剖析低照度攝像機(jī)技術(shù):選擇紅外還是超低照度？

一?低照度攝像機(jī)的定義、發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

關(guān)于最低照度的標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有嚴(yán)格的定義，照度能低到多少，不僅要看鏡頭的光圈大小(F值)，還要看在什么條件限制下才能出現(xiàn)所標(biāo)示的LUX值。所以，比較最低照度應(yīng)是在相同條件下的比較和測(cè)試才最為科學(xué)和合理，關(guān)于最低照度我們可以簡(jiǎn)單做如下的劃分：

可以看到，為了解決低照度情況下的圖像采集問(wèn)題，主要的途徑可以從：補(bǔ)光、低速快門(mén)和采用超感度的感光器件幾方面入手，當(dāng)然最簡(jiǎn)單方式是采用紅外補(bǔ)光燈，這種最直接的解決方式大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：

紅外攝像機(jī)目前存在一些缺陷難以解決，如衰減，由于LED燈從電能轉(zhuǎn)化為光能的效率只有25%，另外75%的電能都轉(zhuǎn)化為了熱能，LED在高熱量下紅外光發(fā)射性能會(huì)衰減;其次紅外攝像機(jī)的散熱問(wèn)題也得不到良好的解決，紅外一體機(jī)的一大特點(diǎn)就是集成度高，密封，但是這些熱量不僅對(duì)LED燈，對(duì)CCD也有很大的影響，很多情況內(nèi)部材料遇熱下造成了鏡頭模糊的現(xiàn)象;另外由于其日夜轉(zhuǎn)換采用單濾光片方式，而單濾光片會(huì)偏色，也會(huì)造成紅外攝像機(jī)的成像出現(xiàn)偏差。事實(shí)上，這些問(wèn)題已嚴(yán)重阻礙著紅外攝像機(jī)的發(fā)展，雖紅外燈可進(jìn)行更換，但一旦這樣操作，就無(wú)形中增加了成本。

而低照度攝像機(jī)，則可借助周圍的一切光源，如路燈、走廊燈，甚至月光、星光等，在光線較暗的情況下獲得視頻圖像，以滿足夜間監(jiān)控的需求，其優(yōu)點(diǎn)是圖像效果真實(shí)、不偏色。低照度攝像機(jī)包括常規(guī)型低照度彩色攝像機(jī)，即其始終是彩色圖像，僅是提高彩色圖像處理的靈敏度，但此種攝像機(jī)的照度多在0.1LUX以上;另外一種是可實(shí)現(xiàn)日夜轉(zhuǎn)換的低照度攝像機(jī)，此種攝像機(jī)在夜間光照較低的情況下，即可轉(zhuǎn)換為黑白圖像，實(shí)現(xiàn)日夜監(jiān)控，照度通常在0.1LUX以下。

低照度攝像機(jī)的發(fā)展路線，中國(guó)與國(guó)外有著很大的差別，因?yàn)閲?guó)外在前端CCD、后端DSP技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，更多走的是超低感度的技術(shù)路線，而國(guó)內(nèi)因?yàn)槌杀镜囊蛩?，走光源補(bǔ)償路線的攝像機(jī)發(fā)展非常迅速，市場(chǎng)占有率已經(jīng)超過(guò)了50%以上。不過(guò)，國(guó)外的安防制造企業(yè)也在積極迎合中國(guó)市場(chǎng)的這種傾向與價(jià)格優(yōu)先的需求特點(diǎn)，不斷推出一些紅外攝像機(jī)產(chǎn)品。

下表是我們采集的國(guó)內(nèi)幾家主流攝像機(jī)制造企業(yè)產(chǎn)品線中紅外攝像機(jī)的占比情況：

低照度攝像機(jī)的技術(shù)路線剖析

上面我們分析了目前國(guó)內(nèi)低照度攝像機(jī)目前的市場(chǎng)概況，就低照度攝像機(jī)涉及的技術(shù)環(huán)境和背景，我們也可以通過(guò)下面的表格，做一個(gè)簡(jiǎn)單的背景介紹，我們從“提高低照度攝像機(jī)成像效果的方法“入手，簡(jiǎn)單說(shuō)明如下：

