据处理也非常关键。星光级低照度摄像机要求处理芯片具备较强的计算能力,能够满足图像处理算法自动适应低照度环境变化的要求。自动增益和数字降噪是低照度摄像机常用到的关键技术,通过自动增益控制能保持低照度下图像的亮度维持在理想状况,同时也能自动控制噪声的大小。低照度环境会给图像带来噪声,噪声的存在会降低图像的清晰度,各大芯片厂商都会提供降噪功能,其中最新的3D降噪技术能结合视频前后帧之间的信息进行降噪,降噪效果有很大提升。数字降噪技术能够有效过滤噪声,显示较为纯净的画面,提高图像的清晰度,看清夜间物体更多的细节。

  星光级低照度摄像机相关技术的创新与整个摄像机产业息息相关,从图像传感器、芯片技术、摄像机产品以及解决方案,每个环节都突破都能促进低照度技术的发展。图像传感器方面的厂商在低照度技术上,目前以索尼的效果最为突出。对于图像传感器传感器,除了提供高感光性能外,高动态范围的数据也很重要,目前市场对宽动态、强光抑制等功能的需求非常强烈,如果能够从源头提供动态范围较大的数据,接下来的图像处理过程的压力就会小很多。宽动态技术能够有效提升夜间昏暗区域的亮度,使夜间监控图像无“死角”。强光抑制功能在夜间到处都有灯光的环境中非常有实用意义,能够加强对车牌的有效监控。

  对于芯片厂商而言,除了前面提到过提供强大的芯片运算处理能力,各主流厂商都在低照度上有其独特的技术。TI最新的图像处理器在降噪上有突出的效果,这对于低照度效果有很大的提升。同时作为传统的芯片巨头,TI芯片在计算能力上的优势非常明显,开放程度也较高,摄像机厂商能根据自身的经验与实际需求在其基础上开发有特色的低照度产品。安霸芯片作为高端产品的代表,图像清晰度方面非常出色,帮助看清夜间物体更多细节。海思芯片在最近几年发展迅速,尤其是最新推出具有H265编码的Hi3516A芯片,让人看到国产芯片的希望。Hi3516A芯片在视频码流控制和宽动态效果上表现优异,相信越来越多的低照度摄像机会采用海思芯片。

  星光级低照度摄像机应用与发展

  星光级低照度摄像机是摄像机发展的一个重要方向,目前已经有产品陆续推出。国外的厂商主要有安讯士,国内厂商主要是海康、大华、中兴力维等厂商。上述厂商的摄像机产品起步较早、研发实力雄厚,比其他厂商更早开展超低照度技术的研究。另一方面,他们产品齐全,工程实战经验丰富,技术积累多,能够综合不同新技术应用到超低照度监控摄像机中。国外方面,安讯士的“觅光者”一直是业界超低照度摄像机的标杆。在国内,中兴力维经过多年的技术积累与创新,推出全球首款高清H.265超低照度摄像机ZBF-7200-N4A,不仅能够在低照度环境中仍能保持监控图像色彩还原的真实性、图像画面清晰度以及突出的噪声抑制性能,而且借助于H.265高效率编码性能,在码流控制与视频流畅性方面都有重大提升。具体效果如下图所示

普通低照度 

超低照度画面

  该型号超低照度摄像机彩色图像监控能达到0.001Lux级别,在实际应用中能为用户提供24小时全天候彩色图像监控,并且包括H.265编码以及智能算法等最新技术。摄像机这些特点对于已有的旧系统改造升级非常方便,为监控系统高清化、智能化升级节约不少时间与成本,已经在各地平安城市、平安校园等项目中为人民群众的安全保驾护航,其超低照度下优异的表现受到用户的一致好评。

  星光级低照度成像技术依靠高感光度图像传感器和高性能图像处理芯片来实现低照度下图像监控,能在夜间极暗的环境中还能提提供清晰的视频监控,这对于帮助破案、威慑犯罪份子都具有很重要的作用。对于传统红外摄像机及日夜型摄像机,在夜间只提供黑白图像,人物及车辆的颜色对于监控来说是至关重要的信息就会缺失,而新型星光级低照度摄像机在夜间能提供彩色图像监控,而彩色图像比黑白图像拥有更丰富的信息,不仅便于人眼观察与识别,对于智能检测、识别、报警的准确性都有很大提升,能帮助用户快速锁定监控目标,提高监控效率。摄像机低照度化与智能化都是未来发展趋势,摄像机低照度化与智能化技术相结合,使得摄像机的功能越齐全,适应的范围越广,有助于推动低照度与智能化技术的普及与发展。

  星光级低照度摄像机作为近年来新兴起的技术,业内对其发展前景都很看好。从传感器与芯片厂商到摄像机产品厂商都在不断推出相关的新技术与新产品,大力发展与宣传低照度技术。星光级低照度摄像机由于其技术特点,所采用图像传感器以及处理芯片都要比普通摄像机性能要求更高,所以在成本上要比普通摄像机要贵。目前还只有少数厂家真正掌握该项技术,但是随着传感器与芯片技术的发展,以及需要的扩大,星光级低照度摄像机在未来将拥有广大的市场空间。对比红外摄像机,环境如果太暗,完全没有外界光源,星光级低照度摄像机不能看清物体,但是目前的低照度技术正在不断提升夜间的图像效果,低照度下的效果也会越来越好,相信在不久的将来,超星光级低照度技术都会成熟。

海康威视H.265星光级超宽动态枪型网络摄像机

星光级低照度摄像机 透析不凡,绽放精彩


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