剖析低照度攝像機技術(shù):選擇紅外還是超低照度？

一?低照度攝像機的定義、發(fā)展歷史及現狀

關(guān)于最低照度的標準并沒(méi)有嚴格的定義，照度能低到多少，不僅要看鏡頭的光圈大小(F值)，還要看在什么條件限制下才能出現所標示的LUX值。所以，比較最低照度應是在相同條件下的比較和測試才最為科學(xué)和合理，關(guān)于最低照度我們可以簡(jiǎn)單做如下的劃分：

可以看到，為了解決低照度情況下的圖像采集問(wèn)題，主要的途徑可以從：補光、低速快門(mén)和采用超感度的感光器件幾方面入手，當然最簡(jiǎn)單方式是采用紅外補光燈，這種最直接的解決方式大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：

紅外攝像機目前存在一些缺陷難以解決，如衰減，由于LED燈從電能轉化為光能的效率只有25%，另外75%的電能都轉化為了熱能，LED在高熱量下紅外光發(fā)射性能會(huì )衰減;其次紅外攝像機的散熱問(wèn)題也得不到良好的解決，紅外一體機的一大特點(diǎn)就是集成度高，密封，但是這些熱量不僅對LED燈，對CCD也有很大的影響，很多情況內部材料遇熱下造成了鏡頭模糊的現象;另外由于其日夜轉換采用單濾光片方式，而單濾光片會(huì )偏色，也會(huì )造成紅外攝像機的成像出現偏差。事實(shí)上，這些問(wèn)題已嚴重阻礙著(zhù)紅外攝像機的發(fā)展，雖紅外燈可進(jìn)行更換，但一旦這樣操作，就無(wú)形中增加了成本。

而低照度攝像機，則可借助周?chē)囊磺泄庠?，如路燈、走廊燈，甚至月光、星光等，在光線(xiàn)較暗的情況下獲得視頻圖像，以滿(mǎn)足夜間監控的需求，其優(yōu)點(diǎn)是圖像效果真實(shí)、不偏色。低照度攝像機包括常規型低照度彩色攝像機，即其始終是彩色圖像，僅是提高彩色圖像處理的靈敏度，但此種攝像機的照度多在0.1LUX以上;另外一種是可實(shí)現日夜轉換的低照度攝像機，此種攝像機在夜間光照較低的情況下，即可轉換為黑白圖像，實(shí)現日夜監控，照度通常在0.1LUX以下。

低照度攝像機的發(fā)展路線(xiàn)，中國與國外有著(zhù)很大的差別，因為國外在前端CCD、后端DSP技術(shù)方面的優(yōu)勢，更多走的是超低感度的技術(shù)路線(xiàn)，而國內因為成本的因素，走光源補償路線(xiàn)的攝像機發(fā)展非常迅速，市場(chǎng)占有率已經(jīng)超過(guò)了50%以上。不過(guò)，國外的安防制造企業(yè)也在積極迎合中國市場(chǎng)的這種傾向與價(jià)格優(yōu)先的需求特點(diǎn)，不斷推出一些紅外攝像機產(chǎn)品。

下表是我們采集的國內幾家主流攝像機制造企業(yè)產(chǎn)品線(xiàn)中紅外攝像機的占比情況：

低照度攝像機的技術(shù)路線(xiàn)剖析

上面我們分析了目前國內低照度攝像機目前的市場(chǎng)概況，就低照度攝像機涉及的技術(shù)環(huán)境和背景，我們也可以通過(guò)下面的表格，做一個(gè)簡(jiǎn)單的背景介紹，我們從“提高低照度攝像機成像效果的方法“入手，簡(jiǎn)單說(shuō)明如下：

一、從光采集端入手

CCD1.選用大靶面CCD-同樣像素下CCD的尺寸越大其感光度越好(普通CCD的尺寸一般為1/4"和1/3"，但是在智能交通等特殊場(chǎng)合我們就需要采用1”、2/3”、1/1.8”、1/2.5”的尺寸才能達到更清晰的效果)。

2.選用高靈敏度CCD-將CCD每一像素的開(kāi)口率提高，進(jìn)而達到更低照度，SONY的EXVIEWHADCCD其感度可以提高到普通攝像機的4倍。

CMOSCMOS的優(yōu)點(diǎn)是耗電少(約為CCD的1/10)、無(wú)污點(diǎn)(拍攝高亮度的物體時(shí)，監控畫(huà)面不出現白色的豎線(xiàn))、制造簡(jiǎn)便，CMOS圖像傳感器就可發(fā)揮出優(yōu)于CCD圖像傳感器的低照度性能。

鏡頭采用通光量大的鏡頭：鏡頭F值的不同，光透過(guò)鏡頭進(jìn)入到CCD的量就會(huì )有差別，F值越小，其進(jìn)光量就越多。比如，在相同的焦距下，F1.0與F10相比，鏡頭進(jìn)光量相差100倍。為提高攝像機的感光度，應盡量選取通光量大的鏡頭。

