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基于Lightfinder技术的网络摄像机与精确光圈控件技术在光线很差环境中的应用

具有日夜转换功能的摄像机专门用于室外安装或光照不好的室内环境。这类网络摄像机在白天提供彩色图像,当光线减弱时,摄像机能自动转换为夜晚模式,利用近红外(IR)光来提供黑白图像。尤其是在多变的室外光照条件下,要保持图像清晰度和低噪声,是不很简单之事。这个问题在安全应用中特别重要,这是因为用于监控黑暗小巷或者光线昏暗走廊的 IP监控摄像机提供的视频流往往模糊、像素化、不清楚,而且对比度差。低质量的视频流往往会造成面部无法识别或者完全错过所发生的事件,大大影响视频监控系统的实用性。
资讯频道文章B

  前言--应对当前的视频监控的挑战

  具有日夜转换功能的摄像机专门用于室外安装或光照不好的室内环境。这类网络摄像机在白天提供彩色图像,当光线减弱时,摄像机能自动转换为夜晚模式,利用近红外(IR)光来提供黑白图像。尤其是在多变的室外光照条件下,要保持图像清晰度和低噪声,是不很简单之事。这个问题在安全应用中特别重要,这是因为用于监控黑暗小巷或者光线昏暗走廊的 IP监控摄像机提供的视频流往往模糊、像素化、不清楚,而且对比度差。低质量的视频流往往会造成面部无法识别或者完全错过所发生的事件,大大影响视频监控系统的实用性。

  对此理想的解决方案就是增强IP摄像机的低照度性能,使之能够在较低光线下实现更高的工作效率,提供清晰锐利的图像。如今具有革命性的Lightfinder(觅光者)技术的网络摄像机已闻世。该项技术是传感器和镜头精心搭配的结果,同时结合了图像数据的精细处理。各种因素(传感器、镜头、内部芯片开发和图像处理技术)的融合确保了采用此项技术的网络摄像机可实现优异性能,同时全新的光圈控制以提高百万像素与HDTV网络摄像机等新技术也伴隨应运而生。据此本文将对基于Lightfinder(觅光者)技术的网络摄像机在恶劣光线条件下的应用&特征,以及全新的光圈控制技术独特的功能作分析说明。

  独有的Lightfinder(觅光者)技术新理念与应用

  监控IP 网络摄像机基本架构 监控IP 网络摄像机是基于数字媒体处理器的IP网络监控摄像机,其基本架构方框图,见图1所示。它拥有出色的视频和音频质量,并且具有时间戳、PoE 和视频分析功能。视频监控的世界正在朝着 IP 网络发展。IP 网络摄像机可以定义为将网络和视频处理功能融为一体的摄像机。网络摄像机拥有自身的 IP 地址和处理网络通信所需的计算功能。它可以通过网络采集和传输实时画面,随时随地实现远程查看和用户控制。如用TI 的DSP可用于对具有各种标准和非标准视频格式的图像进行压缩。此外,TI的DSP 使您能够使用智能图像分析功能和各种类型的网络协议支持。数字视频传输将很快成为安全与监控系统的标准要求。有线和无线链接都很关注安全与监控网络架构。

  图1中的视频内容分析处理器通过 IP 网络(例如 LAN、内部网或因特网)处理多个摄像机输入,数字化、压缩并以流的方式传输数字媒体内容,从而将模拟视频系统转换成网络视频系统。用户可以使用网络上的任何本地计算机或远程计算机中的 Web 浏览器或应用软件来观看生动的画面。用户配置和控制也可以通过远程操作的方式来完成。

   所示为基于数字媒体处理器的 IP 网络监控摄像机架构方框图

  该监控IP 网络摄像机也可用于在嵌入式应用中采集视频。摄像机采集 CMOS 或 CCD 传感器的影像/视频,将数据数字化,并且通常会执行影像/视频预处理算法和/或视频压缩。数据传输要求进行视频压缩,以确保选择的接口有足够的带宽。数据通常通过 USB 、无线ZigBee 传输到主系统。

  而其内核系统包括:嵌入式处理器 - 嵌入式处理器内的影像信号处理器 (ISP) 用于改进采集自 CMOS 或 CCD 传感器的影像质量。ISP 通常在视频压缩前进行预处理,如噪声滤波和图像稳定;视频接口 - CMOS/CCD 传感器具有各种产品系列,CMOS 传感器现在配备内置 AFE(模拟前端),因此,这些模块的输出已经被数字化,并已做好进行处理的准备;音频接口(语音 ADC)- 使用模数转换器将音频信号数字化。麦克风阵列通过聚焦于输入的声音,改进音频压缩质量;

