低照性能的突破 照亮 IP 視頻攝像機應用前景

執行概要

視頻攝像機近來(lái)不斷出現在每一個(gè)角落，因為它們能夠讓我們在不為所知的情況下進(jìn)行事物監控，如某個(gè)地方、某個(gè)人及某件事。攝像機技術(shù)就像人的眼睛，只能通過(guò)感受和處理存在的光才能看到物體和場(chǎng)景。正如關(guān)掉屋里的燈，我們需要努力才能看清楚一樣，許多視頻攝像機必須處理低照環(huán)境。如果攝像機不能克服低照條件，進(jìn)行清楚地監控，在場(chǎng)景中布置攝像機未必就能提供我們所需要的能見(jiàn)度。

視頻攝像機技術(shù)的最新發(fā)展，尤其是低照噪聲濾波技術(shù)的發(fā)展，不僅增強了構成視頻流的單幅靜態(tài)影像或幀的質(zhì)量，而且還可增強構成每幀的單個(gè)像素的保真度。改進(jìn)的濾波技術(shù)支持三維工作，可消除低照視頻流中的視覺(jué)異常，讓影像清晰銳利。采用強大實(shí)時(shí)處理器、配備高級壓縮算法的攝像機在低照條件下通常比人眼更敏銳。據 2010 年聯(lián)邦調查局統一犯罪報告，有 52.8% 的暴力犯罪與 81.7% 的財產(chǎn)犯罪尚未破獲1。配備良好低照技術(shù)的攝像機將有助于縮小這一數字。

問(wèn)題出現的部分原因

連接至互聯(lián)網(wǎng)的視頻攝像機(IP 攝像機)正部署于各種應用。除安全與執法設施中實(shí)施的常用安全監控攝像機外，攝像機現在也廣泛應用于計算機、平板電腦和智能手機。此外，越來(lái)越多的車(chē)輛也已開(kāi)始配備視頻監控系統或車(chē)載黑匣子，以輔助狹窄角落中的復雜操作，增強車(chē)輛的安全性。作為這些應用以及其它應用的基礎，IP 攝像機必須在低照下頻繁提供視頻流，就算有輔助照明也是如此。這個(gè)問(wèn)題在安全應用中尤為重要。

用于監控黑暗小巷或者光線(xiàn)昏暗走廊的 IP 監控攝像機提供的視頻流往往模糊、像素化、不清楚，而且對比度差。低質(zhì)量視頻流往往會(huì )造成面部無(wú)法識別或者完全錯過(guò)所發(fā)生的事件，影響視頻安全監控系統的實(shí)用性。提供更好的照明條件一般并不可行，因為燈光本身需要成本和維護，而且會(huì )使安全監控系統容易被人注意。

最后，理想的解決方案就是增強 IP 攝像機的低照性能，使之能夠在較低光線(xiàn)下實(shí)現更高的工作效率，提供清晰銳利的影像。下列影像中，一個(gè)采用低照性能增強技術(shù)，另一個(gè)則沒(méi)有。它們可清楚地說(shuō)明這些技術(shù)增強視頻監控系統等應用效果的方法。

圖 1：未采用低照性能增強技術(shù)拍攝的視頻影像

圖 2：采用低照性能增強技術(shù)拍攝的視頻影像

低照視頻信號中的“噪聲”

造成 IP 攝像機在低照條件下影像質(zhì)量下降的元兇是“噪聲”?；蛘哒f(shuō)是攝像機因低照條件而不當納入影像的無(wú)關(guān)信號數據。這些攝像機信號處理中的偽像或異常數據可導致視頻流質(zhì)量降低、影像模糊、清晰度下降。要改善工作在低照環(huán)境中的視頻 IP 攝像機影像質(zhì)量，需要盡可能多地消除這種噪聲。通過(guò)提高視頻數據流的信噪比 (SNR)，攝像機可提供更加清晰的影像。噪聲降低后，來(lái)自場(chǎng)景中實(shí)際對象的信號會(huì )增強，視頻影像更清晰。噪聲有幾個(gè)明確的來(lái)源，每一個(gè)都必須進(jìn)行某種程度的處理。

