星光級低照度攝像機的研究與應用

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

　　1、紅外熱成像

　　紅外熱成像原理并不神秘，從物理學原理分析，人體就是一個自然的生物紅外輻射源，能夠不斷向周圍發(fā)射和吸收紅外輻射。紅外熱成像技術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格比較昂貴，只能應到一些特殊領域，如數字化軍隊等。

　　圖1 紅外熱成像效果圖

2、主動紅外

　　目前市場上對于低照要求非常高的環(huán)境下，基本都是采用主動紅外攝像機，就是在夜視狀態(tài)下，紅外燈會發(fā)出肉眼看不到的紅外光線去照亮被拍攝的物體，紅外線經物體反射后進入圖像傳感器進行成像，這時我們所看到的是由紅外線反射所成的影像，而不是可見光反射所成的影像，這樣就可以拍攝到黑暗環(huán)境下肉眼看不到的物體，但這種成像方式會有以下幾個問題：

　　(1)反射光應用的局限性。如果監(jiān)控環(huán)境比較空曠，紅外光沒有可反射的物體，這時的圖像是全黑的，顯示效果不好。如果監(jiān)控環(huán)境比較復雜，存在多層次景物，則前景會把紅外光反射了，后景就會看不到。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(jiān)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。目前紅外燈的標稱壽命為5萬小時-10萬小時不等，但實際應用中還要短一些，發(fā)熱過高、功率過大是現階段應用普遍存在的問題[2]。如果要求紅外距離越遠，則功率越大，同時熱量就越大，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，產品發(fā)熱量也越來越大，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。這也是主動紅外攝像機所存在的最主要的問題。

圖2 主動紅外攝像機及成像效果圖

3、幀累積

　　幀累積攝像機，是通過延長曝光時間來提升圖像畫面亮度，這樣的攝像機打開慢快門功能時，輸出的圖像不是實時圖像，只要攝像機的快門慢到4倍以上，在監(jiān)視器上就可以看到比較明顯的圖像拖影。慢快門攝像機不是通過機器的硬件性能來提升圖像效果，而是通過犧牲圖像的實時性，來提升低光照場合下的圖像清晰度。但是對于監(jiān)控而言，重要的恰恰在于清晰、連貫、實時的圖像，因此幀累積慢快門攝像機常常被用于對靜態(tài)事物的監(jiān)視，而不建議用在非靜態(tài)應用。

　　4、更先進的技術

　　低照度攝像機提升效果最合理的做法，是用硬件來提升產品性能，例如通過在傳感器、ISP方面的努力，最大限度的利用環(huán)境光，實打實地提升低照度效果。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)采用國際最先進的圖像傳感器設計技術，不僅體積小、速度快、功耗低，并且具有高靈敏度、高信噪比、高動態(tài)范圍等特點，加之以獨有的ISP前端圖像處理技術，進行圖像的精確還原和大幅增強，使攝像機在低照度環(huán)境下的視覺表現達到全球領先水平。

　　二、ULLS超微光感知技術的實現

　　不同的設備商，其星光級低照度成像處理技術會有不同，本文著重介紹來自北京某知名廠商自主研發(fā)的超微光視覺感知技術，其整合了BSI圖像傳感器設計技術及ISP前端成像處理技術，通過最底層的光線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

　　進入高清時代以來，隨著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行翻轉，因此傳感器可以通過原本是在底層的硅基板來收集光線。這種方法與傳統(tǒng)的FSI傳感器不同，在FSI傳感器上，到達感光區(qū)的光線在某種程度上被傳感器中進行光電轉換的金屬線和電介質層所限制。FSI方法會阻礙光線到達像素或使光線偏離像素，最終降低填充系數，并帶來像素之間串擾等問題。BSI則將金屬線和電介質層移到傳感器陣列的下方，為光線提供了到達像素最直接的通道，優(yōu)化了光線吸收[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，包括每單位區(qū)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，從而顯著改進色彩和光電性能。