二、從電路及提高圖像處理能力著(zhù)手

DPS技術(shù)DPS是在數字圖像傳感器的每一個(gè)像素上集成了一個(gè)模擬數字轉換器(ADC)，并對捕捉到光信號時(shí)直接轉換為數字信號，降低了噪音和衰減。

DSP技術(shù)由微處理器對系統的狀態(tài)進(jìn)行檢測與控制，提高圖像顯示的穩定性、可靠性和一致性。攝像機體積也大為縮小。

彩轉黑采用紅外濾光片和切換電路或者采用電子電路來(lái)進(jìn)行彩色/黑白轉換;

數字降噪數字降噪技術(shù)可以較好地改善圖像的潔凈度和清晰度，從而提升低照成像效果，采用自適應數字降噪技術(shù)(DNR)，將2D-DNR與3D-DNR結合，在多種條件下，都可很好地降噪。

幀累積通過(guò)電荷單幀累積方式增加CCD在單幀圖像的曝光量，從而提高攝像機對單幀圖像的靈敏度，此類(lèi)攝像機又稱(chēng)為(畫(huà)面)累積型攝像機。

電路設計專(zhuān)門(mén)的低照度電路。

雙濾光片技術(shù)采用步進(jìn)電機驅動(dòng)的雙濾光片設計，實(shí)現彩色和黑白模式下的的自動(dòng)切換。

如果進(jìn)一步壓縮上述涉及的產(chǎn)業(yè)節點(diǎn)，可以看到：實(shí)現夜視環(huán)境下的的監控，涉及到的因素和技術(shù)很多，有硬件，有軟件，有成本問(wèn)題，最主要是各方面的平衡，具體列舉如下：

低照度攝像機成像效果及相關(guān)技術(shù)點(diǎn)

目前監控廠(chǎng)家使用的CCD多為日本索尼(Sony)與夏普(Sharp)。據了解，Sony的CCD在表面增加了彩色補光濾光片，顏色構成由RGB升級成更為精細的CMYK色系，另外還將各個(gè)微型鏡頭底部的角度擴大，以增加通光量，提高亮度，在光線(xiàn)較暗時(shí)，其噪點(diǎn)也較小。因此，索尼的CCD在監控市場(chǎng)上占據絕對數量。

除選用合適技術(shù)的CCD外，CCD的面積也與低照度攝像機的視頻效果有較大關(guān)系。CCD單位面積越大，可感受到的光也就越多，但相應成本也會(huì )增加。目前監控市場(chǎng)上多使用的1/4″、1/3″與1/2″的CCD，其中1/3″CCD最為普遍，而1/2″CCD由于其感光面積較大，較適用于環(huán)境照度較低、補光條件較差，而監控要求較高的應用，如道路監控、森林防火監控等。

DSP芯片：做好后端處理工作

在攝像機中，好的CCD固然重要，但后端的DSP芯片(數字信號處理)也起著(zhù)不可或缺的作用，其將前端CCD采集到的視頻信號進(jìn)行處理，轉換為視頻圖像輸出。DSP芯片將后端的降噪處理、寬動(dòng)態(tài)、低照度等功能都集成在其中。

不少進(jìn)口品牌公司新推出的DSP芯片，很多都是集寬動(dòng)態(tài)、低照度等多種功能于一身，并擁有數字降噪、暗區補償等軟性功能，色彩還原性和亮度等方面都有很大的提升，并采用自適應數字降噪技術(shù)(DNR)，將2D-DNR與3D-DNR結合，在多種條件下，都可很好地降噪。

有的芯片將畫(huà)面幀累積處理的效果提高，使獲得較好的視頻畫(huà)面。另外還有的芯片具備的CCD電荷單增，可提高靈敏度，增強圖像的視頻清晰度。同時(shí)對于圖像出現的噪點(diǎn)，不少廠(chǎng)家也進(jìn)行一些處理以便減少噪點(diǎn)，如采用幀累積技術(shù)，或添加雙濾光片，以及數字降噪技術(shù)等。

有的廠(chǎng)家和技術(shù)人員可能對技術(shù)整合對產(chǎn)業(yè)影響和產(chǎn)品提升的巨大作用持不同的觀(guān)點(diǎn)，認為可能并沒(méi)有這么重要，我個(gè)人的觀(guān)點(diǎn)恰恰相反。個(gè)人認為，就低照度攝像機產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，拋開(kāi)價(jià)格和市場(chǎng)因素，用戶(hù)的需求和產(chǎn)品追求的技術(shù)指標是高度一致的：那就是低照度情況下的顯示效果。

二?紅外攝像機產(chǎn)業(yè)鏈分析

我們可以將紅外攝像機的產(chǎn)業(yè)鏈分為開(kāi)發(fā)層、制造層、應用層。國外企業(yè)在CCD/CMOS等核心器件和技術(shù)開(kāi)發(fā)方面具有壟斷優(yōu)勢，國內紅外攝像機產(chǎn)業(yè)鏈以巨大的市場(chǎng)需求為依托，呈現明顯的“∞”形狀。

