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浅谈低照度摄像机的优势
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作者:pmoe2c187
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发布时间: 2016-07-12
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在有大量红外光的场景中，没有办法很好做到精确的白平衡，所以一般的彩色摄像机在Sensor之前都会有红外滤镜以起到过滤红外光的作用。红外摄像机在红外灯开启时，存在大量的红外光，此时肯定不会使用红外滤镜过滤掉红外光，只能使用全透滤镜并切换成黑白图像。
经过一段时期的快速发展，大部分安防监控厂商针对常规场景（白天）监控方面的技术趋于成熟，差距较小，但夜视效果则参差不齐。而夜间低照度环境是监控中需要重点关注的，此时更能体现出各厂家的真正实力。未来各厂商会投入更多资源研究和提升摄像机低照度效果。另一方面，良好的低照度效果也是采购方重点考量的因素，它对实现24小时监控、保留证据、打击犯罪都会有很大帮助，这也是今后摄像机竞标效果PK的关键环节。
目前一般在用的24小时监控摄像机在夜间主要是以黑白图像模式来显示，但这样摄像机在夜晚会失去彩色信息，人与人、车和车，或者其他事物之间的相似度较大，不利于快速辨别目标。低照度摄像机就是要以彩色图像来监控各种各样的场景，帮助快速锁定目标。
一、何为低照度摄像机
低照度监控摄像机，顾名思义是指能在极低的光照情况下可以实现清晰彩色的辨识影像、实时连续画面的摄像机。低照度摄像机一般分成暗光级、月光级、星光级，它们分别指光照为0.1Lux、0.01Lux和0.001Lux及以下。关于低照度摄像机具体照度要求，CCTV产业在技术规格方面并无统一标准，因此当前也无法定义其最低照度为何值则可称其为低照度摄像机。而且最低照度与镜头的光圈大小（F值）、增益（AGC）、红外灯开关状态等条件均有关系，因此比较不同摄像机的最低照度水平需要在相同的环境下对图像效果进行比较。现在市面的主流摄像机都宣称彩色图像的最低照度在0.01Lux以下，同时也注明了测试条件：F（1.2）、AGCon。
二、低照度摄像机的优势
（一）相比普通照度摄像机
很显然低照度摄像机的优势在于它的低照特性，即使在光线不好的情形下，亦可实现清晰的彩色图像。
（二）相比红外摄像机
与红外摄像机相比，低照度摄像机的优势体现在如下方面：
1.稳定性好
红外摄像机需要增加一个红外灯，红外灯主要有LED红外灯、阵列式LED红外灯和激光红外灯等这几种，他们的共同特点是发热量大且寿命短。在红外灯损坏之后，整个摄像机也就无法使用，而且由于发热量大，摄像机内部温度过高，会出现电子器件的“温漂”现象，影响整个摄像机的稳定性。
2.图像为彩色
在有大量红外光的场景中，没有办法很好做到精确的白平衡，所以一般的彩色摄像机在Sensor之前都会有红外滤镜以起到过滤红外光的作用。红外摄像机在红外灯开启时，存在大量的红外光，此时肯定不会使用红外滤镜过滤掉红外光，只能使用全透滤镜并切换成黑白图像。
3.图像亮度均匀
市面上的红外摄像机的红外灯一般只能照射到整个图像场景的中心部分，导致整个图像的中心亮度很高甚至过曝，而四周图像很暗甚至全黑，也就是人称的“手电筒现象”。有些摄像机宣称已解决“手电筒现象”，但也只是根据中心区域的图像亮度降低了红外灯的功率或者降低图像的亮度。真正的图像亮度不均匀的问题并没有解决。
4.没有红外失焦现象
红外光的波段比可见光的波段长，彩色图像和黑白图像的聚焦点存在细小的差异。导致白天在不启动红外灯的情形下，图像是清晰的；到了晚上启用红外灯，图像便模糊了，细节损失很严重。现在有些摄像机利用自动对焦功能来解决这个问题，但由于现有自动对焦功能的固有缺陷，如对特定场景会失焦，因此无法很好地应用。