一、從光采集端入手

CCD1.選用大靶面CCD-同樣像素下CCD的尺寸越大其感光度越好(普通CCD的尺寸一般為1/4"和1/3"，但是在智能交通等特殊場(chǎng)合我們就需要采用1”、2/3”、1/1.8”、1/2.5”的尺寸才能達(dá)到更清晰的效果)。

2.選用高靈敏度CCD-將CCD每一像素的開(kāi)口率提高，進(jìn)而達(dá)到更低照度，SONY的EXVIEWHADCCD其感度可以提高到普通攝像機(jī)的4倍。

CMOSCMOS的優(yōu)點(diǎn)是耗電少(約為CCD的1/10)、無(wú)污點(diǎn)(拍攝高亮度的物體時(shí)，監(jiān)控畫(huà)面不出現(xiàn)白色的豎線)、制造簡(jiǎn)便，CMOS圖像傳感器就可發(fā)揮出優(yōu)于CCD圖像傳感器的低照度性能。

鏡頭采用通光量大的鏡頭：鏡頭F值的不同，光透過(guò)鏡頭進(jìn)入到CCD的量就會(huì)有差別，F(xiàn)值越小，其進(jìn)光量就越多。比如，在相同的焦距下，F(xiàn)1.0與F10相比，鏡頭進(jìn)光量相差100倍。為提高攝像機(jī)的感光度，應(yīng)盡量選取通光量大的鏡頭。

二、從電路及提高圖像處理能力著手

DPS技術(shù)DPS是在數(shù)字圖像傳感器的每一個(gè)像素上集成了一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，并對(duì)捕捉到光信號(hào)時(shí)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，降低了噪音和衰減。

DSP技術(shù)由微處理器對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)與控制，提高圖像顯示的穩(wěn)定性、可靠性和一致性。攝像機(jī)體積也大為縮小。

彩轉(zhuǎn)黑采用紅外濾光片和切換電路或者采用電子電路來(lái)進(jìn)行彩色/黑白轉(zhuǎn)換;

數(shù)字降噪數(shù)字降噪技術(shù)可以較好地改善圖像的潔凈度和清晰度，從而提升低照成像效果，采用自適應(yīng)數(shù)字降噪技術(shù)(DNR)，將2D-DNR與3D-DNR結(jié)合，在多種條件下，都可很好地降噪。

幀累積通過(guò)電荷單幀累積方式增加CCD在單幀圖像的曝光量，從而提高攝像機(jī)對(duì)單幀圖像的靈敏度，此類攝像機(jī)又稱為(畫(huà)面)累積型攝像機(jī)。

電路設(shè)計(jì)專門(mén)的低照度電路。

雙濾光片技術(shù)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙濾光片設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)彩色和黑白模式下的的自動(dòng)切換。

如果進(jìn)一步壓縮上述涉及的產(chǎn)業(yè)節(jié)點(diǎn)，可以看到：實(shí)現(xiàn)夜視環(huán)境下的的監(jiān)控，涉及到的因素和技術(shù)很多，有硬件，有軟件，有成本問(wèn)題，最主要是各方面的平衡，具體列舉如下：

低照度攝像機(jī)成像效果及相關(guān)技術(shù)點(diǎn)

目前監(jiān)控廠家使用的CCD多為日本索尼(Sony)與夏普(Sharp)。據(jù)了解，Sony的CCD在表面增加了彩色補(bǔ)光濾光片，顏色構(gòu)成由RGB升級(jí)成更為精細(xì)的CMYK色系，另外還將各個(gè)微型鏡頭底部的角度擴(kuò)大，以增加通光量，提高亮度，在光線較暗時(shí)，其噪點(diǎn)也較小。因此，索尼的CCD在監(jiān)控市場(chǎng)上占據(jù)絕對(duì)數(shù)量。

