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浅析低照度摄像机的技术发展

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对于CCTV摄像机来说,最重要的性能是分辨率和感光度(低照度性能)。由于CCTV摄像机可以发挥人眼的作用,帮助人类进行安全防范,因此,各大生产商都在努力提高其性能。近年来出现了一种高性能摄像机,它可以在黑暗环境中拍摄到人肉眼看不到的景物。本文就与大家探讨一下这种可实现低照度性能的技术。

 
文/日本JVC株式会社 郷田秀章


拍摄物的最低照度
在我们日常生活环境下的亮度单位用lx(勒克斯)表示,如果用lx表示我们身边环境的亮度,则如表1所示。


摄像机的低照度性能标准用拍摄物的最低照度来表示,这可以采用灰度图进行测试。在色温3100K的环境下降低拍摄物的光度,在灰度图中央的窗口部(白色部位)达到指定的视频电平(50%)时,读取其光度值(lx)。数值越小,则表示感光度越好,可以清楚地拍摄阴暗环境下的景物。如果光度值在上述亮度以下,则可用摄像机拍摄到影像(表1为标准值,实际设置时需要事先测定现场的光度)。

 
有的生产商在测定时把视频电平设定在20%以下,这么一来,即便有些摄像机具有表1所示亮度以下的最低拍摄物光度性能,所拍摄到的影像也不会清晰。选择摄像机时不能单纯地看lx值,还需要把测定时的视频电平统一起来,否则无法比较摄像机的好坏。


低照度摄像机的技术要素
对于在阴暗环境下如何清晰地拍摄到景物的低照度技术,可以从三方面进行说明:取光口“镜头和光学系”、把光转换为电荷的“图像传感器”、把得到的信号进行可视性加工的“信号处理回路”。(如图1所示)


低照度摄像机的镜头和光学系
明亮的镜头
为了捕捉到低照度的影像,需要采用明亮的镜头,因为它是光的入口所在。镜头的亮度用F值(光圈)表示。F值用:F值=f(焦点距离)/ D(镜头的有效口径)表示,它与口径成反比,与焦点距离成正比。在焦点距离相同的条件下,口径越大,F值越小,镜头越明亮。(如图2所示)


把F值乘以2,然后把得到的数值取倒数,就可简单地比较出镜头的光量比了。比如,比较F1.0和F1.4的话,则为:F1.02=1.0倒数为1/1=1;F1.42=2.0倒数为1/2=0.5。把F1.0镜头和F1.4进行比较,前者的图像传感器的采光量要比后者多出2倍以上。一般低照度摄像机通常采用F1.2左右的镜头。但最近也出现了采用F1.0镜头的摄像机。


前面提到,低照度性能的提高和F值成反比例的。但在低于F1.0的明亮镜头中,也有不能按照上述计算公式来提高低照度性能的情况,这就是芯片式微型镜头。在这种镜头的图像传感器中,每个像素都设有一个微小的镜头(芯片式微型镜头),周围射入的光与图像传感器的图像表面无法成直角。从某种程度上讲,图像传感器就是基于这种考虑而设计的。大口径镜头受上述情况的影响较大,微型镜头不能充分地采光。因此,F值过小的话,镜头的价格是上去了,但并不能得到期望的低照度性能。


TRUE DAY&NIGHT功能
光是电磁波的一种,其波长可按图3进行分类。我们人类可以感知到的可视光线波长约为400nm~700nm。而CCD和CMOS等以硅为原料的固体摄像单元可以感知到可视光以外的各种光线,尤其是可以感知到与可视光线的波长相近的近红外线。我们人类感知不到红外线光,显示器也无法显示这种红外线光。由于该红外线光会损害颜色的正确再现,通常要在图像传感器的前面插入红外线拦截过滤器,以便把这种红外线光拦截掉。


如果把近红外线进行转换,实行黑白显示的话,就可实现“看到看不见的东西”了。彩色条件下,需要插入红外线拦截过滤器,而在低照度条件下,需要拔掉红外线拦截过滤器进行黑白显示。本功能称为TRUE DAY&NIGHT功能。从构造上可以分为插在相机侧和插在镜头侧2种。为后一种构造时,需要有红外线拦截过滤器的插拔控制信号,因此主要应用在球型摄像机等镜头一体型的摄像机上。


DAY&NIGHT镜头
如前所述,光的颜色不同,波长也不同,折射率(射入或射出玻璃时,行进方向发生变化)也不同。也就是说,即便是同一镜头,由于光的颜色不同,其焦点位置也不同,这称为轴上色差。CCTV镜头采用多个镜头进行组合,或是借助涂膜拦截不需要波长的光线,最终使波长不同的可视光都能聚集在同一焦点上。


在红外线领域,有些镜头因修正不充分而导致产生色差,或是因为通常条件下插入了红外线拦截过滤器,虽然CCD图像表面没有收集到焦点不同的红外线,但在拔掉红外线拦截过滤器后的黑白状态下,焦点会模糊不清。


