星光級(jí)低照度攝像機(jī)的研究與應(yīng)用

　　當(dāng)前安防市場(chǎng)對(duì)攝像機(jī)低照度性能的要求越來越高，不但要實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候監(jiān)控，應(yīng)用的環(huán)境也越來越復(fù)雜。目前對(duì)低照環(huán)境下的成像應(yīng)用技術(shù)主要有紅外熱成像、主動(dòng)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(xué)原理分析，人體就是一個(gè)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(shù)就是利用探測(cè)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(duì)于顯示的反白效果不是很多人都能接受，另外，現(xiàn)階段，由于熱成像攝像機(jī)的價(jià)格比較昂貴，只能應(yīng)到一些特殊領(lǐng)域，如數(shù)字化軍隊(duì)等。

　　圖1 紅外熱成像效果圖

2、主動(dòng)紅外

　　目前市場(chǎng)上對(duì)于低照要求非常高的環(huán)境下，基本都是采用主動(dòng)紅外攝像機(jī)，就是在夜視狀態(tài)下，紅外燈會(huì)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(jīng)物體反射后進(jìn)入圖像傳感器進(jìn)行成像，這時(shí)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(huì)有以下幾個(gè)問題：

　　(1)反射光應(yīng)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(shí)的圖像是全黑的，顯示效果不好。如果監(jiān)控環(huán)境比較復(fù)雜，存在多層次景物，則前景會(huì)把紅外光反射了，后景就會(huì)看不到。除此之外，紅外光為單色，導(dǎo)致最終顯現(xiàn)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(yuǎn)距離只能達(dá)到100-120米。

　　(3)紅外燈壽命的局限性。目前紅外燈的標(biāo)稱壽命為5萬(wàn)小時(shí)-10萬(wàn)小時(shí)不等，但實(shí)際應(yīng)用中還要短一些，發(fā)熱過高、功率過大是現(xiàn)階段應(yīng)用普遍存在的問題[2]。如果要求紅外距離越遠(yuǎn)，則功率越大，同時(shí)熱量就越大，如果紅外燈靠近攝像機(jī)的傳感器太近，同樣也會(huì)影響攝像機(jī)的使用壽命。由于LED紅外燈的電光轉(zhuǎn)換效率仍在20%以下，大部分的電轉(zhuǎn)換為熱量，在燈管數(shù)量不斷增加的情況下，產(chǎn)品發(fā)熱量也越來越大，紅外機(jī)的溫度達(dá)到了80℃，甚至100℃以上，在高溫下，LED芯片、攝像機(jī)和封裝LED的環(huán)氧樹脂都容易加速老化，使紅外攝像機(jī)的使用壽命大大縮短。這也是主動(dòng)紅外攝像機(jī)所存在的最主要的問題。

圖2 主動(dòng)紅外攝像機(jī)及成像效果圖

3、幀累積

　　幀累積攝像機(jī)，是通過延長(zhǎng)曝光時(shí)間來提升圖像畫面亮度，這樣的攝像機(jī)打開慢快門功能時(shí)，輸出的圖像不是實(shí)時(shí)圖像，只要攝像機(jī)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(jī)不是通過機(jī)器的硬件性能來提升圖像效果，而是通過犧牲圖像的實(shí)時(shí)性，來提升低光照?qǐng)龊舷碌膱D像清晰度。但是對(duì)于監(jiān)控而言，重要的恰恰在于清晰、連貫、實(shí)時(shí)的圖像，因此幀累積慢快門攝像機(jī)常常被用于對(duì)靜態(tài)事物的監(jiān)視，而不建議用在非靜態(tài)應(yīng)用。

　　4、更先進(jìn)的技術(shù)

　　低照度攝像機(jī)提升效果最合理的做法，是用硬件來提升產(chǎn)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(shí)打?qū)嵉靥嵘驼斩刃Ч?。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(guó)際最先進(jìn)的圖像傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)，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(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，加之以獨(dú)有的ISP前端圖像處理技術(shù)，進(jìn)行圖像的精確還原和大幅增強(qiáng)，使攝像機(jī)在低照度環(huán)境下的視覺表現(xiàn)達(dá)到全球領(lǐng)先水平。

