超低照度攝像機的技術發(fā)展之路

近幾年，前端攝像機市場的競爭已經白熱化，如何在這片紅海中樹立起自己的航標?以當前的市場格局來看，用戶需求的細分化程度越來越深入，“超低照度”、“寬動態(tài)”、“智能透霧”等等這些從前只在高端產品中出現(xiàn)的名詞，如今已滲透到各個應用領域。特別是超低照度攝像機，如今大多數(shù)生產廠家都已推出各具特色的不同價位的低照度攝像機，下面我們就從超低照度的技術發(fā)展路線和相關注意要點來逐步分析探討。

一、“超低照度”到底是什么?

根據(jù)標準化的定義，目前安防行業(yè)將前端攝像機分為四個等級：普通級攝像機，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，一般被稱為低照度攝像機;而被稱為月光級的攝像機，其照度范圍均在0.01Lux至0.001Lux;當照度范圍達到并超過了0.0001Lux的時候，便達到了“星光級”的超低照度攝像機。

上面的數(shù)值雖然一直以來都被用作衡量攝像機產品是否是低照度的標準，但是僅以此視作低照度產品的標桿，是完全不夠的，也是不負責任的一種表現(xiàn)。

那么，我們所說的“超低照度”到底是什么呢?根據(jù)無線電工程學會(IEEE)給出的標準定義：在廣播級視頻電平中，任何視頻信號在播放時的亮度電平都不能超過100IRE。當視頻輸出電平的振幅低于原始振幅的30%時，視頻信號提供的圖像將視為不可用。

上面的這個描述或許有點復雜，讓我們將其還原應用至“超低照度”攝像機上面來：以星光級產品為例，如若在0.001Lux的情況下，通過攝像機自帶(需攝像機內置的圖像處理器DSP支持)的AGC(自動增益控制)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驗室內的圖像表現(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點亮光，其它幾乎不可視，這是完全沒能達到“可用”標準。因此，在照度描述下標注IRE值是一個安防生產商對自身產品質量的信心體現(xiàn)，也是對客戶負責任的體現(xiàn)。

圖1

加上了IRE標注的低照度產品就能視為可信嗎?回答依然是否定的，因為“光”的開口還被另一個器件——鏡頭把關著。

鏡頭的光圈大小，即f值的大小直接決定了產品的價格。光圈越大，f值越小，價格越高;反之亦然。一個需要鏡頭光圈f=0.9開口的星光級攝像機與一個需要鏡頭光圈f=1.2開口的星光級攝像機，你會選擇哪個產品?這個問題或許不好回答，但如果我們換種方式提問：一個價格2萬多元的星光級攝像機與一個價格只需要兩千元左右的攝像機，兩者功能無差異，只有鏡頭不同，大多數(shù)客戶都會選擇后者。

因此，本著“用戶至上，誠信為本”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，照度達到0.001Lux和0.0001Lux的攝像機叫做“月光級”和“星光級”攝像機，也只有這兩類產品才屬于“超低照度”攝像機的行列。以迅通的超低照度百萬像素寬動態(tài)高清網(wǎng)絡半球(月光級產品)為例，在同樣的幾乎無光的實驗室內，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、實現(xiàn)超低照度的技術與方法

不同的傳感器(尤指CCD與CMOS)，由于其構造的差異，有著截然不同的方法實現(xiàn)“超低照度”。下面我們將分成兩部分來對其進行論述。

1、CCD的超低照度之路

一塊CCD傳感器即是一個感光面，但其光感性能卻是由每個像素位的光感性能綜合決定的。以經典的Sony HAD系列CCD傳感器為例，在HAD系列傳感器誕生之前，受限于當時電子制造業(yè)水平，CCD的光感性能在一段時間內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：通過在每個像素點上安裝經過形狀優(yōu)化設計的鍍膜微小鏡片，以保證光線準確到達傳感器底部的基層板上，從而達到提高光利用率，使畫面更清晰，照度更低。簡而言之，Super HAD技術就是一個放在傳感器前面的高效率放大鏡，把光正確的引導至每個微小的像素孔里面，把原本灰暗的部分給點掃滅了。有了Super HAD技術的支撐，各大廠商紛紛推出了低照度攝像機產品，即在f=1.2的情況下，在光照強度不足0.1 Lux的環(huán)境中，輸出圖像依然能達到或超過30%IRE。

然而真正的“超低照度”攝像機產品是從第二代Super HAD傳感器之后才誕生的。把像素孔的孔內高度降低，增大每個像素孔的開口，再換個加大號的且經過光學優(yōu)化的放大鏡。經此設計調整，傳感器的感光效率提高了136%，而使用該款傳感器的攝像機也能達到星光級標準，即在f=1.2的情況下，在光照強度不足0.0001 Lux的環(huán)境中，輸出圖像依然能達到或超過30%IRE。

2、CMOS的超低照度之旅

受限于制造工藝與組成結構的問題，CMOS傳感器的超低照度之旅著實要比它的競爭對手CCD來得困難。CMOS又叫互補金屬氧化物半導體，是一種集成了感光器件與模數(shù)轉換器的以低電壓驅動的圖像傳感器。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。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)展的各個時期。根據(jù)市場研究公司In-Stat/MDR的統(tǒng)計結果，圖像傳感器的次級市場年成長率高達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，而非各像素點的入射光強度。這個特性對于科研人員來說，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)，首先得在動斧子之前找到那根頭發(fā)，還得祈禱斧子下去時不要把頭發(fā)給吹走。

有了方向，對應的方法就很簡單了。斧頭劈不開，那就換個可以倒立的木樁，如圖3;斧子劈不到中心，那就找個小點的“樹皮”薄點的木樁，如圖4。通過如此舉措，CMOS傳感器成了“高性能”“低價格”的代名詞，也逐步被市場認同和接受。

圖3

圖4

三、超低照度的應用及注意要點

超低照度攝像機的設備穩(wěn)定性遠高于紅外補光攝像機。受到紅外補光電路的電磁以及紅外燈的發(fā)熱影響，在高溫或長時間工作時，紅外補光攝像機經常會出現(xiàn)成像質量變差、紅外切換失靈等一系列問題。也是因為如此，絕大部分的卡口攝像機都需要將補光配件分離出來，以保證系統(tǒng)長時間工作的整體穩(wěn)定性。

低照度攝像機是符合低碳環(huán)保的綠色發(fā)展主題的。以迅通的網(wǎng)絡攝像機設計規(guī)范為例，一個使用CMOS傳感器的超低照度高清槍型攝像機的額定設計功耗為5W左右，而一個使用CMOS傳感器的紅外補光高清槍型攝像機的額定設計功率通常達到了9W。這樣算起來，可能幾個攝像機所節(jié)省的功耗效果不太明顯，但如果遇到大型視頻監(jiān)控項目，特別是近幾年平安城市項目所承載的監(jiān)控點越來越多，有些甚至達到幾萬個監(jiān)控點，如果按1000個監(jiān)控點，1年的運作時間計算，將可為監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)約能耗約3.5萬多千瓦時。

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

結語

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