監(jiān)控?cái)z像機(jī)及彩色黑白轉(zhuǎn)換兩用簡析

隨著視頻監(jiān)控在民用領(lǐng)域的使用越來越廣泛，應(yīng)用的環(huán)境也越來越復(fù)雜，其中一個(gè)最重要的應(yīng)用要求就是24小時(shí)不間斷監(jiān)控。由于彩色成像一般需要較高的亮度，而實(shí)際環(huán)境不一定能夠滿足這個(gè)要求，所以攝像機(jī)低照度技術(shù)(也叫夜視技術(shù))就相應(yīng)地出現(xiàn)了。由于監(jiān)控需求不同，因此也就出現(xiàn)了不同的應(yīng)用技術(shù)。

　　由于成本和特殊材料等的原因，目前廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)的人眼夜視技術(shù)并沒有被大量移植到民用監(jiān)控領(lǐng)域，所以目前民用監(jiān)控產(chǎn)品中使用的通常有這樣幾種技術(shù)：高靈敏度材料、數(shù)字慢快門技術(shù)、彩轉(zhuǎn)黑技術(shù)、被動(dòng)紅外成像技術(shù)等等，因?yàn)楸O(jiān)控要求和應(yīng)用場合的不同，所以在實(shí)際應(yīng)用中就出現(xiàn)了不同的應(yīng)用市場。

　　高靈敏度材料

　　使用高靈敏度材料，包括使用高靈敏度光感應(yīng)材料，超高信噪比信號分析處理器件，信號處理增加一些特殊處理技術(shù)等等，以此來提高對光線較低情況下圖像采集的還原效果，但是由于成本及考慮體積等方面的原因，這個(gè)雖然是最好的方案卻仍然很難在短時(shí)間內(nèi)被廣泛應(yīng)用。

　　目前針對CCD感光元件而言，提高感光度主要通過兩種方法。由于通過物理方式增大感光面積，受設(shè)備體積限制無法實(shí)現(xiàn)，因此其一是在元件每一感光二極管上(單一像素)裝置微小鏡片變相增大感光面積的方式來獲得感光度的提升，變得行之有效。這個(gè)設(shè)計(jì)就像是幫CCD掛上眼鏡一樣，但是CCD經(jīng)過 35年的發(fā)展，這種技術(shù)提升的空間也已相當(dāng)有限。其二，就是通過特定的信號增強(qiáng)電路，根據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)算來獲得合理的曝光，但這樣通常會因?yàn)镃CD快速感光引起像素感光不均而形成噪點(diǎn)，這時(shí)拍攝出的畫面顆粒感會較為明顯。此時(shí)又不得不采取辦法來平衡高感光度和高畫質(zhì)之間的矛盾，從而勢必又帶來更高的成本投入。

　　數(shù)字慢快門技術(shù)

　　數(shù)字慢快門技術(shù)(digitalslowshuttle)，實(shí)際上它并不是一種快門，只是它的功能在某種程度上類似于快門而已，快門(shuttle)和光圈(IRIS)都是攝像機(jī)上控制光線通過鏡頭，達(dá)到光捕捉效果的一個(gè)部件。也可以這樣理解，光圈是光線通過鏡頭時(shí)能夠進(jìn)入的一個(gè)孔，孔的大小就是光圈的大小，孔越大，相同情況下通過的光就越多，而快門是掌握光圈開關(guān)的部分，控制光圈是處于一直開啟狀態(tài)還是按照一定時(shí)間間隔定時(shí)開關(guān)。

