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低照度摄像机成像及类型原理分析
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视频监控系统展厅
视频监控, 夜视仪, 摄像机,...
近几年,市面上出现形形色色的低照度摄像机产品,但所能实现的功能却是有差别的,究竟是什么原因造成了它们的不一致?

低光摄像机又称作低照度摄像机,是一种专为光线照度不足的环境所开发设计的监控产品,它的组成有相当程度的复杂性,从镜头到摄像机传感器及图像处理芯片都是形成夜视低照功能的关键,因此低光摄像机在成本上也较高于一般摄像机。以下我们就所了解的低光摄像机效能与类别分别说明如下:

低光摄像成效源自组件条件

我们都知道低光摄像机除了必须搭配IR类型的镜头以满足日夜低照下的成像焦点之外,更重要的是这种低光摄像机功能形成的组件部分是特别的,尤其在图像传感器Sensor与DSP/ISP图像处理器的部分,现阶段由于第6代的网络高清摄像机已经正式上市,除了更高感度1100mV以上的CMOS图像传感器已应用在百万高清摄像机上,透过这些SONY与Aptina为主的Sensor厂家产品,图像感应光线的敏感度已大幅改进到0.001Lux以上成为一种标准型态的低光低照度要求,更在Fullhan等DSP的助力下,让CMOS应用不再对低光环境畏惧;相反,特别是在例如TIDaVinciDM388视讯处理器的应用下,为百万像素实时IP摄像机推出其进阶动态补偿低光技术。与很多同类图像压缩处理器SoC一样的解决方案,这种处理器可在一般照明所需的一半的照度条件下呈现清晰的图像,非常适合各种动态低光环境使用,这种类型的低光型图像处理器都可采用同步数据压缩与传输以及3D噪声滤波等功能,并支持夜视宽动态范围,而且这些都采用H.264/SVCT格式且支持实时传输,使低光摄像机得以在这些组件支持下取得低光照的实际效应。

低光摄像机的型式与类别分析

进行低照度与夜视监控建置及产品选型前,需先对低照度与夜视应用的类别及特性有所了解,只有掌握这些类别特性之后才能善加运用于相应的环境。首先,低照度摄像机一般是指无需辅助灯光就能够辨别低照度环境下的目标,其原理是运用摄像机本身感光组件Sensor、图像处理单元ISP/DSP及镜头光学作用共同实现,应用这些底层关键技术,低照度与夜视监控的应用方式才得以产生实际的效能,而其实现方式并非只有一种,大致包含以下几大类。

1.低光高感度模式(Low-Light Mode)

这种类型又称低光全彩模式,此型摄像机大多采用Super HAD Ex-view CCD/EXTRA-View CCD或背照式COMS为感光组件,在低照度环境下有很好的可见光和近红外光反应。应用此技术的摄像机也称做全天候摄像机。通常其低光彩色模式的低照度可达0.01 Lux,以黑白呈现可达0.001 Lux,搭配红外光辅助照明则可在0 Lux时使用,但后两种情况的照度不构成Low-light低光彩色条件的要求与模式。此种监控摄像机不仅能清晰的辨识图像,更能在低光下维持一定噪声值以呈现彩色画面,且不会有慢速快门光累积(或称帧累积)方式在呈现低照度图像时会出现的画面延迟拖尾(拖影)等情况。

2.白天彩色/夜晚黑白模式(Day/NightMode)

这种类型又称为D/N日夜模式,它是利用电子机械原理来发挥作用,此种摄像机在市场上渐渐成为主流。一般日夜型摄像机的低照度性能以彩色0.01Lux及ICRON黑白时0.001~0.0001Lux的模式来标示,有些标示以0Lux表示,但是这样的标示基本没有任何意义,因此在应用于低光夜视情况下的日夜监控时必须特别说明。此种摄像机利用黑白图像对红外线高感度的特点,在特定的光线条件下,利用电子机械线路来切换滤光片ICRCUT或直接切换为黑白信号,即在感应红外线后将图像由彩色转为黑白模式。而在彩色/黑白线路转换的过程中,因为滤除了红外光,使得画面成像焦点产生变化,故必须搭配IR镜头,使日夜成像焦距保持在同一成像点,以避免图像焦距模糊及色彩表现不正确等缺点,虽然此类型摄像机已成为采用主流,但额外搭配红外IR滤光镜头让成本增加这一点是较令工程商诟病的,且严格来说,此模式是主流机型但却不是最理想的低照与夜视应用方式。

3.红外线辅助照明模式(IR Illumination Mode)

此类型又称红外线摄像机(IR Camera),是目前除了日夜转换摄像机以外,算是最好的一种低照度与夜视应用,此类型还可分为摄像机内置IR红外线LED灯及外挂IR红外线辅助投射灯两种。因为CCD及CMOS Sensor感光组件可以感应大部分可见光及红外线光谱范围,故可在夜间无可见光照明的情况下,辅助红外灯照明可以使图像Sensor感应到更清晰的图像。同时,摄像机的感光组件在黑白模式下比彩色模式下具有更高的光感灵敏度,可在黑暗的环境中撷取到更清晰的图像,所以在红外线投射灯的辅助照明下,可做到0Lux环境条件下的监控应用。此外透过光敏电阻的自动点灭装置,还可选择搭配黑白或日夜型摄像机以增加低照与夜视的监控应用能力。

4.DSS慢速快门模式(Digital Slow Shutter)

这是一种利用DSS电子低速快门,让光线大量通过镜头光圈快门累积出较高的画面照度效果,也被称为光或帧累积方式。这类帧累积型摄像机,利用慢快门技术,将因光线不足而较显模糊的画面累积起来,形成一个图像清晰的画面。在光圈为f1.2-1.4的前提下,画面能累积足够的照度帧数,此技术可降低摄像机照度至10-4Lux。有过去专家提及这是一种笨拙但却可靠的低光应用技术,但要注意,这种技术只适用于固定式不动的摄像机采用,且需求环境光线变化是恒定状态,否则容易导致画面拖影、延时现象,这是一种常常被用于禁止使用红外线或投射灯的静态监控场所,如石化厂、监狱等。

结语

对低光型摄像机而言,改善摄像机的灵敏度和动态范围仍然是现阶段厂商努力的目标,监控的环境一直在改变也一直都对摄像机光线照度充满了挑战,因此低光型摄像机在像能上也不是就此而止,而是绝对充满了更加先进的夜视应用契机。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (5/23/2014)
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