三、当下现状
现在市面上低照度摄像机大多宣称其彩色成像的最低照度可达0.001Lux。实际在这种照度下，监控画面中的物体只能看到一点边缘，色彩信息几乎不存在。所以，低照度摄像机在实际应用过程中需要解决遇到的各种各样的监控环境问题，需要综合不同技术应用到低照度监控中，使摄像机在低照度环境中仍能保持图像色彩还原的真实性、图像画面的清晰度、视频流畅性以及噪声抑制性能，能在低照度环境下为用户提供真实、流畅的视频监控信息。
四、低照度摄像机的技术突破点
（一）镜头
作为摄像机的重要组成部分，镜头在低照度摄像机的低照性能上有相当重要的影响。镜头采集了为摄像机的Sensor聚焦被摄物体的所需光线，使景物正常成像。镜头可摄取进来光线的多寡直接决定了CCD Sensor或CMOS Sensor成像的清晰度。因此在镜头上衡量摄取光线多少的条件，我们称之为进光量F值，镜头的进光量用F值（光圈）来表示，即F值=f（焦点距离）/D（镜头的有效口径），它与口径成反比，与焦点距离成正比。在焦距相同的条件下，镜头口径越大，F值越小，镜头进光量就越大。常见镜头的F值多为1.2或1.4，当然目前也有大到F1.0的镜头，但毕竟是少数。因此为了使得低照度摄像机获得优越的低照效果，搭配适合的F值镜头就成了首要的关键因素。
（二）Sensor的感光性能
目前低照度摄像机常用的CCD/CMOS主要供货商有索尼、松下、APTINA、Omnovision和LG等。在这些供货商中，索尼的CCD感亮度相对较好，常用的索尼CCD低照度技术为Super HADCCD，1983年索尼开发出的有超感亮度Exview CCD，Exview CCD的感光敏感度通常为Super HADCCD的5倍之多。
2009年索尼推出了新型影像传感器Exmor RCMOS，它采用先进的背照射技术，其对光线的灵敏度比传统的CMOS影像传感器提高了约2倍，大幅提升了低照度拍摄的画质，得到明亮画面的同时实现更好地降噪，使得在低照度条件下仍然可以获得细节丰富的照片，造就卓越的夜间拍摄性能。2012年索尼推出RGBW像素编码，在原有RGB三原色组成像素的基础上增加一个白色子像素，形成RGBW四色像素，增加一个白色的像素，会降低图像质量，但索尼本身的技术和信号处理能力可以在不损害图像质量的基础上提升灵敏度。
三星电子公司在2010年开始量产采用背面照射技术的CMOS传感器（BSI型CMOS传感器）。三星在工艺技术方面采用适于降低成本的方法，通过提高灵敏度在维持相同的灵敏度的同时缩小像素间距。据该公司估算，1.4μm间距的BSI型能够获得与基于现有技术的FSI（Front Side Illumination）型1.75μm间距产品相同的画质。同一像素间距，BSI型的灵敏度可以比FIS型高30%。
另外，CCD/CMOS组件的尺寸大小也对感亮度有着很大的影响，尺寸越大，其感亮度越好。为了使低照度摄像机有更低的照度要求指标，通常厂商会采用1/1.8或者1/2英寸的CCD/CMOSSensor。在组件厂商的规格表中的数据显示1/3英寸的CCD的感光量大约只有1/2英寸CCD感光量的56%，而1/4英寸CCD的感光量更是只有1/3英寸CCD感光量的44%。这印证了感光组件大小也是影响摄像机低照效果的关键因素之一。
（三）ISP的降噪能力
