超低照度攝像機的技術(shù)發(fā)展之路

近幾年，前端攝像機市場(chǎng)的競爭已經(jīng)白熱化，如何在這片紅海中樹(shù)立起自己的航標?以當前的市場(chǎng)格局來(lái)看，用戶(hù)需求的細分化程度越來(lái)越深入，“超低照度”、“寬動(dòng)態(tài)”、“智能透霧”等等這些從前只在高端產(chǎn)品中出現的名詞，如今已滲透到各個(gè)應用領(lǐng)域。特別是超低照度攝像機，如今大多數生產(chǎn)廠(chǎng)家都已推出各具特色的不同價(jià)位的低照度攝像機，下面我們就從超低照度的技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)和相關(guān)注意要點(diǎn)來(lái)逐步分析探討。

一、“超低照度”到底是什么?

根據標準化的定義，目前安防行業(yè)將前端攝像機分為四個(gè)等級：普通級攝像機，一般照度均大于0.1Lux;照度范圍在0.1 Lux至0.01 Lux之間的攝像機，一般被稱(chēng)為低照度攝像機;而被稱(chēng)為月光級的攝像機，其照度范圍均在0.01Lux至0.001Lux;當照度范圍達到并超過(guò)了0.0001Lux的時(shí)候，便達到了“星光級”的超低照度攝像機。

上面的數值雖然一直以來(lái)都被用作衡量攝像機產(chǎn)品是否是低照度的標準，但是僅以此視作低照度產(chǎn)品的標桿，是完全不夠的，也是不負責任的一種表現。

那么，我們所說(shuō)的“超低照度”到底是什么呢?根據無(wú)線(xiàn)電工程學(xué)會(huì )(IEEE)給出的標準定義：在廣播級視頻電平中，任何視頻信號在播放時(shí)的亮度電平都不能超過(guò)100IRE。當視頻輸出電平的振幅低于原始振幅的30%時(shí)，視頻信號提供的圖像將視為不可用。

上面的這個(gè)描述或許有點(diǎn)復雜，讓我們將其還原應用至“超低照度”攝像機上面來(lái)：以星光級產(chǎn)品為例，如若在0.001Lux的情況下，通過(guò)攝像機自帶(需攝像機內置的圖像處理器DSP支持)的AGC(自動(dòng)增益控制)功能提供額外的10%的圖像增益修正，視頻輸出的電平只有15%IRE，在這樣的情況下，拍攝到基本無(wú)光的實(shí)驗室內的圖像表現如下圖1所示，只能稍微看到環(huán)境中物品本身所帶的點(diǎn)點(diǎn)亮光，其它幾乎不可視，這是完全沒(méi)能達到“可用”標準。因此，在照度描述下標注IRE值是一個(gè)安防生產(chǎn)商對自身產(chǎn)品質(zhì)量的信心體現，也是對客戶(hù)負責任的體現。

圖1

加上了IRE標注的低照度產(chǎn)品就能視為可信嗎?回答依然是否定的，因為“光”的開(kāi)口還被另一個(gè)器件——鏡頭把關(guān)著(zhù)。

鏡頭的光圈大小，即f值的大小直接決定了產(chǎn)品的價(jià)格。光圈越大，f值越小，價(jià)格越高;反之亦然。一個(gè)需要鏡頭光圈f=0.9開(kāi)口的星光級攝像機與一個(gè)需要鏡頭光圈f=1.2開(kāi)口的星光級攝像機，你會(huì )選擇哪個(gè)產(chǎn)品?這個(gè)問(wèn)題或許不好回答，但如果我們換種方式提問(wèn)：一個(gè)價(jià)格2萬(wàn)多元的星光級攝像機與一個(gè)價(jià)格只需要兩千元左右的攝像機，兩者功能無(wú)差異，只有鏡頭不同，大多數客戶(hù)都會(huì )選擇后者。

