全面認(rèn)知視頻監(jiān)控夜視監(jiān)控成像原理分析

安防人都知道，7×24小時(shí)的全天候監(jiān)控是最基本的監(jiān)控需求，但很多情況下，要真正實(shí)現(xiàn)24小時(shí)全天候監(jiān)控，是一件很難的事情；最大的阻礙是由于夜間無(wú)法成像，尤其是無(wú)光環(huán)境。那么，夜視就此成為我們監(jiān)控的盲點(diǎn)嗎？答案是否定的，本期我們就夜間成像技術(shù)技術(shù)試做分析。

視頻監(jiān)控的成像原理是將光線所包含的信息轉(zhuǎn)換成可為人眼所判斷的圖像信號(hào)，由此，光，是視頻監(jiān)控的“必需品”。若環(huán)境光照較低或無(wú)光，那么視頻監(jiān)控系統(tǒng)將會(huì)成為擺設(shè)。對(duì)此，當(dāng)前行業(yè)主要采用了4種成像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)夜視監(jiān)控功能。

在照度較低時(shí)，攝像機(jī)通過(guò)切換紅外濾光片接收自然光照環(huán)境下0.75～1000μm的近紅外光域，并通過(guò)提升視頻處理算法，讓攝像機(jī)識(shí)讀接收到的近紅外光域所攜帶的圖像信息。此類攝像機(jī)前端都放置有一顆光敏電阻，當(dāng)環(huán)境照度達(dá)到攝像機(jī)設(shè)定的切換照度值時(shí)，攝像機(jī)自動(dòng)切換紅外濾光片；再依賴算法對(duì)低照度視頻進(jìn)行處理，最為典型的低照度畫(huà)面處理算法就是自動(dòng)增益功能，該算法能隨著環(huán)境照度的降低而自動(dòng)提升畫(huà)面亮度。

但目前，要實(shí)現(xiàn)良好的低照度功能，低照度傳感器和處理芯片是兩大核心部件，從傳感器成像原理來(lái)說(shuō)，同等規(guī)格傳感器，CCD的感光靈敏度要2倍于CMOS，因此，現(xiàn)今很多低照度攝像機(jī)，尤其是智能交通攝像機(jī)，以CCD傳感器為主。不過(guò)，現(xiàn)在CMOS的技術(shù)已經(jīng)得到了很大改善，以CMOS傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)低照度功能的攝像機(jī)亦為數(shù)不少，目前，以CMOS為傳感器的低照度攝像機(jī)可做到0.001Lux。

另外，鏡頭的選用也很關(guān)鍵，通用鏡頭的光通量一般在F=1.4-360，而采用低照度鏡頭或提升鏡片工藝，也可實(shí)現(xiàn)更大的通光量，從而實(shí)現(xiàn)更大的夜視效果。不過(guò)，此類產(chǎn)品的缺點(diǎn)是，目前做得好的低照度攝像機(jī)并不多，而且，即便低照度性能做得再好，也還是需要環(huán)境照度不能低于0Lux才能成像。

低照度應(yīng)用中，若采用球面鏡片鏡頭，易出現(xiàn)對(duì)近紅外光域與傳感器靶面之間聚焦不準(zhǔn)的情況，可通過(guò)采用非球面鏡片來(lái)改善這一難題。

紅外熱成像監(jiān)控

自然界中的一切物體，只要它的溫度高于絕對(duì)溫度(-273℃)就存在分子和原子無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，其表面就不斷地輻射不為人眼所見(jiàn)的紅外線。其工作原理是：接收物體發(fā)出的紅外線，通過(guò)有顏色的圖片來(lái)顯示被測(cè)量物表面的溫度分布，從而形成可識(shí)讀圖像；其核心就是熱像儀，它是一種能夠探測(cè)極微小溫差的傳感器，將溫差轉(zhuǎn)換成實(shí)時(shí)視頻圖像顯示出來(lái)。但是只能看到人和物體的熱輪廊，看不清物體的真實(shí)面目。紅外熱成像儀可以穿透雨、霧，即便無(wú)光環(huán)境，依然可以顯像。不過(guò)，熱成像儀的核心在于其傳感器，但受技術(shù)限制，做得好的產(chǎn)品并不多，價(jià)格高昂，加上其圖像無(wú)法體現(xiàn)監(jiān)控場(chǎng)景的色彩、詳細(xì)的外貌特征等信息，不適于常規(guī)安防應(yīng)用；而且，紅外熱成像儀也很難穿透玻璃成像，亦受透明物體遮擋，亦影響其進(jìn)一步應(yīng)用。

可見(jiàn)光補(bǔ)光監(jiān)控

即為監(jiān)控場(chǎng)景增設(shè)可見(jiàn)光源，以使監(jiān)控設(shè)備能捕捉到清晰、色彩飽滿的彩色圖像。但這種應(yīng)用方式很笨拙，需要給監(jiān)控場(chǎng)景增加足夠光源，以保證彩色圖像質(zhì)量，能源消耗、成本支出非常大，此方式除了城市道路監(jiān)控可利用路燈光源外，其它場(chǎng)景較少得到應(yīng)用。

激光/紅外補(bǔ)光監(jiān)控

這是將補(bǔ)光光源安裝于攝像機(jī)上，作為攝像機(jī)的一部分。這是目前夜間監(jiān)控應(yīng)用得最多的方式。而補(bǔ)光技術(shù)也有兩種：激光和紅外。

激光補(bǔ)光：是在攝像機(jī)上配上激光燈源，激光燈采用光斑均勻強(qiáng)化技術(shù)、光斑自動(dòng)聚焦技術(shù)；具有光度強(qiáng)、畫(huà)面更加均勻、耗電少、使用壽命更長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)，安防所用的激光燈，幾乎都是采用激光廠家的產(chǎn)品，匹配性比較被動(dòng)。