在低照环境中，图像的信息很小，图像的信噪比比较小，有时图像中噪点很大，图像信息会被淹没在噪声之中。此时摄像机的降噪能力就非常重要。降噪一般可以分成2D降噪和3D降噪。2D降噪利用空域信息对噪声进行空域平滑，2D降噪在噪声较小时可以起到很明显的效果，但噪声较大时就无能为力了。3D降噪在利用空域信息的同时还会用到时域信息，也就是相邻帧的信息，对噪声信息进行去除。但普通的3D降噪在去除噪声的同时也会产生噪声运动目标的拖影，对视觉感受造成很大程度的影响。随着技术的发展，3D降噪也引进了运动补偿技术。在2013年十月深圳安防展上，TI推出的最新达芬奇视频处理器DM388再度以其杰出的低照性能震动业界。DM388采用了TI第四代高级运动补偿低照技术，十分高效地去除了图像中的噪点，可在同类竞争解决方案所需照明一半的情况下获得清晰影像，非常适合在有各种运动的极低光线环境中应用。
（四）红外彩色图像重建
在低照环境中，可见光很少，但还存在一些红外光，如果能够利用红外光信息重建彩色图像，这个也可以大大增加摄像机的进光量，大大提高摄像机的最低照度性能。因为引进了红外光，普通摄像机上的白平衡处理算法和色彩校正都不再使用，整个ISP都需要重新改写，难度很大。同时由于可见光信息的缺失，在重建物体的色彩时需要准确找到不同色彩物体对红外光的反馈特性。因为存在这些困难目前这个方法还在试验阶段。
五、广阔的应用前景
低照度摄像机的应用除了交通路口、小区和厂房等传统的监控领域，森林防火也是一个对低照度摄像机有特殊要求的领域。我国是一个生态脆弱、森林资源匮乏的国家，随着造林事业的不断发展，林地面积、林业蓄积不断的增加，防火工作是首要任务，因此保护好现有森林资源是加快林业发展的前提和基础。
还有些情况下可能不方便外加光源，比如在医院病房里面，想对病人和工作人员进行监控，如果在病房里加补光灯或者红外灯，就会影响到病人休息。因此就需要用到低照度摄像机。另外还有一些不适合外加光源的场所，比如监狱等特殊单位也需要在隐蔽位置安装摄像机。
另外，在没有条件外加光源的监控场地，也需要使用低照度摄像机，举例说在室外，或者有大片空地，想加光源很难或者增加光源的成本很高。在这种情况下，非低照摄像机显示的图像效果就很差，这时候也必须用低照度摄像机，以便得到更清晰的图像。
90%以上的治安案件都是发生在夜间，这是国际上统计的数字。所以夜间监控比白天监控更重要。一线大城市夜间照明已经足够了，成像清晰度较好。但是中国大部分城市和乡镇夜幕降临以后皆是一片黑暗，所以低照度摄像机具有非常广阔的应用前景。
六、结语
对低照度摄像机而言，改善摄像机的最低照度和图像质量是厂商努力的目标，监控环境一直在改变，对摄像机的低照度性能形成挑战，因此低照度摄像机在性能上的提升绝非就此止步，而是需要不断进步以满足在复杂环境下人们对清晰监控的应用需求。
经过一段时期的快速发展，大部分安防监控厂商针对常规场景（白天）监控方面的技术趋于成熟，差距较小，但夜视效果则参差不齐。而夜间低照度环境是监控中需要重点关注的，此时更能体现出各厂家的真正实力。未来各厂商会投入更多资源研究和提升摄像机低照度效果。另一方面，良好的低照度效果也是采购方重点考量的因素，它对实现24小时监控、保留证据、打击犯罪都会有很大帮助，这也是今后摄像机竞标效果PK的关键环节。
目前一般在用的24小时监控摄像机在夜间主要是以黑白图像模式来显示，但这样摄像机在夜晚会失去彩色信息，人与人、车和车，或者其他事物之间的相似度较大，不利于快速辨别目标。低照度摄像机就是要以彩色图像来监控各种各样的场景，帮助快速锁定目标。
一、何为低照度摄像机
低照度监控摄像机，顾名思义是指能在极低的光照情况下可以实现清晰彩色的辨识影像、实时连续画面的摄像机。低照度摄像机一般分成暗光级、月光级、星光级，它们分别指光照为0.1Lux、0.01Lux和0.001Lux及以下。关于低照度摄像机具体照度要求，CCTV产业在技术规格方面并无统一标准，因此当前也无法定义其最低照度为何值则可称其为低照度摄像机。而且最低照度与镜头的光圈大小（F值）、增益（AGC）、红外灯开关状态等条件均有关系，因此比较不同摄像机的最低照度水平需要在相同的环境下对图像效果进行比较。现在市面的主流摄像机都宣称彩色图像的最低照度在0.01Lux以下，同时也注明了测试条件：F（1.2）、AGCon。