　　我們知道，根據(jù)人眼的視覺暫留特性，為了確保看到的圖像是連續(xù)的，PAL制電視信號的標(biāo)準(zhǔn)是 25幀/秒隔行掃描，就是說，每一秒種經(jīng)過我們眼前的圖像實(shí)際是由25個(gè)畫面構(gòu)成的連續(xù)畫面，在拍攝目標(biāo)的時(shí)候，每隔1/25秒，一個(gè)點(diǎn)才能夠被掃描到一次，因?yàn)槭歉粜袙呙?，?個(gè)場才能構(gòu)成一個(gè)幀，所以每1秒鐘，PAL制的圖像是50場，1場的時(shí)間就是快門的間隔，每一秒鐘，快門必須要工作50次，才能確保輸出的圖像是50場/秒的PAL制圖像，所以PAL制的最低快門速度是1/50秒(此時(shí)光圈實(shí)際上是一直打開的)，實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)榄h(huán)境中光線可能會很強(qiáng)，這個(gè)時(shí)候可能會需要控制進(jìn)光量，就需要控制快門速度，速度越快時(shí)，光線能夠進(jìn)入的時(shí)間就越少，進(jìn)光量就越少，相對來說，圖像就會顯得比較暗，反之快門速度越慢，圖像就會越亮，當(dāng)光線照度不足時(shí)，即使使用1/50秒圖像仍然不夠亮，這就需要運(yùn)用其他技術(shù)了。根據(jù)光學(xué)理論，光是可以疊加的，雖然在很暗的環(huán)境下每個(gè)點(diǎn)要1/25秒后才能被掃描到1次，被掃描的時(shí)間也非常短，其亮度非常弱，如果把前后一段時(shí)間內(nèi)該點(diǎn)的亮度都保存并疊加后再輸出的話，這個(gè)點(diǎn)就可以變亮了。所以數(shù)字慢快門的技術(shù)原理就是按照要求把相應(yīng)一段時(shí)間內(nèi)的多個(gè)影像疊加后再輸出，以此來提高信號強(qiáng)度。

　　這種技術(shù)因?yàn)椴恍枰獙ν獠凯h(huán)境進(jìn)行任何變化，所以在滿足監(jiān)控要求的條件下可以說是最理想的方案，但是這種技術(shù)實(shí)際上能夠應(yīng)用的范圍是非常窄的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)逐點(diǎn)累加的前提是同一個(gè)點(diǎn)不同時(shí)間的亮度累加，而一旦拍攝的物體發(fā)生變化或者移動(dòng)的時(shí)候，前后兩個(gè)時(shí)間在一起累加的可能并不是同一個(gè)像素點(diǎn)，這樣在整體圖像上移動(dòng)物體就會出現(xiàn)“拖影”現(xiàn)象，如果物體移動(dòng)過快而幀累積時(shí)間過長的話，移動(dòng)物體甚至?xí)兂商撚?。所以，幀累積技術(shù)一般應(yīng)用于在弱光環(huán)境中監(jiān)控靜止的場景。彩色轉(zhuǎn)黑白技術(shù)

　　在光線不夠的時(shí)候?qū)D像切換為黑白圖像，去掉色載波和色同步干擾，并且將AGC加大，在一定程度上能夠提高低可視光環(huán)境下的圖像質(zhì)量，但是這種方案能夠解決的也只是部分非常特殊的環(huán)境，不能解決弱光環(huán)境，而且能夠提升的圖像質(zhì)量也非常有限，一般此技術(shù)都要和其他技術(shù)配合使用。

　　在一定的光源條件，利用線路切換的方式將圖像由彩色轉(zhuǎn)為黑白。在彩色/黑白線路轉(zhuǎn)換的技術(shù)演進(jìn)過程中，早期曾采用2顆感光元件 Sensor(1顆彩色、1顆黑白)共用一組電路再行切換，目前此類攝像機(jī)已采用單一CCD(彩色)設(shè)計(jì)，在白天或光源充足時(shí)為彩色攝像機(jī)，當(dāng)夜晚降臨或光源不足時(shí)(一般在1LUX?3LUX)即利用數(shù)字電路將彩色信號消除掉，成為黑白圖像，此種作法雖可在夜晚達(dá)到“低照度”的目的，白天卻有圖像模糊，色彩不自然的缺點(diǎn)。

　　被動(dòng)紅外成像技術(shù)

