星光級低照度攝像機的研究與應用

　　當前安防市場(chǎng)對攝像機低照度性能的要求越來(lái)越高，不但要實(shí)現24小時(shí)全天候監控，應用的環(huán)境也越來(lái)越復雜。目前對低照環(huán)境下的成像應用技術(shù)主要有紅外熱成像、主動(dòng)紅外、幀累積等。

　　1、紅外熱成像

　　紅外熱成像原理并不神秘，從物理學(xué)原理分析，人體就是一個(gè)自然的生物紅外輻射源，能夠不斷向周?chē)l(fā)射和吸收紅外輻射。紅外熱成像技術(shù)就是利用探測紅外輻射成像的原理把人體等信息記錄并顯示在一張平面圖上。紅外熱成像的夜間效果是比較好的，但只能局限于夜間，而且無(wú)法顯示人眼正常的成像效果，對于顯示的反白效果不是很多人都能接受，另外，現階段，由于熱成像攝像機的價(jià)格比較昂貴，只能應到一些特殊領(lǐng)域，如數字化軍隊等。

　　圖1 紅外熱成像效果圖

2、主動(dòng)紅外

　　目前市場(chǎng)上對于低照要求非常高的環(huán)境下，基本都是采用主動(dòng)紅外攝像機，就是在夜視狀態(tài)下，紅外燈會(huì )發(fā)出肉眼看不到的紅外光線(xiàn)去照亮被拍攝的物體，紅外線(xiàn)經(jīng)物體反射后進(jìn)入圖像傳感器進(jìn)行成像，這時(shí)我們所看到的是由紅外線(xiàn)反射所成的影像，而不是可見(jiàn)光反射所成的影像，這樣就可以拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的物體，但這種成像方式會(huì )有以下幾個(gè)問(wèn)題：

　　(1)反射光應用的局限性。如果監控環(huán)境比較空曠，紅外光沒(méi)有可反射的物體，這時(shí)的圖像是全黑的，顯示效果不好。如果監控環(huán)境比較復雜，存在多層次景物，則前景會(huì )把紅外光反射了，后景就會(huì )看不到。除此之外，紅外光為單色，導致最終顯現的圖像只能是黑白的。

　　(2)光衰減距離的局限性。目前監控使用的紅外燈多為LED，發(fā)出的紅外光較散，在加透鏡的情況下，最遠距離只能達到100-120米。

　　(3)紅外燈壽命的局限性。目前紅外燈的標稱(chēng)壽命為5萬(wàn)小時(shí)-10萬(wàn)小時(shí)不等，但實(shí)際應用中還要短一些，發(fā)熱過(guò)高、功率過(guò)大是現階段應用普遍存在的問(wèn)題[2]。如果要求紅外距離越遠，則功率越大，同時(shí)熱量就越大，如果紅外燈靠近攝像機的傳感器太近，同樣也會(huì )影響攝像機的使用壽命。由于LED紅外燈的電光轉換效率仍在20%以下，大部分的電轉換為熱量，在燈管數量不斷增加的情況下，產(chǎn)品發(fā)熱量也越來(lái)越大，紅外機的溫度達到了80℃，甚至100℃以上，在高溫下，LED芯片、攝像機和封裝LED的環(huán)氧樹(shù)脂都容易加速老化，使紅外攝像機的使用壽命大大縮短。這也是主動(dòng)紅外攝像機所存在的最主要的問(wèn)題。

圖2 主動(dòng)紅外攝像機及成像效果圖

3、幀累積

　　幀累積攝像機，是通過(guò)延長(cháng)曝光時(shí)間來(lái)提升圖像畫(huà)面亮度，這樣的攝像機打開(kāi)慢快門(mén)功能時(shí)，輸出的圖像不是實(shí)時(shí)圖像，只要攝像機的快門(mén)慢到4倍以上，在監視器上就可以看到比較明顯的圖像拖影。慢快門(mén)攝像機不是通過(guò)機器的硬件性能來(lái)提升圖像效果，而是通過(guò)犧牲圖像的實(shí)時(shí)性，來(lái)提升低光照場(chǎng)合下的圖像清晰度。但是對于監控而言，重要的恰恰在于清晰、連貫、實(shí)時(shí)的圖像，因此幀累積慢快門(mén)攝像機常常被用于對靜態(tài)事物的監視，而不建議用在非靜態(tài)應用。

　　4、更先進(jìn)的技術(shù)

　　低照度攝像機提升效果最合理的做法，是用硬件來(lái)提升產(chǎn)品性能，例如通過(guò)在傳感器、ISP方面的努力，最大限度的利用環(huán)境光，實(shí)打實(shí)地提升低照度效果。由北京中電興發(fā)科技有限公司自主研發(fā)的ULLSTM(超微光感知TM)采用國際最先進(jìn)的圖像傳感器設計技術(shù)，不僅體積小、速度快、功耗低，并且具有高靈敏度、高信噪比、高動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，加之以獨有的ISP前端圖像處理技術(shù)，進(jìn)行圖像的精確還原和大幅增強，使攝像機在低照度環(huán)境下的視覺(jué)表現達到全球領(lǐng)先水平。

