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详解低照度摄像机的指标与应用实例

如何看懂摄像机的低照度参数指标,从而衡量出不同摄像机低照度性能的优劣,成为系统集成商关心的一个问题。那么,在摄像机的宣传指标参数是真实可信的前提下,是否能够通过对摄像机低照度参数指标的分析解读,找到一条有效衡量摄像机低照度性能的途径呢.....
资讯频道文章B

  在视频监控领域里,摄像机的低照度性能是一项重要性能指标,它决定了摄像机在低照度环境下的拍摄效果。所以,低照度指标历来成为衡量摄像机性能和质量的重要参考依据之一。只是在知道其重要性之后,究竟该如何正确、有效的理解并利用它?

  系统集成商在选购摄像机时,经常会面临多种选择,不同厂家对摄像机指标参数的不同表达方式常常令人迷惑,而限于实际情况,往往无法逐个测试摄像机的低照度效果。如何看懂摄像机的低照度参数指标,从而衡量出不同摄像机低照度性能的优劣,成为系统集成商关心的一个问题。那么,在摄像机的宣传指标参数是真实可信的前提下,是否能够通过对摄像机低照度参数指标的分析解读,找到一条有效衡量摄像机低照度性能的途径呢?


  一个误区

  2款不同的摄像机,在同样状态下(彩色或者黑白),A摄像机的低照度指标是0.1LUX,B摄像机的低照度指标是0.05LUX,是否能认定B摄像机的低照度效果好于A摄像机呢?如果不加判断,仅凭两个数值的对比,我们很容易得出这个不准确的结论,那么实际情况是怎样的呢?

  如果不加任何限制条件,说某摄像机的低照度指标是0.1Lux时,仅仅表示环境照度在0.1Lux的情况下,此摄像机是可以工作的。但此种光照条件下,摄像机的输出视频是否具有可看性和实际意义却不得而知。例如某个摄像机的低照度指标是0Lux,这是否表示此摄像机真的能在没有可见光的环境下能成像呢,答案显然是否定的,如排除红外光成像,此时摄像机拍摄的图像是漆黑一片,没有实际意义。

  三个参数

  摄像机的低照度指标不应该只是一个简单的XX Lux值,在任何一份准确专业的摄像机参数资料上,摄像机低照度指标应该至少表示为如下格式:彩色模式:XX Lux @F X(X IRE ,AGC XX)黑白模式:XX Lux @F X(X IRE ,AGC XX)

  也就是说,摄像机的低照度性能至少和3个参数是相关的,亦即配用镜头的F值,IRE值以及摄像机的AGC参数。在这些参数完整的前提下,前面的照度值才具有意义且可对比的。同时必须指出,如果摄像机是彩转黑的,必须列出彩色和黑白状态下各自的低照度指标。

  那么低照度标准表达式中各个量是什么意义以及它们之间有什么关系呢?

  F值

  F是镜头的光圈系数,与进光量呈反比关系。由于摄像机必须依靠镜头的光圈来决定进光量,从而决定拍摄效果。所以,在表达摄像机的低照度指标时,必须要有一个F值为条件。对于一款自动光圈的变焦距镜头来说,镜头上一般会标示出F值,注意,此值只代表焦距最小时即广角状态时的光圈值,一般认为,随着焦距的增加,镜头的进光量是逐步减少的,所以当镜头处于广角状态时,画面比较亮,处于望远状态时,画面则变暗,这种现象在夜间尤其明显。镜头焦距的变化,带动镜头进光量的变化,反映到对应F值的改变,但是镜头上的F值,只是标示出此款镜头的最大进光量,所以,只看镜头上标示的F值,只能判断在广角状态下的镜头进光效率,而不能充分体现镜头的真实性能,镜头的2个焦距极端对应的F值通常相差得很大,所以某些镜头夜间在广角时,画面还不错,但是一旦处于望远状态,画面就很暗了。真正好的镜头,在焦距最大和最小时,F值相差并不大,比如从1.8变到1.6,这种镜头的夜间效果相对更好。而通常在低照度指标中标注的F值,表示测试时使用的镜头在广角状态下的F值,即进光量为最大时。

