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低照度摄像机技术现况与突破

 目前市场上的低照度摄像机无论是厂商或是客户,对于低照度的定义大家说法不一,这也因为在国内的市场没有关于低照度统一的标准,但客户目前对低照的要求越来越高,要求24小时全天候监控,应用的环境也越来越复杂,这也给客户带来了一定的盲从...
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  目前市场上的低照度摄像机无论是厂商或是客户,对于低照度的定义大家说法不一,这也因为在国内的市场没有关于低照度统一的标准,但客户目前对低照的要求越来越高,要求24小时全天候监控,应用的环境也越来越复杂,这也给客户带来了一定的盲从,目前对低照环境下的成像应用主要有热成像,ICCD摄像机,EMCCD摄像机,CCD摄像机,以及目前正在日趋普遍应用的CMOS摄像机,和主动红外摄像机,星光级网络摄像机。

  1. 红外成像:红外成像的夜间效果是比较好的,但只能局限于夜间,而且无法显示人眼正常的成像效果,对于显示的反白效果不是很多人都能接受,另外,现阶段,由于热成像摄像机的价格比较昂贵,在国内还处于推广阶段,只应到一些特殊领域,如军队、银行、武警和公安系统,森林防火。

  2. ICCD摄像机:是在CCD传感器前方加入了图像增强器,也可以说成前置放大,对弱光及弱信号的处理非常优秀,但价格也是相对较高,而且ICCD摄像机在强光环境下曝光极容易老化,甚至损坏,主要用于军事和一些特殊行业,如夜视导航,天文观测,医疗器械,光谱分析,生物工程等一些专用行业

  3. EMCCD:是在CCD传感器后方加入增益寄存器,也可以说成后置放大,分辨率与价格比较ICCD略有优势,但图像噪声相比ICCD要大一些,主要应用的也是一些科学上的应用

  以上三种低光成像摄像机的低照效果都是非常优秀的,但其独有的特定应该环境限制与较高的价格,目前民用还不能被大家接受

  4. CCD,CMOS摄像机:目前是在安防市场上应用的最多的低照度摄像机,下面将详细说明一下CCD与CMOS在低照环境下的差异与市场上主要提升低照效果的方法。

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  由于CCD所有的像素使用的是单一的采样和放大器,而CMOS是每列相素都有自己独立的采样和放大器,由于多个放大器无法做到一致性,导致信号产生的Noise比CCD的的要大很多。在亮态下信噪比高的时候表现不明显,但在低照度下,有效信息弱,噪声信息即使不变,信噪比自然是CCD比CMOS好,在图像整体上看,CCD低照效果将优于CMOS(以上没有计算CCD,CMOS的像素感光面积,因为CMOS大部分都用microlens的方式弥补占空比,间接的增加单个像素的感光面积)

  市场上的大部分摄像机改善低照度成像效果的方法主要有以下几种:

  彩转黑技术,目前采用这一技术的非常多,可配合使用红外灯。转换技术有两种,一是采用红外滤光片和切换电路来进行彩色/黑白转换,白天把不可见红外光滤除,避免对色彩的干扰,夜晚让不可见红外光照射到传感器耙面,可以一定程度上提高摄像机的低照效果;另一种利用电子电路将彩色信号滤除掉,无需红外滤光片,此种方法只改善了低光下的彩色噪声问题,对低照效果改善不是很大。

  数字降噪技术,为了进一步提高低环境下的图像高度,往往是需要提高增益(AGC)但提高增益的同时,图像的亮度与噪声是一同提升的,所以从一些高档低照摄像机的数字降噪效果来看,能在低照的噪点过多的情况下,较好地改善图像的洁净度和清晰度,从而提升低照成像效果,但目前的数字降噪技术都是采用3D或2D技术,所以摄像机在降噪功能启动后还是会出现拖尾和动画感问题。

  帧累积的方式:市场上主流CCD目前市场上最好的2/3英寸CCD的摄像机的真实低照度在黑白模式也只有0.01lux, 但市场上还有些摄像机标称0.0001lux,或是更低,这些都采用帧累积的方式,是利用电脑记忆体的技术,连续将几个曝光不足的画面累积起来,得到一个较为明亮和清晰的图面,但这样就对高速运动物体无法扑捉,出现拖影(Smear)现像,无法看清物体

  所以目前的CCD与CMOS也只能满足特定环境下的,不是特别黑暗的低照监控。

  5. 主动红外摄像机:目前市场上对于低照要求非常高的环境下,基本都是采用主动红外摄像机,就是在夜视状态下,红外灯会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体,红外线经物体反射后进入镜头进行成像,这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像,而不是可见光反射所成的影像,这样就可以拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的物体,也就是人们常说的可以达到0lux ,但这样就有以下几个问题:

  1) 如果是比较空旷的环境,红外灯没有可反射的物体,这样在图像上是全黑的,显示效果不好

  2) 如果监控环境比较复杂,如:监控环境中有一个树,树后面才是监控的对像,这样前面的树叶把所有的红外灯全部者吸反射了,树后面的真正想要监控的物体反而一点都看不到,也就是只能看清前面不能看清后面。

  3) 远距离的监控红外灯不能达到,超过100-120米的红外灯效果上已经达不到了

  4) 红外灯的寿命问题,在现在目前各厂家对于红外灯的寿命都写5万小时-10万小时不等,但实际上很少有达到这个寿命的红外摄像机,红外灯过热,功率过大还是现在普遍存在的问题,而具要求照摄距离越远,功率越大,功率越大,热量就越大,如果红外灯靠近摄像机的传感器太近,同样也会影响摄像机的使用寿命,这也是主动红外摄像机所存在的最主要的问题。

  6.星光级摄像机

  星光级摄像机是在正常工作所需照度0.001lux以下可以清晰的看到图像,也就是在夜晚晴天天空有较多的星星的照度下,在国内市场上也有很多厂家都标称星光级摄像机,但基本都是用帧累积方式达到的0.001lux下的成像,这样也就失去了星光的意义,中星电子最新推出的星光级网络摄像机,采用自主开发的星光级传感器,实现低的读取噪声,高的电荷容量,同时结合了中星电子特有的ISP功能,使最低照度可达0.001Lux, 并且还能保持较小的图像噪声,而实现真正意义的星光级摄像机,填补了行业的空白,可以在星光照度下得到清晰,无拖影,1080P全高清的图像,在相对黑暗的环境下无需使用红外灯就可以得到高清晰的图像,夜间成像更接近了特殊行业及军用的ICCD,EMCCD的夜间成像效果,使安防行业在低照度的技术发展更进了一步。

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