關于CMOS高清攝像機的夜視局限問題及與技術突破

2010年以來，經(jīng)過兩年多的市場培育，高清攝像機正從“趨勢”變成“現(xiàn)實”。許多高清攝像機廠家如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，傳統(tǒng)的模擬攝像機廠家也逐步往高清領域轉型。在市場上，越來越多的的代理商、工程商和用戶認可了高清?？梢哉f，2012年以來，高清攝像機開始迎來發(fā)展的高峰期。

具體來看，盡管仍被籠統(tǒng)地稱為“百萬高清”，但高清攝像機的清晰度已有了很大的提升，像素從60萬、130萬、200萬到500萬遞增，有的廠家甚至宣稱已將像素級別提升至2000萬；在傳輸方式上，IP與HD-SDI均得到了較快發(fā)展，并各自占據(jù)了不小的市場份額。此外，在色彩還原度和智能分析等方面，高清攝像機也有了很大的改進。

但由于技術不夠成熟、成本較高等因素，高清攝像機產(chǎn)品的主流應用集中于政府、銀行等高端市場，其他領域則仍以模擬產(chǎn)品為主。其中，目前高清攝像機普遍采用CMOS芯片，其色彩飽和度較低，質感和銳度的表現(xiàn)也略遜一籌，在光線不足的夜間，拍攝效果往往不太理想。基于此，一些廠家推出了960HCCD網(wǎng)絡高清產(chǎn)品，采用索尼Effio-EN700線方案，低照度、純數(shù)字界面，影像像素達到60萬左右，不僅白天能實現(xiàn)高清晰拍攝，夜間也能清晰彩色成像，有效地解決了高清攝像機的夜視難題。

CMOS高清攝像機的局限性

所謂CMOS，即互補性金屬氧化物半導體，主是是用硅和鍺所做成的半導體，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現(xiàn)其基本功能。與CCD(電荷耦合器件，是一種把從圖像半導體中出來的電子組織起來的方法)一樣，它們使用的都是“圖像半導體”傳感器，它是一種PN半導體，能將轉換光線的光子結合成為成比例數(shù)量的電子。但為了將兩者相區(qū)別，我們習慣性地分別稱之為CMOS傳感器或CCD傳感器，但并不表明其處理影像的方法。

與CCD傳感器相比，CMOS傳感器不需要復雜的信號處理過程，直接將圖像半導體產(chǎn)生的電子轉變成電壓信號，可在短時間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，輸出高清晰度視頻，因此適應高清晰度攝像機需要。基于高集成度的優(yōu)勢，它的自動增益控制、自動曝光控制、伽馬校正、背光補償和自動黑點校正等功能都遠強于CCD傳感器。同時，為了使影像更便于進行網(wǎng)絡傳輸，攝像機廠家正不斷提高圖像編碼壓縮處理的效率。如今，在130萬(720P)以上像素高清攝像機的芯片技術上，CMOS已占據(jù)絕對優(yōu)勢。

但在感光度方面，人眼能看到1Lux照度(相當于滿月的晴天夜晚環(huán)境)以下的目標；CCD傳感器僅比人眼略好，在0.1～3Lux之間；而CMOS傳感器的感光度一般在6～15Lux之間，相當于CCD傳感器的1/10～1/3，噪點亦高出CCD傳感器近10倍。因此，在夜間光線不足的環(huán)境下，CMOS攝像機拍攝效果遠遜于CCD傳感器。盡管將CMOS傳感器做得非常大后，其感光度可與CCD傳感器相當，但對DSP處理速度的要求也非常高，無形中拉升了CMOS攝像機的價格，短期內(nèi)還無法大規(guī)模應用。

未來，隨著網(wǎng)絡帶寬問題的逐步解決，兼具大型工程建設成本和升級維護便利性等優(yōu)勢的高清攝像機將更大范圍的應用，乃至成為監(jiān)控攝像機的主流。但從目前來看，由于夜視等技術尚未成熟，加之成本較高，極大地制約了高清攝像機的普及。

對絕大多數(shù)用戶而言，夜間是各類違法犯罪事件的高發(fā)時段，亦即安防視頻監(jiān)控的關鍵時段。選擇一款夜視效果不佳的攝像機，將使視頻監(jiān)控在時間上出現(xiàn)一個極大的盲區(qū)，無法滿足全天候不間斷安防的要求。但另一方面，“用戶對看得更清楚”以及遠程監(jiān)控、智能分析等的需求同樣迫切。這就要求攝像機在白天與夜間拍攝效果上找到一個平衡點，而不能簡單地退回模擬攝像機的老路。由此，960H網(wǎng)絡高清技術進入攝像機廠家的視野。