　　二、ULLS超微光感知技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

　　不同的設(shè)備商，其星光級(jí)低照度成像處理技術(shù)會(huì)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(shù)，其整合了BSI圖像傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)及ISP前端成像處理技術(shù)，通過最底層的光線采集及信號(hào)處理大幅提升了攝像機(jī)的感光性能。

　　1、BSI圖像傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)

　　進(jìn)入高清時(shí)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(gòu)模式應(yīng)運(yùn)而生。BSI是在設(shè)計(jì)上將圖像傳感器的上下層進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，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(dá)感光區(qū)的光線在某種程度上被傳感器中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的金屬線和電介質(zhì)層所限制。FSI方法會(huì)阻礙光線到達(dá)像素或使光線偏離像素，最終降低填充系數(shù)，并帶來像素之間串?dāng)_等問題。BSI則將金屬線和電介質(zhì)層移到傳感器陣列的下方，為光線提供了到達(dá)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(gòu)，提供了多項(xiàng)超越性的性能改進(jìn)，包括每單位區(qū)域更強(qiáng)的靈敏度、更高的量子效率以及減少串?dāng)_和光響應(yīng)非均勻性，再結(jié)合特制的納米級(jí)設(shè)計(jì)制程和新的生產(chǎn)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(jìn)色彩和光電性能。

圖3 基于BSI架構(gòu)的ULLS圖像傳感器的光電性能

　　
2、ISP前端圖像處理技術(shù)——3D數(shù)字降噪

　　攝像機(jī)在低光條件下運(yùn)行，不可避免的會(huì)出現(xiàn)固定的或隨機(jī)的傳感器噪聲，且每一幀圖像所產(chǎn)生的噪聲是不相同的。若噪聲過多則會(huì)使圖像模糊不清。傳統(tǒng)的2D降噪技術(shù)屬于幀內(nèi)降噪方式，在消除動(dòng)態(tài)噪聲方面效果有限。3D數(shù)字降噪是在幀內(nèi)降噪的基礎(chǔ)上，通過對(duì)比相鄰幾幀圖像將噪聲自動(dòng)濾除處理掉，從而顯示出比較清晰細(xì)膩的圖像。星光級(jí)低照度成像技術(shù)再通過幀間預(yù)測(cè)方法，依據(jù)圖像噪聲的分布統(tǒng)計(jì)規(guī)律，在空間二維和時(shí)間一維上同時(shí)進(jìn)行估計(jì)、預(yù)測(cè)和降噪處理，最大限度的去消除噪聲對(duì)圖像的影響，使最終成像效果得到極大的增強(qiáng)和改善，圖像細(xì)節(jié)得到更好的辨識(shí)。除此之外，在面對(duì)明暗反差過大的場(chǎng)景時(shí)，3D數(shù)字降噪還可有效提高寬動(dòng)態(tài)的展現(xiàn)能力。

圖4 幀內(nèi)降噪和3D降噪成像效果對(duì)比

　　3、ISP前端圖像處理技術(shù)——3A成像控制

　　3A成像控制指自動(dòng)曝光控制(AE)、自動(dòng)聚焦控制(AF)、自動(dòng)白平衡控制(AWB)。自動(dòng)曝光控制能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)圖像的亮度，自動(dòng)聚焦控制通過調(diào)整聚焦鏡頭的位置獲得最高的圖像頻率成分，自動(dòng)白平衡對(duì)不同光線造成的色差給予補(bǔ)償?；镜?A成像控制是攝像機(jī)所必須的功能，優(yōu)秀的3A成像控制算法對(duì)于攝像機(jī)的成像效果有著至關(guān)重要的影響。星光級(jí)低照度成像技術(shù)基于微分圖像分析的3A成像控制算法，具有統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確、反應(yīng)迅速、調(diào)節(jié)平滑等特點(diǎn)，無論是在清晨還是黃昏，抑或是光線復(fù)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(xiàn)完美的日夜監(jiān)控效果。

　　三、低照度技術(shù)的應(yīng)用瓶頸

　　1、價(jià)格因素

　　目前，市場(chǎng)上星光級(jí)低照度監(jiān)控?cái)z像機(jī)的價(jià)格普遍較高，導(dǎo)致不少行業(yè)客戶望而卻步，在成本控制之下對(duì)實(shí)際監(jiān)控應(yīng)用退而求其次。造成價(jià)格較高的原因主要有兩個(gè)：