  独特的Lightfinder技术网络监控摄像机与应用

  在图1监控IP 网络摄像机架构基礎上,其独特的Lightfinder技术网络监控摄像机是整合了一款具有出色感光性的CMOS传感器。但是,Lightfinder技术远不止是传感器,而且具有成熟地可在网络视频产品应用旳图像处理技术;以及可设置过滤和锐度等级并可提供最佳图像质量的精密软件。其传感器和镜头的棈心选择以及精细图像处理技术保证了它在低光照条件下具有优异性能。与任何模拟摄像机相比,Lightfinder技术可提供更高分辨率,且更加逼真的色彩,特别是在低光照条件下,与市场上的任何模拟摄像机相比,Lightfinder技术在降噪方面有大幅度提升,再加上传感器的出色感光性,使该技术可提供一流的图像质量。而且,由于整合了Lightfinder技术的摄像机是数字的,因此它提供了众多可能性,比如逐行扫描传感器、视频智能分析和视频监测系统的使用。

  独特Lightfinder技术令摄像机对弱光也极其敏感,即使在黑暗条件下也能有效“视物”。支持“动态捕捉”功能的宽动态范围允许提供均质的图像。保证每一部分都不会太暗或太亮。该系列摄像机包括扩展型D1分辨率摄像机和百万像素的摄像机(该款摄像机还提供HDTV 720p视频)。由于使用了以太网供电(PoE,IEEE 802.3af标准),不再需要另敷供电电缆,这款摄像机的安装非常容易。该摄像机还配备了一个SD/SDHC存储卡插槽,便于在本地存储记录。该系列摄像机使用PoE和High PoE电源,可在-40 oC至50 oC温度条件下正常工作。它们还具备独特的“极温控制”功能,可预热摄像机模块,从而在极低温度条件下断电后也能保证重启。

  因此Lightfinder技术的优势是高感光性、出色的图像质量.低噪点但细节丰富,以及低光照条件下更好的色彩重现。

  是应用于低光照条件下室内和室外监测的理想方案

  基于Lightfinder技术的网络摄像机是低光照条件下室内和室外监测的理想解决方案,特别是当用户要求视频中有色彩信息以加强物体的辨认和识别时与传统具有日夜转换功能的摄像机在光线较暗的环境下转换为黑白模式不同,基于Lightfinder技术的摄像机即使在光线非常暗的条件下也能保留色彩。在很多情况下,带色彩的监测视频是成功识别的一个重要因素,这种功能极大地增加了用户有效识别人物、车辆和事件的可能性。

  这些摄像机在苛刻的视频监测应用中尤其有用,它们可用于各种低光照应用中,如停车场、城市监测,校园和施工现场。Lightfinder技术可用于室外周边环境,如发电厂、水处理厂、监狱以及铁路方面的监测。在极低光照条件下,比如晚间可能只有一个灯光的施工现场,则用户通常要为这些摄像机补充红外照明装置,但现在的Lightfinder技术的高感光性使得这种红外照明装置的补充在许多情况下就不必要了。

  三款摄像机在晚间不同情境下的图像作比较

  下面将对传统模拟摄像机、高质量低光照模拟摄像机和基于Lightfinder技术的网络摄像机三款摄像机在晚间不同情境下的图像作比较。如图2-1为传统模拟摄像机对晚间(晚上11:50)建筑入口监测拍摄之图像,其照度为4—6 lux。在某些光照条件下,模拟摄像机不能提供带色彩的图像。而图2-2为用高质量低光照模拟摄像机摄拍晚间(晚上11:50)建筑入口监测图像。图2-3为基于Lightfinder技术的网络监控摄像机(如AXISQl602-E) 提供的图像比高质量低光照模拟摄像机的图像噪点少。

   所示为传统模拟摄像机晚间(晚上11:50)建筑入口监测之场景

   所示为高质量低光照模拟摄像机摄拍晚间(晚上11:50)建筑入口监测图像

   所示为基于Lightfinder技术的网络监控摄像机提供的图像,它比高质量低光照模拟摄像机的图像噪点少。

  由此,打造有与Lightfinder技术同样高感光性的网络摄像机将是分辨率更髙、感光性更好、图像噪点更少的新成像技术关键。由于一直使用最新传感器技术并不断开发更智能的软件,因而将继续引领低光照产品研发和市场的快速应用。