除選用合適技術(shù)的CCD外，CCD的面積也與低照度攝像機(jī)的視頻效果有較大關(guān)系。CCD單位面積越大，可感受到的光也就越多，但相應(yīng)成本也會(huì)增加。目前監(jiān)控市場(chǎng)上多使用的1/4″、1/3″與1/2″的CCD，其中1/3″CCD最為普遍，而1/2″CCD由于其感光面積較大，較適用于環(huán)境照度較低、補(bǔ)光條件較差，而監(jiān)控要求較高的應(yīng)用，如道路監(jiān)控、森林防火監(jiān)控等。

DSP芯片：做好后端處理工作

在攝像機(jī)中，好的CCD固然重要，但后端的DSP芯片(數(shù)字信號(hào)處理)也起著不可或缺的作用，其將前端CCD采集到的視頻信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為視頻圖像輸出。DSP芯片將后端的降噪處理、寬動(dòng)態(tài)、低照度等功能都集成在其中。

不少進(jìn)口品牌公司新推出的DSP芯片，很多都是集寬動(dòng)態(tài)、低照度等多種功能于一身，并擁有數(shù)字降噪、暗區(qū)補(bǔ)償?shù)溶浶怨δ?，色彩還原性和亮度等方面都有很大的提升，并采用自適應(yīng)數(shù)字降噪技術(shù)(DNR)，將2D-DNR與3D-DNR結(jié)合，在多種條件下，都可很好地降噪。

有的芯片將畫(huà)面幀累積處理的效果提高，使獲得較好的視頻畫(huà)面。另外還有的芯片具備的CCD電荷單增，可提高靈敏度，增強(qiáng)圖像的視頻清晰度。同時(shí)對(duì)于圖像出現(xiàn)的噪點(diǎn)，不少?gòu)S家也進(jìn)行一些處理以便減少噪點(diǎn)，如采用幀累積技術(shù)，或添加雙濾光片，以及數(shù)字降噪技術(shù)等。

有的廠家和技術(shù)人員可能對(duì)技術(shù)整合對(duì)產(chǎn)業(yè)影響和產(chǎn)品提升的巨大作用持不同的觀點(diǎn)，認(rèn)為可能并沒(méi)有這么重要，我個(gè)人的觀點(diǎn)恰恰相反。個(gè)人認(rèn)為，就低照度攝像機(jī)產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，拋開(kāi)價(jià)格和市場(chǎng)因素，用戶的需求和產(chǎn)品追求的技術(shù)指標(biāo)是高度一致的：那就是低照度情況下的顯示效果。

二?紅外攝像機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈分析

我們可以將紅外攝像機(jī)的產(chǎn)業(yè)鏈分為開(kāi)發(fā)層、制造層、應(yīng)用層。國(guó)外企業(yè)在CCD/CMOS等核心器件和技術(shù)開(kāi)發(fā)方面具有壟斷優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)紅外攝像機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈以巨大的市場(chǎng)需求為依托，呈現(xiàn)明顯的“∞”形狀。

為了進(jìn)一步分析上面的圖片，我們將產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)做了下面的細(xì)分：

從上圖可以看出來(lái)，在前端設(shè)備的基礎(chǔ)研發(fā)層，國(guó)外企業(yè)的優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯，國(guó)內(nèi)企業(yè)在全球競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)會(huì)主要是在應(yīng)用開(kāi)發(fā)層和解決方案層。中國(guó)的安防企業(yè)不太容易在產(chǎn)業(yè)鏈的上游找到自己的位置，但是在產(chǎn)業(yè)的右端又是最了解用戶需求的，這是國(guó)內(nèi)制造企業(yè)最可能獲得突破的環(huán)節(jié)。

三?低照度攝像機(jī)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

1.將圖像存儲(chǔ)和視頻分析能力向前端設(shè)備遷移

對(duì)于重要場(chǎng)合的可追溯性與圖像質(zhì)量、穩(wěn)定性同樣重要，這方面MOBTIX為代表的企業(yè)正在通過(guò)加大前端圖像存儲(chǔ)和視頻分析來(lái)解決，這也某種程度上代表了未來(lái)攝像機(jī)發(fā)展的一個(gè)方向。這樣做的好處一方面是突發(fā)斷電、斷網(wǎng)情況下有可追溯的數(shù)據(jù)源，另一方面(尤其是對(duì)高清這類大容量數(shù)據(jù))也減緩了對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸壓力，這方面對(duì)于大型、超大型的監(jiān)控應(yīng)用顯得尤為重要。