　　二、ULLS超微光感知技術(shù)的實(shí)現

　　不同的設備商，其星光級低照度成像處理技術(shù)會(huì )有不同，本文著(zhù)重介紹來(lái)自北京某知名廠(chǎng)商自主研發(fā)的超微光視覺(jué)感知技術(shù)，其整合了BSI圖像傳感器設計技術(shù)及ISP前端成像處理技術(shù)，通過(guò)最底層的光線(xiàn)采集及信號處理大幅提升了攝像機的感光性能。

　　1、BSI圖像傳感器設計技術(shù)

　　進(jìn)入高清時(shí)代以來(lái)，隨著(zhù)圖像傳感器像素的不斷提高，其感光靈敏度在成比例下降，一種新的BSI傳感器架構模式應運而生。BSI是在設計上將圖像傳感器的上下層進(jìn)行翻轉，因此傳感器可以通過(guò)原本是在底層的硅基板來(lái)收集光線(xiàn)。這種方法與傳統的FSI傳感器不同，在FSI傳感器上，到達感光區的光線(xiàn)在某種程度上被傳感器中進(jìn)行光電轉換的金屬線(xiàn)和電介質(zhì)層所限制。FSI方法會(huì )阻礙光線(xiàn)到達像素或使光線(xiàn)偏離像素，最終降低填充系數，并帶來(lái)像素之間串擾等問(wèn)題。BSI則將金屬線(xiàn)和電介質(zhì)層移到傳感器陣列的下方，為光線(xiàn)提供了到達像素最直接的通道，優(yōu)化了光線(xiàn)吸收[3]。ULLS圖像傳感器基于BSI架構，提供了多項超越性的性能改進(jìn)，包括每單位區域更強的靈敏度、更高的量子效率以及減少串擾和光響應非均勻性，再結合特制的納米級設計制程和新的生產(chǎn)工藝模塊，使得圖像傳感器的弱光敏感度提高30%以上，并可有效控制色度亮度干擾，從而顯著(zhù)改進(jìn)色彩和光電性能。

圖3 基于BSI架構的ULLS圖像傳感器的光電性能

　　
2、ISP前端圖像處理技術(shù)——3D數字降噪

　　攝像機在低光條件下運行，不可避免的會(huì )出現固定的或隨機的傳感器噪聲，且每一幀圖像所產(chǎn)生的噪聲是不相同的。若噪聲過(guò)多則會(huì )使圖像模糊不清。傳統的2D降噪技術(shù)屬于幀內降噪方式，在消除動(dòng)態(tài)噪聲方面效果有限。3D數字降噪是在幀內降噪的基礎上，通過(guò)對比相鄰幾幀圖像將噪聲自動(dòng)濾除處理掉，從而顯示出比較清晰細膩的圖像。星光級低照度成像技術(shù)再通過(guò)幀間預測方法，依據圖像噪聲的分布統計規律，在空間二維和時(shí)間一維上同時(shí)進(jìn)行估計、預測和降噪處理，最大限度的去消除噪聲對圖像的影響，使最終成像效果得到極大的增強和改善，圖像細節得到更好的辨識。除此之外，在面對明暗反差過(guò)大的場(chǎng)景時(shí)，3D數字降噪還可有效提高寬動(dòng)態(tài)的展現能力。

圖4 幀內降噪和3D降噪成像效果對比

　　3、ISP前端圖像處理技術(shù)——3A成像控制

　　3A成像控制指自動(dòng)曝光控制(AE)、自動(dòng)聚焦控制(AF)、自動(dòng)白平衡控制(AWB)。自動(dòng)曝光控制能夠自動(dòng)調節圖像的亮度，自動(dòng)聚焦控制通過(guò)調整聚焦鏡頭的位置獲得最高的圖像頻率成分，自動(dòng)白平衡對不同光線(xiàn)造成的色差給予補償?；镜?A成像控制是攝像機所必須的功能，優(yōu)秀的3A成像控制算法對于攝像機的成像效果有著(zhù)至關(guān)重要的影響。星光級低照度成像技術(shù)基于微分圖像分析的3A成像控制算法，具有統計準確、反應迅速、調節平滑等特點(diǎn)，無(wú)論是在清晨還是黃昏，抑或是光線(xiàn)復雜的夜間環(huán)境，都能不受取景、光影影響，提供精確的顏色還原，呈現完美的日夜監控效果。