· 顆粒噪聲

顆粒噪聲理所當然來(lái)自可見(jiàn)光子命中視頻攝像機傳感器的命中率的波動(dòng)。命中傳感器像素的光子數量圍繞與像素照度成比例的一個(gè)平均速率隨機變化。

· 固定圖形噪聲

固定圖形噪聲由構成 IP 攝像機傳感器像素的小幅變動(dòng)造成。每個(gè)像素在被可見(jiàn)光子命中時(shí)的反應不同。這些差異可能來(lái)自像素及色彩濾波器的差異，也可能來(lái)自連接像素的電路的差異。

· 讀出噪聲

視頻攝像機光傳感器采集的模擬信息必須轉換為數字數據，以便攝像機處理。這項工作由模數轉換器完成。讀出該轉換過(guò)程不完全性帶來(lái)的噪聲。

消除噪聲

消除或過(guò)濾低照視頻流的噪聲有兩種基本方法。第一種方法為空間濾波。這種方法沿著(zhù)構成顯示屏影像的二維、高、寬進(jìn)行。第二種方法為時(shí)間濾波，可為視頻流中還存在的時(shí)間增加第三維。

· 空間濾波

視頻流由按時(shí)間順序播放的獨立靜止影像或幀構成。實(shí)時(shí)視頻流通常每秒顯示 30 幀。不過(guò)如果不要求實(shí)際動(dòng)作的逼真性，也可實(shí)施其它顯示速率?？臻g濾波是一種算法分析，獨立對每幀進(jìn)行檢查，沿影像 X 軸和 Y 軸進(jìn)行每像素比較，發(fā)現噪聲并予以清除。

· 時(shí)間濾波

時(shí)間濾波算法可將時(shí)間維加入分析。這種方法不像空間濾波那樣，對整個(gè)幀進(jìn)行檢查，而是按時(shí)間維分析每個(gè)像素。即將每個(gè)像素與后一個(gè)幀對比，判斷是否有噪聲存在。如果某個(gè)像素的運動(dòng)方式非常類(lèi)似于噪聲，就予以清除。時(shí)間濾波比空間濾波更復雜，因為視頻流往往包含運動(dòng)，比如物體移動(dòng)或者某人走過(guò)攝像機視野。時(shí)間濾波不但必須能夠分辨出攝像機需要觀(guān)察的真實(shí)運動(dòng)，將其保留在視頻數據流中，同時(shí)還應發(fā)現像素中任何類(lèi)型可能為噪聲的異常運動(dòng)，將其清除。為達到該目的，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出兩種方法，即動(dòng)作自適應法和動(dòng)作補償法。

動(dòng)作自適應法可嘗試確定物體動(dòng)作發(fā)生的視頻流區域。保留這些區域中的信號發(fā)送，其中包括這些區域中可能出現的任何噪聲。分析影像其它部分的移動(dòng)像素，判別是否是噪聲，如果是就清除。

動(dòng)作補償分析法比動(dòng)作自適應法復雜得多。動(dòng)作補充分析法將先建立基準幀，以便對物體移動(dòng)形成的運動(dòng)像素進(jìn)行時(shí)間濾波。如果運動(dòng)分析正確，動(dòng)作補償法與動(dòng)作自適應法相比能夠去除移動(dòng)物體上更多的噪聲。但動(dòng)作分析在低照條件下形成的高噪聲水平上容易出錯，因此可能會(huì )無(wú)法去除噪聲并產(chǎn)生煩人的偽像。

德州儀器 (TI) 等能夠提供大量動(dòng)作自適應法及動(dòng)作補償法的技術(shù)提供商，可充分滿(mǎn)足 IP 攝像機制造商與安全系統集成商的各類(lèi)需求。