  IRE值

  众所周知,模拟视频是一个峰峰值为1伏的不规则波形,X轴以下为同步电平,幅度为0.3伏即300毫伏,X轴以上是实际视频波形,此部分波形会随着视频亮度以及视频内容发生变化,其幅度为0.7伏即700毫伏。700毫伏是视频信号极限幅值,随着光照条件的下降,此值将会随之下降。如果把镜头完全遮住,通过示波器上可以看到视频波形幅度接近于0。那么IRE是什么呢?IRE是一个视频测量中的单位,在广播级视频电平中规定了任何视频信号在播放时的亮度电平都不可能超过100IRE,即700毫伏等同于100IRE,也就是说,IRE值将指示视频信号的幅度。一般来说,当视频信号低于250IRE(700毫伏的四分之一),即175毫伏时,被认为此时的视频信号是无实际意义的,因为此时反映在监视器上的效果是画面基本漆黑,无法进行有效的监控。鉴于此,在摄像机的低照度指标里,IRE这一项一般不会低于25,往往标注30居多,少数产品标注50。很显然,当环境照度降低时,视频幅度和IRE值都是随之下降的。当考察摄像机的低照度性能时,IRE值可能会很低,但是必须保证显示出的视频还是有意义的。

  AGC参数

  摄像机内部都有一个放大电路用于放大原始视频信号。摄像机中的DSP芯片会检测CCD送出的原始视频信号,如果觉得原始视频信号幅度太小,DSP则会驱动这个放大电路对原始信号进行放大,然后输出放大后的视频信号。DSP会实时检测原始视频信号的幅度,从而动态地控制放大电路的增益值,这就是所谓的“自动增益控制(Auto Gain)”功能,而确定是否开启这个功能的机制就是自动增益控制即AGC。当AGC功能开启时(AGC ON),自动增益电路在光照不佳的情况下就会自动放大视频幅度,使画面变亮(值得注意的是,即使AGC为ON状态,在光照良好的条件下,自动增益电路也不会起作用,画面不会变的更亮),反之,如果AGC功能不开启(AGC OFF),自动增益电路则不会工作。显然,如果AGC开启,在测试摄像机的低照度性能时,放大电路是处于工作状态的。需要说明的是,放大电路会把视频信号中的噪声一起放大,所以画面上会出现噪点。

  当然有些摄像机的AGC不仅仅只有ON 或OFF功能,或还会有若干档位可以用来调节增益电路的最大放大倍数,如AGC 20db、 40db等,在摄像机的低照度指标中也应作为条件一并列出。

  指标的真实含义

  明白以上知识,可以清楚解读一款摄像机的低照度指标的含义了,如下例:[nextpage]

  某款摄像机在黑白模式下的低照度指标是:0.24Lux @F1.2 (25IRE AGC ON),这个指标表示的意义是:此款摄像机 1在 AGC 打开、增益功能有效时,2在配用F值为1.2的镜头并把光圈打到最大时,3在视频幅度达到175毫伏时,此时的环境照度或被摄目标的照度值是0.24lux。所有这一切,描述出了此款摄像机的低照度性能。

  基于参数的有效对比

  摄像机的低照度性能是在多个条件下得出的,衡量2款摄像机的低照度性能,必须保证条件一致,具体来说,至少应该保证彩色或者黑白状态一致、镜头进光量一致(用同样的镜头,对变焦镜头来说,所用焦距一致且最好为广角状态)、IRE值即视频幅度一致以及AGC功能一致(关闭、开启或者最大值)。

  现在回到文章开始的那个选择题,如果A摄像机的低照度指标是0.1Lux@F1.2 (30IRE AGC ON),B摄像机的低照度指标是0.05Lux@F1.2 (30IRE AGC ON),此时就可以明确地说B摄像机的低照度性能要好于A摄像机。原因是:在同样的进光量,同样的AGC功能打开,A摄像机产生幅度为210毫伏的视频信号时所需的环境照度是0.1Lux,而B摄像机只需要0.05Lux的照度就能产生同样幅度的视频信号,显然,如果把二款摄像机都放在照度是0.1Lux的环境中,可以推论出,B摄像机的视频幅度会大于30IRE,在监视器上看到的效果就是B摄像机的图像更亮。