二、低照度摄像机的优势
（一）相比普通照度摄像机
很显然低照度摄像机的优势在于它的低照特性，即使在光线不好的情形下，亦可实现清晰的彩色图像。
（二）相比红外摄像机
与红外摄像机相比，低照度摄像机的优势体现在如下方面：
1.稳定性好
红外摄像机需要增加一个红外灯，红外灯主要有LED红外灯、阵列式LED红外灯和激光红外灯等这几种，他们的共同特点是发热量大且寿命短。在红外灯损坏之后，整个摄像机也就无法使用，而且由于发热量大，摄像机内部温度过高，会出现电子器件的“温漂”现象，影响整个摄像机的稳定性。
2.图像为彩色
在有大量红外光的场景中，没有办法很好做到精确的白平衡，所以一般的彩色摄像机在Sensor之前都会有红外滤镜以起到过滤红外光的作用。红外摄像机在红外灯开启时，存在大量的红外光，此时肯定不会使用红外滤镜过滤掉红外光，只能使用全透滤镜并切换成黑白图像。
3.图像亮度均匀
市面上的红外摄像机的红外灯一般只能照射到整个图像场景的中心部分，导致整个图像的中心亮度很高甚至过曝，而四周图像很暗甚至全黑，也就是人称的“手电筒现象”。有些摄像机宣称已解决“手电筒现象”，但也只是根据中心区域的图像亮度降低了红外灯的功率或者降低图像的亮度。真正的图像亮度不均匀的问题并没有解决。
4.没有红外失焦现象
红外光的波段比可见光的波段长，彩色图像和黑白图像的聚焦点存在细小的差异。导致白天在不启动红外灯的情形下，图像是清晰的；到了晚上启用红外灯，图像便模糊了，细节损失很严重。现在有些摄像机利用自动对焦功能来解决这个问题，但由于现有自动对焦功能的固有缺陷，如对特定场景会失焦，因此无法很好地应用。
三、当下现状
现在市面上低照度摄像机大多宣称其彩色成像的最低照度可达0.001Lux。实际在这种照度下，监控画面中的物体只能看到一点边缘，色彩信息几乎不存在。所以，低照度摄像机在实际应用过程中需要解决遇到的各种各样的监控环境问题，需要综合不同技术应用到低照度监控中，使摄像机在低照度环境中仍能保持图像色彩还原的真实性、图像画面的清晰度、视频流畅性以及噪声抑制性能，能在低照度环境下为用户提供真实、流畅的视频监控信息。
四、低照度摄像机的技术突破点
（一）镜头
作为摄像机的重要组成部分，镜头在低照度摄像机的低照性能上有相当重要的影响。镜头采集了为摄像机的Sensor聚焦被摄物体的所需光线，使景物正常成像。镜头可摄取进来光线的多寡直接决定了CCD Sensor或CMOS Sensor成像的清晰度。因此在镜头上衡量摄取光线多少的条件，我们称之为进光量F值，镜头的进光量用F值（光圈）来表示，即F值=f（焦点距离）/D（镜头的有效口径），它与口径成反比，与焦点距离成正比。在焦距相同的条件下，镜头口径越大，F值越小，镜头进光量就越大。常见镜头的F值多为1.2或1.4，当然目前也有大到F1.0的镜头，但毕竟是少数。因此为了使得低照度摄像机获得优越的低照效果，搭配适合的F值镜头就成了首要的关键因素。
（二）Sensor的感光性能
目前低照度摄像机常用的CCD/CMOS主要供货商有索尼、松下、APTINA、Omnovision和LG等。在这些供货商中，索尼的CCD感亮度相对较好，常用的索尼CCD低照度技术为Super HADCCD，1983年索尼开发出的有超感亮度Exview CCD，Exview CCD的感光敏感度通常为Super HADCCD的5倍之多。
2009年索尼推出了新型影像传感器Exmor RCMOS，它采用先进的背照射技术，其对光线的灵敏度比传统的CMOS影像传感器提高了约2倍，大幅提升了低照度拍摄的画质，得到明亮画面的同时实现更好地降噪，使得在低照度条件下仍然可以获得细节丰富的照片，造就卓越的夜间拍摄性能。2012年索尼推出RGBW像素编码，在原有RGB三原色组成像素的基础上增加一个白色子像素，形成RGBW四色像素，增加一个白色的像素，会降低图像质量，但索尼本身的技术和信号处理能力可以在不损害图像质量的基础上提升灵敏度。