SonyEffio-EN方案的夜視原理

2009年，日本索尼公司推出Effio-E方案，官方標準方案是：4127+4816+673。通過Effio-EDSP與960HCCD(EXviewHADCCDⅡ)搭配，能達到700TVlines水準的解析度，影像像素達到60萬像素(pixel)左右。與以往方案相比，它能提供更清晰的影像畫面、更好的顏色飽和度和亮度。

作為模擬攝像領域最領先的芯片技術之一，索尼Effio-E方案具有高分辨率、高信噪比和高色彩還原度的“三高”優(yōu)勢。它在電子變焦后展示出更精細的圖像，并通過3D降噪技術，有效降低低照度環(huán)境下的圖像雜訊，保持圖像的清晰度。加之更高的色彩還原度、寬范圍的白平衡自動調(diào)整以及分區(qū)補償功能，有效改善暗區(qū)細節(jié)和曝光過度的損失，最大限度地保證了所拍攝影像的完整性。

在實際應用中，索尼Effio-E方案攝像機常搭配紅外高清鏡頭，圖像細節(jié)呈現(xiàn)優(yōu)異，色彩還原真實艷麗、鮮艷、不偏色，而且圖像銳利、光線亮度處理能力強，具有逼真的層次感，最大限度地實現(xiàn)日/夜成像畫面。同時，采用最新一代點陣式LED光源(即IRⅣ技術)，光電轉化效率更高、功耗更低；伴以智能光技術，紅外燈與白光燈同時補光，夜視可達到純彩色效果。

2012年，索尼公司對Effio-E方案進行升級，Effio-EN方案應運而生。與Effio-E方案相比，新的DSP的影像畫質、感光度和顏色飽和度更趨于完美。特別是在傳輸方式上，從模擬傳輸升級為數(shù)字傳輸，在影像的保真度上有了質的突破。

采用數(shù)字信號傳輸

在信號傳輸過程中，傳統(tǒng)的模擬攝像機須先通過傳感器將光信號轉換成模擬電信號，接著轉換成數(shù)字信號以進行模數(shù)轉換與色度、亮度處理，再將數(shù)字信號模數(shù)轉換并調(diào)制成PAL/NTSC制式標準模擬視頻信號進行輸出，到達DVR等后端設備時，由視頻采集芯片將模擬信號轉換成數(shù)字信號。在這過程中，共發(fā)生3次AD轉換，可能造成一定程度的畫質受損。當攝像機采用SonyEffio-ENF方案時，這種傳輸方式已無法滿足要求。

因此，一些攝像機廠家對960HCCD攝像機的傳輸方式進行了改進，在攝像機內(nèi)置網(wǎng)絡模塊，采用純數(shù)字接口，省去了信號壓縮轉換的環(huán)節(jié)，提升了傳輸速度，并避免了傳輸過程中的信號受損。在傳輸方式和后端配備等方面，和百萬網(wǎng)絡高清攝像機實現(xiàn)了資源共享。

當前，模擬攝像機仍占據(jù)著絕大多數(shù)市場份額，在高清特別是CMOS高清攝像機技術仍不夠成熟、成本也無法迅速下降的情勢下，模擬視頻監(jiān)控仍將長期存在。盡管在政府、銀行等高端市場，高清攝像機已率先應用，但對小區(qū)、店鋪、小型超市、辦公樓等中小型監(jiān)控系統(tǒng)而言，模擬攝像機仍是性價比較高的選擇。

但也應看到，我國安防監(jiān)控正從模擬視頻監(jiān)控向高清視頻監(jiān)控過渡，用戶對“看得更清楚”以及遠程監(jiān)控、智能分析的要求越來越高，模擬攝像機的市場份額將逐漸縮小，高清攝像機則代表著行業(yè)的未來。在過渡期內(nèi)，960HCCD高清攝像機憑借白天與夜間效果同樣出眾的優(yōu)勢，有望在占行業(yè)多數(shù)的中小型監(jiān)控領域得到更廣泛的應用。進入全面高清時代后，它的夜視技術也可帶給高清攝像機廠家一定的啟迪。