2.網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的比例將會(huì)進(jìn)一步加大

我選取了目前國(guó)內(nèi)幾家主流制造企業(yè)的產(chǎn)品線做了分析，為了分析的更全面和準(zhǔn)確，我選取的參數(shù)也比較多，目的是通過(guò)多個(gè)參數(shù)的抽樣能大致看出目前市場(chǎng)趨勢(shì)和不同解決方案間的市場(chǎng)占比。模擬、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品線的市場(chǎng)占比(不含球形攝像機(jī))，采樣總臺(tái)數(shù)305臺(tái)，模擬，215臺(tái)，其中網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品線占29.5%，模擬占70.5%。

3.網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)中以CMOS作為感光器件的產(chǎn)品將會(huì)得到更多的重視

4.網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)追求更高像素的步伐會(huì)加快

5.網(wǎng)絡(luò)球和云臺(tái)攝像機(jī)在未來(lái)的需求將會(huì)減少，取而代之的將會(huì)是全景攝像機(jī)

球機(jī)和云臺(tái)攝像機(jī)在中國(guó)安防市場(chǎng)上一度占有重要的位置和很大的市場(chǎng)份額，但是球機(jī)和云臺(tái)攝像機(jī)也有自己本身明顯的缺陷：成本高、安裝、調(diào)試復(fù)雜;傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的故障點(diǎn)也會(huì)比較多等。隨著全景攝像機(jī)、高清鏡頭和光感技術(shù)的發(fā)展，純電子方式的解決方案將是未來(lái)發(fā)展的主流。

四?監(jiān)控平臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)走向

廣泛應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，圖片信息數(shù)據(jù)化，平臺(tái)軟件智能化是未來(lái)趨勢(shì)。未來(lái)的視頻監(jiān)控圖像是包含多種信息的“碎片”，這些‘碎片’是重要的數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)信息的分離和數(shù)據(jù)挖掘是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和平臺(tái)發(fā)展的方向，將誕生很多的商業(yè)機(jī)會(huì)。

五?移動(dòng)安防和云存儲(chǔ)、云服務(wù)將會(huì)逐漸得到應(yīng)用

目前，城市安防主要包括技防、物防、人防這三防，如果加上空防，這樣就變成了四防的立體安防。個(gè)人覺(jué)得還缺少移動(dòng)安防。這里所說(shuō)的移動(dòng)安防應(yīng)該包括結(jié)合運(yùn)營(yíng)商、云存儲(chǔ)、移動(dòng)客戶端、輿情監(jiān)控等多位一體的，以社區(qū)民眾作為安防訴求主題的全民安防。

這樣的發(fā)展趨勢(shì)，在未來(lái)將帶動(dòng)一批在視頻分析、存儲(chǔ)、無(wú)線安防、智能家居、移動(dòng)物聯(lián)類安防制造和安防軟件企業(yè)的發(fā)展。這類企業(yè)將有機(jī)會(huì)在移動(dòng)安防領(lǐng)域獲得重要發(fā)展和成長(zhǎng)機(jī)會(huì)，而也會(huì)有更多的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)通過(guò)移動(dòng)安防的概念進(jìn)入安防領(lǐng)域。這將是一個(gè)趨勢(shì)，目前阻礙朝這個(gè)方向發(fā)展的主管因素已經(jīng)越來(lái)越少，阻力主要來(lái)自于中國(guó)的移動(dòng)帶寬和手機(jī)芯片的數(shù)據(jù)處理能力。但是，這些客觀因素，隨著4G/5G的到來(lái)、手機(jī)芯片和云存儲(chǔ)的發(fā)展，這一天終將在不久到來(lái)。