紅外補(bǔ)光技術(shù)：市場(chǎng)上主要采用紅外發(fā)射二極管的紅外燈，由紅外發(fā)光二級(jí)管矩陣組成發(fā)光體；以發(fā)射波長(zhǎng)850nm和940nm的紅外LED為主流應(yīng)用。紅外補(bǔ)光技術(shù)最令人擔(dān)憂之處在于，紅外燈的壽命。目前主要解決方式為，將紅外發(fā)射二級(jí)管由紅外輻射效率高的材料(常用砷化鎵GaAs)制成PN結(jié)，外加正向偏壓向PN結(jié)注入電流激發(fā)紅外光，可實(shí)現(xiàn)低紅爆甚至無(wú)紅爆、壽命長(zhǎng)應(yīng)用。

紅外應(yīng)用的第二個(gè)關(guān)注點(diǎn)是防過(guò)曝，如果紅外燈不可調(diào)節(jié)，那么同一功率下，就會(huì)造成近距離圖像就有可能發(fā)生過(guò)曝、遠(yuǎn)距離照度不足的不良效果；為解決此問(wèn)題，現(xiàn)在很多紅外攝像機(jī)都支持SMARTIR技術(shù)，即智能調(diào)光技術(shù)，攝像機(jī)將根據(jù)紅外燈輔助下，圖像畫(huà)面的亮度、飽和度，自動(dòng)計(jì)算是否合理，若過(guò)曝或亮度不足，則相對(duì)應(yīng)地降低或增強(qiáng)紅外燈的發(fā)光功率，從而得到適于監(jiān)看的畫(huà)面效果；而該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，還對(duì)能耗的進(jìn)行有效控制，降低能耗支持。

如今很多安防廠家為了實(shí)現(xiàn)更好的紅外應(yīng)用，一般都采用良好的紅外增透玻璃，在降低紅外線折損的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)一定程度的夜間隱蔽效果；如果選用較好的紅外燈、增透玻璃，紅外攝像機(jī)將實(shí)現(xiàn)絕佳的消除紅爆隱身應(yīng)用。

通過(guò)人工補(bǔ)光技術(shù)，雖然畫(huà)面丟失了色彩信息，但圖像的細(xì)節(jié)都能逐一清晰辨認(rèn)，并能在無(wú)光源環(huán)境下實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式補(bǔ)光應(yīng)用。

隨動(dòng)應(yīng)用

補(bǔ)光光源須與攝像機(jī)鏡頭的變倍、云臺(tái)做智能隨動(dòng)，方能顯示出良好的實(shí)時(shí)畫(huà)面效果。當(dāng)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，監(jiān)控景深將會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)可通過(guò)智能調(diào)節(jié)補(bǔ)光設(shè)備的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)畫(huà)面的舒適性，該技術(shù)已經(jīng)比較成熟。但若是鏡頭變倍，補(bǔ)光設(shè)備的隨動(dòng)性能還在不斷提高當(dāng)中，其中紅外補(bǔ)光因功率較低，一般也不會(huì)應(yīng)用在高變倍攝像機(jī)中，因此隨動(dòng)的差異性不明顯；而激光攝像機(jī)，因光束強(qiáng)、距離遠(yuǎn)，當(dāng)鏡頭快速變倍時(shí)，會(huì)有1-5秒的延時(shí)，如當(dāng)鏡頭由高變倍快速變?yōu)榈妥儽哆^(guò)程中，畫(huà)面會(huì)先出現(xiàn)激光未照射到的暗區(qū)及激光處的亮斑，待鏡頭穩(wěn)定后，暗區(qū)才消失；激光的隨動(dòng)較為滯后。

不同監(jiān)控距離應(yīng)用

紅外攝像機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中，一般以30米以內(nèi)為常見(jiàn)的有效監(jiān)控距離，00米以內(nèi)為中距離應(yīng)用；另，若需要80米以上的紅外監(jiān)控，則需要很強(qiáng)的紅外燈才能實(shí)現(xiàn)。從有效監(jiān)控距離來(lái)說(shuō)，紅外補(bǔ)光技術(shù)主要適用于商場(chǎng)、商店、辦公樓、走廊等較短距離的監(jiān)控場(chǎng)景。

而激光補(bǔ)光技術(shù)，50-150米為短距離監(jiān)控范圍、0.5-2公里是較為常見(jiàn)的中遠(yuǎn)距離應(yīng)用，若增強(qiáng)激光功率，還可實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離的監(jiān)控應(yīng)用，適用于森林、邊防、海防、廠礦等場(chǎng)所。

芯片核心平衡

芯片在低照度、紅外/激光攝像機(jī)的DSP圖像處理上，也起著至關(guān)重要的作用，如中電興發(fā)、?？低暤奈⒐饧?jí)低照度攝像機(jī)，主要就是依賴DSP芯片來(lái)保證低照度畫(huà)質(zhì)的提升，這也在激光、紅外攝像機(jī)中同樣得到普遍應(yīng)用。如日夜模式切換前，要通過(guò)伽馬校正，保證圖像準(zhǔn)確，平衡3D降噪與自動(dòng)增益效果；切換后，自動(dòng)計(jì)算紅外畫(huà)面亮度，一是智能調(diào)節(jié)畫(huà)面勻和度，另一方面是智能調(diào)節(jié)紅外/激光燈的強(qiáng)弱，再者還需計(jì)算畫(huà)質(zhì)能實(shí)時(shí)與鏡頭、云臺(tái)的變化做圖像匹配