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——3D數字降噪

　　攝像機在低光條件下運行，不可避免的會出現固定的或隨機的傳感器噪聲，且每一幀圖像所產生的噪聲是不相同的。若噪聲過多則會使圖像模糊不清。傳統(tǒng)的2D降噪技術屬于幀內降噪方式，在消除動態(tài)噪聲方面效果有限。3D數字降噪是在幀內降噪的基礎上，通過對比相鄰幾幀圖像將噪聲自動濾除處理掉，從而顯示出比較清晰細膩的圖像。星光級低照度成像技術再通過幀間預測方法，依據圖像噪聲的分布統(tǒng)計規(guī)律，在空間二維和時間一維上同時進行估計、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(jié)得到更好的辨識。除此之外，在面對明暗反差過大的場景時，3D數字降噪還可有效提高寬動態(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——3A成像控制

　　3A成像控制指自動曝光控制(AE)、自動聚焦控制(AF)、自動白平衡控制(AWB)。自動曝光控制能夠自動調節(jié)圖像的亮度，自動聚焦控制通過調整聚焦鏡頭的位置獲得最高的圖像頻率成分，自動白平衡對不同光線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至關重要的影響。星光級低照度成像技術基于微分圖像分析的3A成像控制算法，具有統(tǒng)計準確、反應迅速、調節(jié)平滑等特點，無論是在清晨還是黃昏，抑或是光線復雜的夜間環(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(jiān)控效果。

　　三、低照度技術的應用瓶頸

　　1、價格因素

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

　　其一，低照度攝像機器件品質選擇要比普通攝像機高，還會應用一些獨特的技術來進一步提升低照度性能，而且在產品設計上，要有專門的低照度電路，因此低照度攝像機的成本較高。

　　其二，其他監(jiān)控攝像機對低照度產品也有一定的影響，如紅外一體機。實際上這兩種產品是互相補充的關系。而一般地，紅外一體機的價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合，用戶又沒有專門要求時，如果預算不足，用戶往往會更傾向于采用價格更低廉的紅外一體機產品。

　　2、市場需求

　　據統(tǒng)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，隨著星光級低照度攝像機的不斷發(fā)展日趨成熟，行業(yè)客戶已開始逐漸認識到夜間監(jiān)控效果的重要性，但受價格、應用領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的認知，在性價比方面存在較大的偏見。相當比例的客戶仍堅信，要求攝像機24小時保持高品質監(jiān)控的場合并不多，普通攝像機就能滿足大多數應用領域的監(jiān)控需求。從而導致了市場需求的滯后，低照度攝像機仍然不是市場主流。由此可見，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(ULLS)在公共安全領域的應用

　　基于ULLS(Ultra Low-Light Sensitivity)超微光感知技術的社會安全管理物聯網應用系統(tǒng)響應了社會管理創(chuàng)新和和諧社會構建的國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，旨在提升城市綜合管理水平和社會治安防控能力。該系統(tǒng)基于物聯網系統(tǒng)三層架構的前端視頻感知和后端信息處理領域進行創(chuàng)新研發(fā)，集軟件技術、微電子技術、計算機及網絡技術、廣播電視技術等多種高新技術為一體的大型、綜合、復雜的應用系統(tǒng)，實現了多信息系統(tǒng)、多技術的融合。

　　該系統(tǒng)的技術創(chuàng)新和領先優(yōu)勢在于：集專為星光級系列產品打造的百萬像素傳感器、最新的高性能ARM處理器、嵌入式LINUX操作系統(tǒng)于一體，展現出特有的、全球領先的ULLS超微光感知性能，能夠在極低照度的監(jiān)控環(huán)境中(可達0.001Lux)，清晰呈現彩色圖像，完全超越人類視覺極限。同時，配以3A成像控制技術和3D數字降噪技術，使得監(jiān)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，并且徹底消除動態(tài)圖像噪點。公司特有的上述核心技術目前居于國際領先的地位，有效解決了當前在平安城市、智能交通等社會安全管理物聯網應用領域中所遇到的夜間或復雜光線環(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(tǒng)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量效果，真正實現海量存儲視頻資料并提高磁盤使用壽命，有效降低了客戶的投入成本。同時，通過對物體進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)客戶需求進行量身定制開發(fā)。為維護社會秩序、打擊暴力恐怖襲擊，促進社會和諧、推進社會管理創(chuàng)新、實現黨和國家長治久安起到積極推動的作用。