超低照度攝像機(jī)的技術(shù)發(fā)展之路

近幾年，前端攝像機(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)白熱化，如何在這片紅海中樹立起自己的航標(biāo)?以當(dāng)前的市場(chǎng)格局來看，用戶需求的細(xì)分化程度越來越深入，“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(xiàn)的名詞，如今已滲透到各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。特別是超低照度攝像機(jī)，如今大多數(shù)生產(chǎn)廠家都已推出各具特色的不同價(jià)位的低照度攝像機(jī)，下面我們就從超低照度的技術(shù)發(fā)展路線和相關(guān)注意要點(diǎn)來逐步分析探討。

一、“超低照度”到底是什么?

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的定義，目前安防行業(yè)將前端攝像機(jī)分為四個(gè)等級(jí)：普通級(jí)攝像機(jī)，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(jī)，一般被稱為低照度攝像機(jī);而被稱為月光級(jí)的攝像機(jī)，其照度范圍均在0.01Lux至0.001Lux;當(dāng)照度范圍達(dá)到并超過了0.0001Lux的時(shí)候，便達(dá)到了“星光級(jí)”的超低照度攝像機(jī)。

上面的數(shù)值雖然一直以來都被用作衡量攝像機(jī)產(chǎn)品是否是低照度的標(biāo)準(zhǔn)，但是僅以此視作低照度產(chǎn)品的標(biāo)桿，是完全不夠的，也是不負(fù)責(zé)任的一種表現(xiàn)。

那么，我們所說的“超低照度”到底是什么呢?根據(jù)無線電工程學(xué)會(huì)(IEEE)給出的標(biāo)準(zhǔn)定義：在廣播級(jí)視頻電平中，任何視頻信號(hào)在播放時(shí)的亮度電平都不能超過100IRE。當(dāng)視頻輸出電平的振幅低于原始振幅的30%時(shí)，視頻信號(hào)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(fù)雜，讓我們將其還原應(yīng)用至“超低照度”攝像機(jī)上面來：以星光級(jí)產(chǎn)品為例，如若在0.001Lux的情況下，通過攝像機(jī)自帶(需攝像機(jī)內(nèi)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，拍攝到基本無光的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的圖像表現(xiàn)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，這是完全沒能達(dá)到“可用”標(biāo)準(zhǔn)。因此，在照度描述下標(biāo)注IRE值是一個(gè)安防生產(chǎn)商對(duì)自身產(chǎn)品質(zhì)量的信心體現(xiàn)，也是對(duì)客戶負(fù)責(zé)任的體現(xiàn)。

圖1

加上了IRE標(biāo)注的低照度產(chǎn)品就能視為可信嗎?回答依然是否定的，因?yàn)椤肮狻钡拈_口還被另一個(gè)器件——鏡頭把關(guān)著。

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開口的星光級(jí)攝像機(jī)與一個(gè)需要鏡頭光圈f=1.2開口的星光級(jí)攝像機(jī)，你會(huì)選擇哪個(gè)產(chǎn)品?這個(gè)問題或許不好回答，但如果我們換種方式提問：一個(gè)價(jià)格2萬多元的星光級(jí)攝像機(jī)與一個(gè)價(jià)格只需要兩千元左右的攝像機(jī)，兩者功能無差異，只有鏡頭不同，大多數(shù)客戶都會(huì)選擇后者。

因此，本著“用戶至上，誠(chéng)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(dá)到0.001Lux和0.0001Lux的攝像機(jī)叫做“月光級(jí)”和“星光級(jí)”攝像機(jī)，也只有這兩類產(chǎn)品才屬于“超低照度”攝像機(jī)的行列。以迅通的超低照度百萬像素寬動(dòng)態(tài)高清網(wǎng)絡(luò)半球(月光級(jí)產(chǎn)品)為例，在同樣的幾乎無光的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，其圖像表現(xiàn)如圖2，我們能夠捕捉到無光環(huán)境下的物品放置位置及亮光的存在。

圖2

二、實(shí)現(xiàn)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(gòu)造的差異，有著截然不同的方法實(shí)現(xiàn)“超低照度”。下面我們將分成兩部分來對(duì)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(dāng)時(shí)電子制造業(yè)水平，CCD的光感性能在一段時(shí)間內(nèi)遭遇了難以逾越的物理屏障。

如何在越來越小的傳感器上得到質(zhì)量良好的成像與低照度表現(xiàn)，第一代Super HAD傳感器給出了答案：通過在每個(gè)像素點(diǎn)上安裝經(jīng)過形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的鍍膜微小鏡片，以保證光線準(zhǔn)確到達(dá)傳感器底部的基層板上，從而達(dá)到提高光利用率，使畫面更清晰，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(dǎo)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，各大廠商紛紛推出了低照度攝像機(jī)產(chǎn)品，即在f=1.2的情況下，在光照強(qiáng)度不足0.1 Lux的環(huán)境中，輸出圖像依然能達(dá)到或超過30%IRE。