  实际上,对于@后面的参数,不同厂家的产品往往是不同的,即便如此,根据以上的推理方法,我们也能基本判断出摄像机低照度性能的优劣。

  实例对比一

  最后用上述知识来分析3个理想化的例子,仅供参考(设定各例均为摄像机在黑白状态下的指标)。

  · 摄像机A:0.1Lux@F1.2(30IRE AGC ON)

  · 摄像机B:0.1Lux@F1.4(30IRE AGC ON)

  B摄像机配用镜头F值为1.4,大于A摄像机配用的镜头的F值,也就是说,在同样环境照度下,同样开启AGC功能,视频信号的幅度都为210毫伏时,B摄像机的进光量是少于A机的,也就是说,如果B摄像机达到A机的进光量,视频信号幅度是会有提升的,假设提升到40IRE,那么上述B机的低照度指标可以等效于 0.1Lux@F1.2(40IRE AGC ON),换句话说,如果B还保持30IRE的视频信号幅度的话,所需的环境照度将小于0.1Lux,假设为0.05Lux,那么B的低照度指标又可以等效为 0.05Lux@F1.2 (30IRE AGC ON),此时2支摄像机@后的指标完全一致,可直接比较@前数值,显然B的低照度性能更好。

  实例对比二

  · 摄像机A:0.1Lux@F1.2 (30IRE AGC ON)

  · 摄像机B:0.1Lux@F1.2 (50IRE AGC ON)

  B摄像机的IRE值为50,大于A机的IRE值,其他参数完全一致。即,在环境照度都为0.1LUX的条件下,进光量一致,都打开AGC功能,B机产生的信号幅度为350毫伏,而A机只有210毫伏,如果B机降低信号幅度到210毫伏,可以预见,此时的B的环境照度一定小于0.1LUX,假设为0.05LUX,也就是说,B摄像机的低照度指标可以等效为0.05LUX@F1.2 (30IRE AGC ON),此时就很清楚,B机的低照度性能要好于A机。其实也可以更简单地理解,在环境照度都为0.1LUX时,B的视频幅度要高于A,所以B的画面更亮,即B的低照度性能要更好。

  实例对比三

  · 摄像机A:0.1Lux@F1.2 (30IRE AGC ON)

  · 摄像机B:0.1Lux@F1.2 (30IRE AGC OFF)

  在同样的照度0.1LUX下,同样的镜头进光量时,A机在AGC打开,具有增益时,产生的视频幅度是210毫伏,而B机在AGC没有打开时就能产生210毫伏的信号幅度,可以预计,如果B机打开AGC功能,势必造成信号幅度的提升假设为50IRE即350毫伏,那么在AGC打开的前提下,如果要维持210毫伏的信号幅度,B机所需的环境照度一定小于0.1Lux,假设为0.05Lux,那么B机的低照度指标可以等效于0.05Lux@F1.2 (30IRE AGC ON),所以B机的低照度性能要好于A机。

  结语

  在实验室条件下,测试摄像机的低照度的过程是这样的:在暗箱中放置照度计和摄像机,然后不断降低暗箱中的照度,同时注意观察仪器检测到视频幅值,随着照度的下降,视频幅值也会逐渐下降,当视频幅值到达可以接受的最低值时(通常相当于25IRE),此时的照度计读数即为此款摄像机的最低照度。此过程中,需要保证镜头光圈开到最大,且摄像机的AGC值设置适当,不至于使噪点过大从而影响实际观感。

  在实际对比测试摄像机低照度性能的过程中,对不同的摄像机,为保证外部环境照度一致,只需安装同样的镜头,如果是手动光圈的镜头,都需要把光圈开到最大,如果是自动光圈的镜头,那么在较暗的环境下,光圈会自动达到最大,如果是变焦镜头,为了保证进光量完全一致,必须使用同样的焦距拍摄同一个环境下的同一个物体,再把AGC功能设定为同一个级别(在视频可以接受的前提下尽量增大),然后看各自的视频,在不影响观感的前提下,哪个画面亮,哪个摄像机的低照度效果就好。

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