在近红外线条件下,修正色差的镜头称为DAY&NIGHT镜头。DAY&NIGHT镜头的实现方法各种各样,其性能差异也很大。通常有两种技术可实现:第一种,在原始基本设计中,变更轴上色差少的镜头表面的涂膜,提高近红外线透射率的镜头。比不易产生色差的镜头材料价格便宜,但性能一般;第二种,不易产生色差的镜头材料(ED=使用异常分散玻璃、萤石等),价格非常高。CCTV镜头一般采用第一项技术。最终需要根据照明、图像传感器的感光度特性来选择镜头。

 
总之,照明时不具备能源特性的波长并不射入镜头中,因此不需要担心产生色差。另外在图像传感器不具有感光度的波长区段内,焦点不吻合的光不进行光电转换,也不需要担心产生色差。结合这些规律,只要把握好照明的波长和图像传感器的感光度特性,就可选择经济又划算的镜头了。

 
低照度摄像机的图像传感器
接下来介绍一下可把光转换为信号的部分图像传感器的低照度技术。现在,CCTV摄像机使用的大都是CCD、CMOS图像传感器。


CCD图像传感器,是用受光单元(光电二极管)把光转换为电荷,然后把电荷进行垂直和水平转送,然后用输出放大器把电荷转换为电压进行输出。这种接力传递式的转送结构称为CCD。由于以前使用的都是延时单元等,最近使用的则主要是图像传感器。受光单元称为像素,其数量称为像素数。PAL电视系统使用的有效像素一般为27万或44万像素。


CMOS将光转换为电荷的部分与CCD相同,但并不转送转换过的电荷,而是立即将其转换为电压。调用方法和制造工艺与CCD不同。


现在,在感光度和信噪比上,CCD占有优势。但CMOS的优点是耗电少(约为CCD的1/10)、无污点(拍摄高亮度的物体时,监控画面不出现白色的竖线)、制造简便,因此当前正在进行技术改造。特别是网络摄像机并不受监控系统的制约,现在出现了100万像素以上的摄像机(兆象素摄像机),而且今后像素数还会进一步增加,无需确保转送电路的面积即可实现相应功能,CMOS图像传感器就可发挥出优于CCD图像传感器的低照度性能。


由于图像传感器是把光转换为电荷信号的单元,因此进行该项转换的效率会大大影响摄像机的低照度性能。实现更好的低照度性能的条件为:像素尺寸大、图像传感器自身的感光度高(光电二极管的性能好、电荷/电压转换放大器的性能好)、具有更广波长范围的感光度特性。


图像传感器的像素尺寸
只要相应放大图像传感器整个受光面的大小等于图像尺寸,就可扩大图像传感器光电荷转换部的像素大小等于像素单元尺寸。以CCTV摄像机摄像单元、有效像素为44万像素(总像素数为47万像素)的CCD为例,其图像尺寸和像素单元尺寸如图4所示。图像尺寸以对角线的尺寸为基础,以型进行表示。


图4中,1/2型CCD的像素单元尺寸大约是1/4型CCD的一倍,性能也优越许多。但一枚硅片能够拍摄的数量较少,价格相对较高。放大像素单元尺寸的方法之一是减少像素数,但实际上27万像素1/3型CCD的感光度接近44万像素1/2型CCD,无法兼顾CCTV摄像机的另一个重要性能——分辨率性能。因此当前1/2型44万像素CCD应该可以说是性能最卓越的CCD了。


芯片式微型镜头
关于图像传感器,除了像素以外,CCD需要把转送电路等做到同一硅片上,像素单元尺寸的扩大也有个限度。在同一像素单元尺寸下,把更多的光导向像素的技术方法是采用芯片式微型镜头。具体是把一个个的像素分别做成微小的镜头,把射入像素以外的部分的光导向像素部分。这不仅局限于CCD、CMOS,对于提高普通图像传感器的感光度也很有帮助。


如上述的图2所示,在图像传感器的图像表面,光并不垂直射入中心以外的摄像面。特别是在周边部位,采用大口径镜头时情况尤其明显。由于在该状态下芯片式微型镜头不能充分聚光,在采用F1.0以下的大口径镜头时,即便是把F值放小,低照度性能也未必提高到像计算的那样高。

 
调用放大器的改进
把在像素中进行光—电荷转换时得到的“电荷”转换为“电压”的输出放大器,通过微小的电容进行电荷电压转换。每个像素的电荷通过转送电路得以随时转送,作为流入到电容中的电压使用。众所周知,电压V和电容C、电荷量Q的关系为:V=Q/C。在电荷量相同的条件下,电容越小,得到的信号电压就越大。