  新型、革命性的精确光圈控件的开拓

  百万像素和HDTV网络摄像机图像质量提髙的关键

  精确光圈控件是一款创新解决方案,真正让网络摄像机,尤其是百万像素或HDTV网络摄像机能够在所有光照条件下都发挥最佳性能。借助良好景深,它能提供色彩艳丽、高分辨率的图像。同时它还能避免在明亮环境中发生衍射。而且,这一切都是自动完成的,这在室外视频监测应用中非常有用。当今要解决提高百万像素和HDTV网络摄像机图像质量的又一途径是开发与应用新型、革命性的精确光圈控件及技术。

  虽然百万像素或HDTV固定网络摄像机的出现是意味着更大的图像分辨率,但并不一定意味着更高的图像质量。要保持图像锐度,尤其是在多变的室外光照条件下,必须要有一款新型、革命性的精确光圈控件解决方案作支撑,其因是,现有镜头选择有一定的局限性。

  精确光圈控件不仅适用于百万像素摄像机,而且适用于所有固定网络摄像机。该系统可在所有光照条件下优化光圈孔,从而得到具有更佳对比度、清晰度、分辨率和景深的图像。简而言之,精确光圈控件意味着有更好的图像锐度以及对网络视频监视操作者而言具有更高质量图像的可用性。这是为什么呢?据此应作分析说明。

  精确光圈控件的构建及关键作用

  精确光圈控件系统涉到一种对于光圈角色的全新认识。系统由一个精确光圈镜头和摄像机专用软件组成。软件控制着精确光圈镜头中的电机,支持对光圈孔的自动、精确控制。了解精确光圈控件关键是了解光圈如何影响图像质量。镜头光圈调节着光圈孔大小及穿过镜头的光的数量,以确保图像可以正确曝光。如果没有光圈,在非常明亮的环境中,图像可能变得太亮,或如果镜头孔不够大,没有足够光线进入,则图像可能变得太暗。光圈孔的大小还会影响图像锐度和景深。景深是指在焦点前后物体同时清晰显现的距离。大光圈孔将减少景深而小光圈孔将增加景深。

  在许多监测应用中拥有良好的景深非常重要,因为它可以让更多场景清晰可见。比方在诸如长廊或停车场的视频监测中,这特别有用。一般来说,光圈孔较小有助于提高图像锐度,因为它可减少光学误差。当全部镜头表面被使用时,所有的镜头都会产生某种像差。而图3所示为景深示意。从图3可看出拥有良好的景深,在此处可实现离摄像机远近不同的物体同时聚焦,这在许多安防监测应用中非常重要,因为它可以让更多场景清晰可见。

   为精确光圈控件景深示意图

  与精确光圈控件配合使用的是借助电子方法。即用增益(放大信号电平)和曝光时间一起来管理光照条件的微小变化,并进一步优化图像。这使最佳光圈位置能保留尽可能长的时间。当首选光圈位置和摄像机的电子处理能力不能充分调节曝光时,带精确光圈控件的网络摄像机将自动指示光圈移动到不同位置。例如,在黑暗环境下,光圈将完全打开。在明亮的环境中,带精确光圈控件的网络摄像机设计为限定光圈关闭在某个位置以避免衍射或模糊。这样,在所有光照条件下,精确光圈控件都能自动调节提供最佳图像质量。图4-1为精确光圈控件的网络摄像机拍摄的图像与传统网络摄像机拍摄的图像图4-2之比较。相比之下图4-1中具有鲜明对比度。

   为精确光圈控件的网络摄像机拍摄的具有鲜明对比度图像

   为传统网络摄像机拍摄的图像

  现有镜头选择

  在推出精确光圈之前,固定监测摄像机的镜头光圈控件可选类型分为固定、手动或自动三种。固定光圈的镜头不能调节光圈孔。对于手动光圈镜头,光圈孔必须手动调节。对于自动光圈镜头,无论是DC光圈还是视频光圈,都可根据光线亮度的变化自动调节光圈孔。对于光线亮度恒定的室内应用,固定或手动光圈镜头比较适用,因为没有必要不停地调节光圈孔。

  后话--精确光圈控件技术呈现带来的新效应

  由于精确光圈控件是一款创新解决方案(如安讯士网络通讯有限公司旳P-iris),真正让网络摄像机,尤其是百万像素或HDTV网络摄像机,能够在所有光照条件下都发挥出最佳性能。借助良好景深,它能提供色彩艳丽、高分辨率的图像。同时它还能避免在明亮环境中发生衍射。而且,这一切都是自动完成的,这在室外视频监测应用中非常有用。尽管精确光圈控件初始只应用在少数网络摄像机中,但这项技术毕竟是视频监测摄像机的创新发展并有望成为新的行业标准(即重新定义视频质量),必将逐歩推广到整个安防监控行业。

吴康 现任职于艾伦安控创新研究中心

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