為了進(jìn)一步分析上面的圖片，我們將產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節做了下面的細分：

從上圖可以看出來(lái)，在前端設備的基礎研發(fā)層，國外企業(yè)的優(yōu)勢相當明顯，國內企業(yè)在全球競爭的機會(huì )主要是在應用開(kāi)發(fā)層和解決方案層。中國的安防企業(yè)不太容易在產(chǎn)業(yè)鏈的上游找到自己的位置，但是在產(chǎn)業(yè)的右端又是最了解用戶(hù)需求的，這是國內制造企業(yè)最可能獲得突破的環(huán)節。

三?低照度攝像機的未來(lái)發(fā)展趨勢

1.將圖像存儲和視頻分析能力向前端設備遷移

對于重要場(chǎng)合的可追溯性與圖像質(zhì)量、穩定性同樣重要，這方面MOBTIX為代表的企業(yè)正在通過(guò)加大前端圖像存儲和視頻分析來(lái)解決，這也某種程度上代表了未來(lái)攝像機發(fā)展的一個(gè)方向。這樣做的好處一方面是突發(fā)斷電、斷網(wǎng)情況下有可追溯的數據源，另一方面(尤其是對高清這類(lèi)大容量數據)也減緩了對網(wǎng)絡(luò )的傳輸壓力，這方面對于大型、超大型的監控應用顯得尤為重要。

2.網(wǎng)絡(luò )攝像機的比例將會(huì )進(jìn)一步加大

我選取了目前國內幾家主流制造企業(yè)的產(chǎn)品線(xiàn)做了分析，為了分析的更全面和準確，我選取的參數也比較多，目的是通過(guò)多個(gè)參數的抽樣能大致看出目前市場(chǎng)趨勢和不同解決方案間的市場(chǎng)占比。模擬、網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品線(xiàn)的市場(chǎng)占比(不含球形攝像機)，采樣總臺數305臺，模擬，215臺，其中網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品線(xiàn)占29.5%，模擬占70.5%。

3.網(wǎng)絡(luò )攝像機中以CMOS作為感光器件的產(chǎn)品將會(huì )得到更多的重視

4.網(wǎng)絡(luò )攝像機追求更高像素的步伐會(huì )加快

5.網(wǎng)絡(luò )球和云臺攝像機在未來(lái)的需求將會(huì )減少，取而代之的將會(huì )是全景攝像機

球機和云臺攝像機在中國安防市場(chǎng)上一度占有重要的位置和很大的市場(chǎng)份額，但是球機和云臺攝像機也有自己本身明顯的缺陷：成本高、安裝、調試復雜;傳統機械結構產(chǎn)生的故障點(diǎn)也會(huì )比較多等。隨著(zhù)全景攝像機、高清鏡頭和光感技術(shù)的發(fā)展，純電子方式的解決方案將是未來(lái)發(fā)展的主流。

四?監控平臺的發(fā)展趨勢和未來(lái)走向

廣泛應用數據挖掘技術(shù)，圖片信息數據化，平臺軟件智能化是未來(lái)趨勢。未來(lái)的視頻監控圖像是包含多種信息的“碎片”，這些‘碎片’是重要的數據。圖像數據信息的分離和數據挖掘是未來(lái)網(wǎng)絡(luò )攝像機和平臺發(fā)展的方向，將誕生很多的商業(yè)機會(huì )。

五?移動(dòng)安防和云存儲、云服務(wù)將會(huì )逐漸得到應用

目前，城市安防主要包括技防、物防、人防這三防，如果加上空防，這樣就變成了四防的立體安防。個(gè)人覺(jué)得還缺少移動(dòng)安防。這里所說(shuō)的移動(dòng)安防應該包括結合運營(yíng)商、云存儲、移動(dòng)客戶(hù)端、輿情監控等多位一體的，以社區民眾作為安防訴求主題的全民安防。

這樣的發(fā)展趨勢，在未來(lái)將帶動(dòng)一批在視頻分析、存儲、無(wú)線(xiàn)安防、智能家居、移動(dòng)物聯(lián)類(lèi)安防制造和安防軟件企業(yè)的發(fā)展。這類(lèi)企業(yè)將有機會(huì )在移動(dòng)安防領(lǐng)域獲得重要發(fā)展和成長(cháng)機會(huì )，而也會(huì )有更多的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)通過(guò)移動(dòng)安防的概念進(jìn)入安防領(lǐng)域。這將是一個(gè)趨勢，目前阻礙朝這個(gè)方向發(fā)展的主管因素已經(jīng)越來(lái)越少，阻力主要來(lái)自于中國的移動(dòng)帶寬和手機芯片的數據處理能力。但是，這些客觀(guān)因素，隨著(zhù)4G/5G的到來(lái)、手機芯片和云存儲的發(fā)展，這一天終將在不久到來(lái)。