 
但这并不是说只要有小点的电容就可以了。由于从像素得到的电荷量极少,在不减少放大器发出的各种噪音的前提下,输出越大,噪音也一起增大。其主要噪音是暗电荷流,即便是在没有光的状态下,只要有热量,就会产生电荷,进而产生暗电荷流。另外一个是输出放大器,为了把每个像素的电荷转换为电压,每次都需要把电容内的电荷放空。但该操作不能完全放空电荷,残留的电荷在互相流动时也会产生噪音等。
这些都是从传感器得到较大信号输出的障碍,因此图像传感器的生产商一直在降低噪音方面进行技术革新,每年的输出量都在逐渐增大。

 
近红外对应图像传感器
在前述中的TRUE DAY&NIGHT功能说明中,介绍了CCD、CMOS等图像传感器对近红外线的感光度,利用这一特性,可以通过插拔红外线拦截过滤器来实现低照度性能。最近出现了能够进一步提高对近红外线的感光度的CCD,这就是近红外CCD(NIR-CCD)。(如图5所示)


由于硅是一种半透明的物质,光的波长不同,到达的深度也不同。由于近红外线的光可以到达像素的深处,所以光和电荷之间就可进行较高效率的转换。在DAY&NIGHT功能中配以NIR-CCD,效果则更明显。

 
EM CCD图像传感器
除了前面所讲的CCD,目前还有进一步提高图像传感器的感光度的手段——EM-CCD。在硅片中排列的电极上施加高电压就会出现比较容易蓄积电荷的井。CCD的原理就是使施加在电极上的电压逐一发生变化,从而使电荷发生移动(将EM-CCD和光电二极管组合使用,就做成了CCD图像传感器)。通常的图像传感器在转送时需要有8V左右的电压,在采用更高的电压(15V左右),形成较深的电荷井,并向其中导入信号电荷时,信号电荷在落入井内时会和硅结晶内的分子发生碰撞,信号电荷就会有明显的增加。


把垂直转送后的水平转送部设置电荷增加功能,这就是EM-CCD图像传感器。可以把电荷倍增用的水平转送部设为100段以上,信号电荷最大可以增加1000倍。


EM-CCD的优点是在输出放大器的前面增加电荷量,无需增强输出放大器产生的噪音就可增加信号。另一方面,像素(光电荷转换部)产生的暗电荷流会一起增大,为了实现预期的性能,抑制暗电荷流,就需要冷却图像传感器。冷却采用的是派耳帖元件(Peltier),但这么一来成本就有了大幅度的上升。


低照度摄像机的信号处理回路
慢快门

图像传感器通常是以1/50秒的间隔来调用影像。由于像素中得到的电荷量随着时间的增加而增加,因而我们发明了一种慢快门功能,它不进行长时间的调用,而是持续像素中的光电荷转换。但由于PAL系统需要从摄像机输出为每帧1/50秒,特装备了图像内存,在图像传感器不进行调用时,持续输出前回调用的同一图像。


延长调用间隔的话,2/50秒调用一次就可提高2倍的感光度,4/50秒调用一次就可提高4倍的感光度。为了持续长时曝光,所以调用动作不能太快。现实中可作为动画使用的是4倍(曝光4/50秒)模式左右。


DNR(DIGITAL NOISE REDUCTION)
在CCTV相机中,信号处理采用DSP方式。而DNR是在水平、垂直以及框架间取一个移动平均值,它具有随机消除噪音的功能。由于DNR可以减少画面噪音,可相对提高信号的增幅,进而提高低光度。其弱点是轮廓较大,移动不方便。现已开发出了多种家用VTR技术,预计今后可装配更高性能的DNR了。


未来发展的趋势
上文中已从低照度摄像机各重要部件介绍了该产品的一些技术。作为JVC的低照度摄像机,TK-C1480中已有1/2型、NIR-CCD、TRUE DAY&NIGHT机构、慢快门,以及低照度技术等各种技术规格的产品。


在同行业中,我们的固体摄像单元、特别是CCD技术已取得了长足的进展,摄像机的低照度化也得到大幅度的推进,但还不能说已经完全满足了用户监视阴暗场所的需求。


适应摄像机小型化的图像传感器的小型化、CMOS化、普及网络相机所要求的兆象素化,应该是未来所发展的方向。这对于低照度摄像机来说,困难在增加。


在低照度摄像机领域,CCD可以继续保持优势,但还存在一个问题:大众价格的摄像机如何实现低照度。所以从这点上讲,CMOS图像传感器还需要继续进行技术革新。
电荷状态下,从像素部分向输出放大器转送电荷的CCD图像传感器,为了输送大量电荷,需要确保大的转送电路。这对实现小型化和高像素化方面是个不利因素。而取出电压的CMOS不受这方面的制约,在实现小型化、高像素化方面是有优势的。

 
另外为了高速读取信号,可能需要在同一框架内进行多次高速快门。(JVC的TK-WD310利用的就是这一特性)在利用稳定器技术进行高速快门的同时,需要检出图像的移动并进行合成。所以我们正在进行相关的技术研究,力争开发出一种像慢快门那样既可持续提高低照度下的感光度,又可抑制图像抖动的技术。


相信通过持续改进镜头、图像传感器、影像回路,低照度摄像机也会不断更新换代的。

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