　　被動(dòng)紅外成像技術(shù)的應(yīng)用前提是光捕捉器件除了要能采集可見光信號以外，還要能夠采集到紅外信號，并且信號處理能夠?qū)⒃t外信號處理成灰度信號(就說常說的黑白信號)。黑白攝像機(jī)都能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能并且靈敏度非常高。目前所有基于數(shù)字處理技術(shù)的攝像機(jī)也都能夠完成這個(gè)工作，但是由于還有可見光環(huán)境下的彩色成像，矛盾也開始出現(xiàn)了。在處理彩色信號的時(shí)候，因?yàn)镈SP處理都需要將視頻信號分離成灰度信號和色度(或者色差)信號進(jìn)行分別處理，而紅外信號本身是人眼不可見的，但是在光捕捉器采集和DSP處理之后已經(jīng)變成了人眼可以識別的灰度信號，兩個(gè)灰度信號(可見光和紅外光的)進(jìn)行疊加，必然會使圖像在進(jìn)行灰度和色度合成的時(shí)候無法按照理想的情況進(jìn)行合成，這將會造成圖像的灰度和色度失真，最典型的例子就是如果紅外光過強(qiáng)，會使得整個(gè)圖像發(fā)灰。目前關(guān)于被動(dòng)紅外成像在視頻監(jiān)控中的主要方案有以下四種：

　　1、純彩色攝像機(jī)，這種方案是阻止被動(dòng)紅外成像，也就是避免紅外線進(jìn)入，其使用光低通濾波器(OPLF：OpticalLowFilter，即通常所說的低通濾光片，圖1為其光通率與波長的關(guān)系，可以看出其基本不吸收和反射可見光，但基本完全隔離紅外光)直接將紅外線擋住，這樣圖像會基本不受紅外信號的影響。這樣做的目的是避免使用紅外成像。

　　2、完全不管紅外信號對圖像彩色情況下的影響使用可大量通過紅外線的濾色片，這是一種低成本的方案，在被動(dòng)紅外成像方面的效果也比較好，但是很容易出現(xiàn)上面說的在彩色模式下的色度和灰度失真問題。

　　3、只讓特定紅外光比如850nm通過，其他大部分紅外光不能通過，這就是單濾光片感應(yīng)紅外型攝像機(jī)的原理，其主要技術(shù)依據(jù)是采用了不同于彩色攝像機(jī)的濾色片技術(shù)。

　　這樣的方案可以在一定程度上解決彩色偏色的問題，并且也能夠使用在沒有可見光而使用紅外成像的場合。但是這個(gè)方案也存在一些問題，在日光充足的時(shí)候，紅外信號非常豐富，會造成圖像顏色和灰度失真。而在使用紅外成像的時(shí)候，也因?yàn)橹挥袠O窄頻率的紅外光能夠通過而使成像并不敏感，所以這類攝像機(jī)一般使用在室內(nèi)30米直徑以內(nèi)的區(qū)域。

　　4、在可見光較強(qiáng)的時(shí)候采用OPLF，將大部分紅外光擋住，確保其顏色還原和灰度信號的真實(shí)，而在可見光較弱的時(shí)候不使用OPLF，而使用可以使絕大部分可見光和紅外光都可以通過的高通濾波器，因?yàn)橹饕揽考t外光成像，是灰度信號，所以這個(gè)時(shí)候一般都會把彩色成分去掉，只保留灰度信號，所以看到的就只是灰度圖像即我們所說的黑白圖像。

　　這種方案實(shí)際上結(jié)合了彩色攝像機(jī)在可見光較好情況下的優(yōu)點(diǎn)和黑白攝像機(jī)在低照度下的優(yōu)點(diǎn)，可以說是目前解決全天候、光線變化很大的環(huán)境下監(jiān)控的最佳方案。在自然光線下真實(shí)的顏色還原和無可見光下高靈敏的被動(dòng)紅外成像，其靜態(tài)效果甚至能夠和某些采用同樣技術(shù)并加入4倍DSS感光技術(shù)的一體機(jī)媲美。

　　雖然使用被動(dòng)紅外成像能夠較好地解決無可視光和監(jiān)控之間的矛盾，但是因?yàn)榧t外線和可見光的光學(xué)差異，其中也有一些需要解決的問題，光學(xué)主要介質(zhì)玻璃對兩種光波的折射率不同會造成光學(xué)組件的焦距不同，所以很容易使聚焦出現(xiàn)問題，不過這些問題已經(jīng)在不斷的使用和改進(jìn)中得到相應(yīng)的解決。隨著被動(dòng)紅外成像技術(shù)的不斷成熟和廣泛應(yīng)用，使得監(jiān)控效能大大提高，人們的生活將會得到更加可靠的保障。