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5萬小時(shí)-10萬小時(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)致了市場需求的滯后，低照度攝像機(jī)仍然不是市場主流。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)勢在于：集專為星光級(jí)系列產(chǎn)品打造的百萬像素傳感器、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)黨和國家長治久安起到積極推動(dòng)的作用。