　　三、低照度技術(shù)的應用瓶頸

　　1、價(jià)格因素

　　目前，市場(chǎng)上星光級低照度監控攝像機的價(jià)格普遍較高，導致不少行業(yè)客戶(hù)望而卻步，在成本控制之下對實(shí)際監控應用退而求其次。造成價(jià)格較高的原因主要有兩個(gè)：

　　其一，低照度攝像機器件品質(zhì)選擇要比普通攝像機高，還會(huì )應用一些獨特的技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提升低照度性能，而且在產(chǎn)品設計上，要有專(zhuān)門(mén)的低照度電路，因此低照度攝像機的成本較高。

　　其二，其他監控攝像機對低照度產(chǎn)品也有一定的影響，如紅外一體機。實(shí)際上這兩種產(chǎn)品是互相補充的關(guān)系。而一般地，紅外一體機的價(jià)位要低于低照度攝像機。這樣就使得既可以選擇紅外一體機，也可以選擇低照度攝像機的場(chǎng)合，用戶(hù)又沒(méi)有專(zhuān)門(mén)要求時(shí)，如果預算不足，用戶(hù)往往會(huì )更傾向于采用價(jià)格更低廉的紅外一體機產(chǎn)品。

　　2、市場(chǎng)需求

　　據統計，夜晚犯罪率高達將近80%，昏暗不明的夜視環(huán)境催化了犯罪行徑，隨著(zhù)星光級低照度攝像機的不斷發(fā)展日趨成熟，行業(yè)客戶(hù)已開(kāi)始逐漸認識到夜間監控效果的重要性，但受價(jià)格、應用領(lǐng)域等種種因素的制約，人們對星光級低照度攝像機的重大意義仍缺乏客觀(guān)的認知，在性?xún)r(jià)比方面存在較大的偏見(jiàn)。相當比例的客戶(hù)仍堅信，要求攝像機24小時(shí)保持高品質(zhì)監控的場(chǎng)合并不多，普通攝像機就能滿(mǎn)足大多數應用領(lǐng)域的監控需求。從而導致了市場(chǎng)需求的滯后，低照度攝像機仍然不是市場(chǎng)主流。由此可見(jiàn)，低照度攝像機的應用還需要克服選用上的人為因素，才能取得較大突破。

　　四、超微光感知技術(shù)(ULLS)在公共安全領(lǐng)域的應用

　　基于ULLS(Ultra Low-Light Sensitivity)超微光感知技術(shù)的社會(huì )安全管理物聯(lián)網(wǎng)應用系統響應了社會(huì )管理創(chuàng )新和和諧社會(huì )構建的國家戰略發(fā)展需求，旨在提升城市綜合管理水平和社會(huì )治安防控能力。該系統基于物聯(lián)網(wǎng)系統三層架構的前端視頻感知和后端信息處理領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng )新研發(fā)，集軟件技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、廣播電視技術(shù)等多種高新技術(shù)為一體的大型、綜合、復雜的應用系統，實(shí)現了多信息系統、多技術(shù)的融合。

　　該系統的技術(shù)創(chuàng )新和領(lǐng)先優(yōu)勢在于：集專(zhuān)為星光級系列產(chǎn)品打造的百萬(wàn)像素傳感器、最新的高性能ARM處理器、嵌入式LINUX操作系統于一體，展現出特有的、全球領(lǐng)先的ULLS超微光感知性能，能夠在極低照度的監控環(huán)境中(可達0.001Lux)，清晰呈現彩色圖像，完全超越人類(lèi)視覺(jué)極限。同時(shí)，配以3A成像控制技術(shù)和3D數字降噪技術(shù)，使得監控物體在任何光照條件下，都能不受取景、光影影響，精準還原物體本來(lái)的色彩，使圖像效果在低光和明暗對比強烈的環(huán)境中得到極大的增強和改善，并且徹底消除動(dòng)態(tài)圖像噪點(diǎn)。公司特有的上述核心技術(shù)目前居于國際領(lǐng)先的地位，有效解決了當前在平安城市、智能交通等社會(huì )安全管理物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域中所遇到的夜間或復雜光線(xiàn)環(huán)境下的圖像色彩嚴重失真、清晰度很低等系列難題。

　　該系統現已廣泛應用于國內平安城市建設諸多工程中，大幅提高了極低照度情況下的圖像質(zhì)量效果，真正實(shí)現海量存儲視頻資料并提高磁盤(pán)使用壽命，有效降低了客戶(hù)的投入成本。同時(shí)，通過(guò)對物體進(jìn)行智能識別與行為分析提高了管理效率，并能夠針對不同行業(yè)客戶(hù)需求進(jìn)行量身定制開(kāi)發(fā)。為維護社會(huì )秩序、打擊暴力恐怖襲擊，促進(jìn)社會(huì )和諧、推進(jìn)社會(huì )管理創(chuàng )新、實(shí)現黨和國家長(cháng)治久安起到積極推動(dòng)的作用。