三星电子公司在2010年开始量产采用背面照射技术的CMOS传感器（BSI型CMOS传感器）。三星在工艺技术方面采用适于降低成本的方法，通过提高灵敏度在维持相同的灵敏度的同时缩小像素间距。据该公司估算，1.4μm间距的BSI型能够获得与基于现有技术的FSI（Front Side Illumination）型1.75μm间距产品相同的画质。同一像素间距，BSI型的灵敏度可以比FIS型高30%。
另外，CCD/CMOS组件的尺寸大小也对感亮度有着很大的影响，尺寸越大，其感亮度越好。为了使低照度摄像机有更低的照度要求指标，通常厂商会采用1/1.8或者1/2英寸的CCD/CMOSSensor。在组件厂商的规格表中的数据显示1/3英寸的CCD的感光量大约只有1/2英寸CCD感光量的56%，而1/4英寸CCD的感光量更是只有1/3英寸CCD感光量的44%。这印证了感光组件大小也是影响摄像机低照效果的关键因素之一。
（三）ISP的降噪能力
在低照环境中，图像的信息很小，图像的信噪比比较小，有时图像中噪点很大，图像信息会被淹没在噪声之中。此时摄像机的降噪能力就非常重要。降噪一般可以分成2D降噪和3D降噪。2D降噪利用空域信息对噪声进行空域平滑，2D降噪在噪声较小时可以起到很明显的效果，但噪声较大时就无能为力了。3D降噪在利用空域信息的同时还会用到时域信息，也就是相邻帧的信息，对噪声信息进行去除。但普通的3D降噪在去除噪声的同时也会产生噪声运动目标的拖影，对视觉感受造成很大程度的影响。随着技术的发展，3D降噪也引进了运动补偿技术。在2013年十月深圳安防展上，TI推出的最新达芬奇视频处理器DM388再度以其杰出的低照性能震动业界。DM388采用了TI第四代高级运动补偿低照技术，十分高效地去除了图像中的噪点，可在同类竞争解决方案所需照明一半的情况下获得清晰影像，非常适合在有各种运动的极低光线环境中应用。
（四）红外彩色图像重建
在低照环境中，可见光很少，但还存在一些红外光，如果能够利用红外光信息重建彩色图像，这个也可以大大增加摄像机的进光量，大大提高摄像机的最低照度性能。因为引进了红外光，普通摄像机上的白平衡处理算法和色彩校正都不再使用，整个ISP都需要重新改写，难度很大。同时由于可见光信息的缺失，在重建物体的色彩时需要准确找到不同色彩物体对红外光的反馈特性。因为存在这些困难目前这个方法还在试验阶段。
五、广阔的应用前景
低照度摄像机的应用除了交通路口、小区和厂房等传统的监控领域，森林防火也是一个对低照度摄像机有特殊要求的领域。我国是一个生态脆弱、森林资源匮乏的国家，随着造林事业的不断发展，林地面积、林业蓄积不断的增加，防火工作是首要任务，因此保护好现有森林资源是加快林业发展的前提和基础。
还有些情况下可能不方便外加光源，比如在医院病房里面，想对病人和工作人员进行监控，如果在病房里加补光灯或者红外灯，就会影响到病人休息。因此就需要用到低照度摄像机。另外还有一些不适合外加光源的场所，比如监狱等特殊单位也需要在隐蔽位置安装摄像机。
另外，在没有条件外加光源的监控场地，也需要使用低照度摄像机，举例说在室外，或者有大片空地，想加光源很难或者增加光源的成本很高。在这种情况下，非低照摄像机显示的图像效果就很差，这时候也必须用低照度摄像机，以便得到更清晰的图像。
90%以上的治安案件都是发生在夜间，这是国际上统计的数字。所以夜间监控比白天监控更重要。一线大城市夜间照明已经足够了，成像清晰度较好。但是中国大部分城市和乡镇夜幕降临以后皆是一片黑暗，所以低照度摄像机具有非常广阔的应用前景。
六、结语
对低照度摄像机而言，改善摄像机的最低照度和图像质量是厂商努力的目标，监控环境一直在改变，对摄像机的低照度性能形成挑战，因此低照度摄像机在性能上的提升绝非就此止步，而是需要不断进步以满足在复杂环境下人们对清晰监控的应用需求。