然而真正的“超低照度”攝像機(jī)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(nèi)高度降低，增大每個(gè)像素孔的開口，再換個(gè)加大號(hào)的且經(jīng)過光學(xué)優(yōu)化的放大鏡。經(jīng)此設(shè)計(jì)調(diào)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(jī)也能達(dá)到星光級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即在f=1.2的情況下，在光照強(qiáng)度不足0.0001 Lux的環(huán)境中，輸出圖像依然能達(dá)到或超過30%IRE。

2、CMOS的超低照度之旅

受限于制造工藝與組成結(jié)構(gòu)的問題，CMOS傳感器的超低照度之旅著實(shí)要比它的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手CCD來得困難。CMOS又叫互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，是一種集成了感光器件與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的以低電壓驅(qū)動(dòng)的圖像傳感器。在其誕生之初，別說低照度了，就是在正常光照下，其畫面輸出效果都讓人汗顏。

然而，經(jīng)過三十多年的發(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、千萬像素、背照式、堆棧式等新名詞出現(xiàn)在了CMOS發(fā)展的各個(gè)時(shí)期。根據(jù)市場(chǎng)研究公司In-Stat/MDR的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖像傳感器的次級(jí)市場(chǎng)年成長(zhǎng)率高達(dá)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(duì)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(qiáng)度。這個(gè)特性對(duì)于科研人員來說，就如同要其去用斧子去劈一塊木樁與一根頭發(fā)的區(qū)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(duì)應(yīng)的方法就很簡(jiǎn)單了。斧頭劈不開，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“樹皮”薄點(diǎn)的木樁，如圖4。通過如此舉措，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(rèn)同和接受。

圖3

圖4

三、超低照度的應(yīng)用及注意要點(diǎn)

超低照度攝像機(jī)的設(shè)備穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于紅外補(bǔ)光攝像機(jī)。受到紅外補(bǔ)光電路的電磁以及紅外燈的發(fā)熱影響，在高溫或長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，紅外補(bǔ)光攝像機(jī)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)成像質(zhì)量變差、紅外切換失靈等一系列問題。也是因?yàn)槿绱?，絕大部分的卡口攝像機(jī)都需要將補(bǔ)光配件分離出來，以保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作的整體穩(wěn)定性。

低照度攝像機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范為例，一個(gè)使用CMOS傳感器的超低照度高清槍型攝像機(jī)的額定設(shè)計(jì)功耗為5W左右，而一個(gè)使用CMOS傳感器的紅外補(bǔ)光高清槍型攝像機(jī)的額定設(shè)計(jì)功率通常達(dá)到了9W。這樣算起來，可能幾個(gè)攝像機(jī)所節(jié)省的功耗效果不太明顯，但如果遇到大型視頻監(jiān)控項(xiàng)目，特別是近幾年平安城市項(xiàng)目所承載的監(jiān)控點(diǎn)越來越多，有些甚至達(dá)到幾萬個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，如果按1000個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，1年的運(yùn)作時(shí)間計(jì)算，將可為監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)約能耗約3.5萬多千瓦時(shí)。

超低照度攝像機(jī)在使用上與其他攝像機(jī)產(chǎn)品沒有太大的不同，所以它一上市便成了市場(chǎng)中的寵兒。越來越多的項(xiàng)目、工程都將其部署在重要區(qū)域，其中尤以醫(yī)院、銀行、智能樓宇等對(duì)人的視覺感知影響較大且長(zhǎng)期處于弱光環(huán)境下的重點(diǎn)、敏感區(qū)域。

結(jié)語

超低照度攝像機(jī)的發(fā)展是得到市場(chǎng)認(rèn)同的。產(chǎn)品不論從功能、效果、穩(wěn)定性，還是從產(chǎn)品的易用性、人性關(guān)懷指數(shù)甚至環(huán)保指數(shù)等，都較大幅度的領(lǐng)先于傳統(tǒng)攝像機(jī)產(chǎn)品。從目前市場(chǎng)上的售價(jià)來看，超低照度攝像機(jī)只略高于傳統(tǒng)攝像機(jī)，與紅外補(bǔ)光產(chǎn)品顯持平的態(tài)勢(shì)，而這種態(tài)勢(shì)將隨著產(chǎn)品的規(guī)?；慨a(chǎn)而價(jià)格逐步被拉低。相信將來將會(huì)有更優(yōu)秀更智能更人性化的超低照度攝像機(jī)涌現(xiàn)，在“平安城市”、平安校園、道路監(jiān)控、金融等重要領(lǐng)域中大顯身手。