因此，本著(zhù)“用戶(hù)至上，誠信為本”的原則，以筆者所在的廣東迅通科技股份有限公司為例，我們將在f=1.2，振幅電平等于50%IRE情況下，照度達到0.001Lux和0.0001Lux的攝像機叫做“月光級”和“星光級”攝像機，也只有這兩類(lèi)產(chǎn)品才屬于“超低照度”攝像機的行列。以迅通的超低照度百萬(wàn)像素寬動(dòng)態(tài)高清網(wǎng)絡(luò )半球(月光級產(chǎn)品)為例，在同樣的幾乎無(wú)光的實(shí)驗室內，其圖像表現如圖2，我們能夠捕捉到無(wú)光環(huán)境下的物品放置位置及亮光的存在。

圖2

二、實(shí)現超低照度的技術(shù)與方法

不同的傳感器(尤指CCD與CMOS)，由于其構造的差異，有著(zhù)截然不同的方法實(shí)現“超低照度”。下面我們將分成兩部分來(lái)對其進(jìn)行論述。

1、CCD的超低照度之路

一塊CCD傳感器即是一個(gè)感光面，但其光感性能卻是由每個(gè)像素位的光感性能綜合決定的。以經(jīng)典的Sony HAD系列CCD傳感器為例，在HAD系列傳感器誕生之前，受限于當時(shí)電子制造業(yè)水平，CCD的光感性能在一段時(shí)間內遭遇了難以逾越的物理屏障。

如何在越來(lái)越小的傳感器上得到質(zhì)量良好的成像與低照度表現，第一代Super HAD傳感器給出了答案：通過(guò)在每個(gè)像素點(diǎn)上安裝經(jīng)過(guò)形狀優(yōu)化設計的鍍膜微小鏡片，以保證光線(xiàn)準確到達傳感器底部的基層板上，從而達到提高光利用率，使畫(huà)面更清晰，照度更低。簡(jiǎn)而言之，Super HAD技術(shù)就是一個(gè)放在傳感器前面的高效率放大鏡，把光正確的引導至每個(gè)微小的像素孔里面，把原本灰暗的部分給點(diǎn)掃滅了。有了Super HAD技術(shù)的支撐，各大廠(chǎng)商紛紛推出了低照度攝像機產(chǎn)品，即在f=1.2的情況下，在光照強度不足0.1 Lux的環(huán)境中，輸出圖像依然能達到或超過(guò)30%IRE。

然而真正的“超低照度”攝像機產(chǎn)品是從第二代Super HAD傳感器之后才誕生的。把像素孔的孔內高度降低，增大每個(gè)像素孔的開(kāi)口，再換個(gè)加大號的且經(jīng)過(guò)光學(xué)優(yōu)化的放大鏡。經(jīng)此設計調整，傳感器的感光效率提高了136%，而使用該款傳感器的攝像機也能達到星光級標準，即在f=1.2的情況下，在光照強度不足0.0001 Lux的環(huán)境中，輸出圖像依然能達到或超過(guò)30%IRE。

2、CMOS的超低照度之旅

受限于制造工藝與組成結構的問(wèn)題，CMOS傳感器的超低照度之旅著(zhù)實(shí)要比它的競爭對手CCD來(lái)得困難。CMOS又叫互補金屬氧化物半導體，是一種集成了感光器件與模數轉換器的以低電壓驅動(dòng)的圖像傳感器。在其誕生之初，別說(shuō)低照度了，就是在正常光照下，其畫(huà)面輸出效果都讓人汗顏。

然而，經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，CMOS的感光和成像性能有了翻天覆地的變化。

丑小鴨終于變成了白天鵝，更有成為鳳凰的潛質(zhì)。超低功耗、超低照度、千萬(wàn)像素、背照式、堆棧式等新名詞出現在了CMOS發(fā)展的各個(gè)時(shí)期。根據市場(chǎng)研究公司In-Stat/MDR的統計結果，圖像傳感器的次級市場(chǎng)年成長(cháng)率高達30%以上，其中80%的份額屬于CMOS傳感器。