　　其一，低照度攝像機(jī)器件品質(zhì)選擇要比普通攝像機(jī)高，還會(huì)應(yīng)用一些獨(dú)特的技術(shù)來進(jìn)一步提升低照度性能，而且在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，要有專門的低照度電路，因此低照度攝像機(jī)的成本較高。

　　其二，其他監(jiān)控?cái)z像機(jī)對(duì)低照度產(chǎn)品也有一定的影響，如紅外一體機(jī)。實(shí)際上這兩種產(chǎn)品是互相補(bǔ)充的關(guān)系。而一般地，紅外一體機(jī)的價(jià)位要低于低照度攝像機(jī)。這樣就使得既可以選擇紅外一體機(jī)，也可以選擇低照度攝像機(jī)的場(chǎng)合，用戶又沒有專門要求時(shí)，如果預(yù)算不足，用戶往往會(huì)更傾向于采用價(jià)格更低廉的紅外一體機(jī)產(chǎn)品。

　　2、市場(chǎng)需求

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，夜晚犯罪率高達(dá)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(jí)低照度攝像機(jī)的不斷發(fā)展日趨成熟，行業(yè)客戶已開始逐漸認(rèn)識(shí)到夜間監(jiān)控效果的重要性，但受價(jià)格、應(yīng)用領(lǐng)域等種種因素的制約，人們對(duì)星光級(jí)低照度攝像機(jī)的重大意義仍缺乏客觀的認(rèn)知，在性價(jià)比方面存在較大的偏見。相當(dāng)比例的客戶仍堅(jiān)信，要求攝像機(jī)24小時(shí)保持高品質(zhì)監(jiān)控的場(chǎng)合并不多，普通攝像機(jī)就能滿足大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的監(jiān)控需求。從而導(dǎo)致了市場(chǎng)需求的滯后，低照度攝像機(jī)仍然不是市場(chǎng)主流。由此可見，低照度攝像機(jī)的應(yīng)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(shù)(ULLS)在公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用

　　基于ULLS(Ultra Low-Light Sensitivity)超微光感知技術(shù)的社會(huì)安全管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)響應(yīng)了社會(huì)管理創(chuàng)新和和諧社會(huì)構(gòu)建的國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展需求，旨在提升城市綜合管理水平和社會(huì)治安防控能力。該系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)三層架構(gòu)的前端視頻感知和后端信息處理領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新研發(fā)，集軟件技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、廣播電視技術(shù)等多種高新技術(shù)為一體的大型、綜合、復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多信息系統(tǒng)、多技術(shù)的融合。

　　該系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新和領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)在于：集專為星光級(jí)系列產(chǎn)品打造的百萬(wàn)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(xiàn)出特有的、全球領(lǐng)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(dá)0.001Lux)，清晰呈現(xiàn)彩色圖像，完全超越人類視覺極限。同時(shí)，配以3A成像控制技術(shù)和3D數(shù)字降噪技術(shù)，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(zhǔn)還原物體本來的色彩，使圖像效果在低光和明暗對(duì)比強(qiáng)烈的環(huán)境中得到極大的增強(qiáng)和改善，并且徹底消除動(dòng)態(tài)圖像噪點(diǎn)。公司特有的上述核心技術(shù)目前居于國(guó)際領(lǐng)先的地位，有效解決了當(dāng)前在平安城市、智能交通等社會(huì)安全管理物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域中所遇到的夜間或復(fù)雜光線環(huán)境下的圖像色彩嚴(yán)重失真、清晰度很低等系列難題。

　　該系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)平安城市建設(shè)諸多工程中，大幅提高了極低照度情況下的圖像質(zhì)量效果，真正實(shí)現(xiàn)海量存儲(chǔ)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(shí)，通過對(duì)物體進(jìn)行智能識(shí)別與行為分析提高了管理效率，并能夠針對(duì)不同行業(yè)客戶需求進(jìn)行量身定制開發(fā)。為維護(hù)社會(huì)秩序、打擊暴力恐怖襲擊，促進(jìn)社會(huì)和諧、推進(jìn)社會(huì)管理創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)黨和國(guó)家長(zhǎng)治久安起到積極推動(dòng)的作用。