是什么原因讓CMOS發(fā)展如此驚人呢?對比CCD傳感器，CMOS的光感性能決定于整塊傳感器的受光面積，而非各像素點(diǎn)的入射光強度。這個(gè)特性對于科研人員來(lái)說(shuō)，就如同要其去用斧子去劈一塊木樁與一根頭發(fā)的區別。劈木樁，你只要考慮木樁在哪，斧子是否夠利;然而要劈頭發(fā)，首先得在動(dòng)斧子之前找到那根頭發(fā)，還得祈禱斧子下去時(shí)不要把頭發(fā)給吹走。

有了方向，對應的方法就很簡(jiǎn)單了。斧頭劈不開(kāi)，那就換個(gè)可以倒立的木樁，如圖3;斧子劈不到中心，那就找個(gè)小點(diǎn)的“樹(shù)皮”薄點(diǎn)的木樁，如圖4。通過(guò)如此舉措，CMOS傳感器成了“高性能”“低價(jià)格”的代名詞，也逐步被市場(chǎng)認同和接受。

圖3

圖4

三、超低照度的應用及注意要點(diǎn)

超低照度攝像機的設備穩定性遠高于紅外補光攝像機。受到紅外補光電路的電磁以及紅外燈的發(fā)熱影響，在高溫或長(cháng)時(shí)間工作時(shí)，紅外補光攝像機經(jīng)常會(huì )出現成像質(zhì)量變差、紅外切換失靈等一系列問(wèn)題。也是因為如此，絕大部分的卡口攝像機都需要將補光配件分離出來(lái)，以保證系統長(cháng)時(shí)間工作的整體穩定性。

低照度攝像機是符合低碳環(huán)保的綠色發(fā)展主題的。以迅通的網(wǎng)絡(luò )攝像機設計規范為例，一個(gè)使用CMOS傳感器的超低照度高清槍型攝像機的額定設計功耗為5W左右，而一個(gè)使用CMOS傳感器的紅外補光高清槍型攝像機的額定設計功率通常達到了9W。這樣算起來(lái)，可能幾個(gè)攝像機所節省的功耗效果不太明顯，但如果遇到大型視頻監控項目，特別是近幾年平安城市項目所承載的監控點(diǎn)越來(lái)越多，有些甚至達到幾萬(wàn)個(gè)監控點(diǎn)，如果按1000個(gè)監控點(diǎn)，1年的運作時(shí)間計算，將可為監控系統節約能耗約3.5萬(wàn)多千瓦時(shí)。

超低照度攝像機在使用上與其他攝像機產(chǎn)品沒(méi)有太大的不同，所以它一上市便成了市場(chǎng)中的寵兒。越來(lái)越多的項目、工程都將其部署在重要區域，其中尤以醫院、銀行、智能樓宇等對人的視覺(jué)感知影響較大且長(cháng)期處于弱光環(huán)境下的重點(diǎn)、敏感區域。

結語(yǔ)

超低照度攝像機的發(fā)展是得到市場(chǎng)認同的。產(chǎn)品不論從功能、效果、穩定性，還是從產(chǎn)品的易用性、人性關(guān)懷指數甚至環(huán)保指數等，都較大幅度的領(lǐng)先于傳統攝像機產(chǎn)品。從目前市場(chǎng)上的售價(jià)來(lái)看，超低照度攝像機只略高于傳統攝像機，與紅外補光產(chǎn)品顯持平的態(tài)勢，而這種態(tài)勢將隨著(zhù)產(chǎn)品的規?；慨a(chǎn)而價(jià)格逐步被拉低。相信將來(lái)將會(huì )有更優(yōu)秀更智能更人性化的超低照度攝像機涌現，在“平安城市”、平安校園、道路監控、金融等重要領(lǐng)域中大顯身手。