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低照度攝像機類型及 成像原理分析

作者:不詳   來源:安防知識網  已瀏覽【】次 文字:【】【】【


  近幾年,市麵上出現形形色色的低照度攝像機產品,但所能實現的功能卻是有差別的,究竟是什麽原因造成了它們的不一致?下麵我刊資深技術顧問試從低照度成像產品類型及原理方麵做一番分析。

  低光攝像機又稱作低照度攝像機,是一種專為光線照度不足的環境所開發設計的監控產品,它的組成有相當程度的複雜性,從鏡頭到攝像機傳感器及圖像處理芯片都是形成夜視低照功能的關鍵,因此低光攝像機在成本上也較高於一般攝像機。以下我們就所了解的低光攝像機效能與類別分別說明如後。

  低光攝像成效源自組件條件

  我們都知道低光攝像機除了比須搭配IR類型的鏡頭以滿足日夜低照下的成像焦點之外,更重要的是這種低光攝像機功能形成的組件部分是特別的,尤其在圖像傳感器Sensor與DSP/ISP圖像處理器的部分,現階段由於第6代的網絡高清攝像機已經正式上市,除了更高感度1100mV以上的CMOS圖像傳感器已應用在百萬高清攝像機上,透過這些SONY與Aptina為主的Sensor廠家產品,圖像感應光線的敏感度已大幅改進到0.001Lux以上成為一種標準型態的低光低照度要求,更在Fullhan 等DSP的助力下,讓CMOS應用不再對低光環境具懼;相反,特別是在例如TI DaVinci DM388 視訊處理器的應用下,為百萬像素實時 IP 攝像機推出其進階動態補償低光技術。與很多同類圖像壓縮處理器SoC一樣的解決方案,這種處理器可在一般照明所需的一半的照度條件下呈現清晰的圖像,非常適合各種動態低光環境使用,這種類型的低光型圖像處理器都可采用同步數據壓縮與傳輸以及3D噪聲濾波等功能,並支持夜視寬動態範圍,而且這些都采用 H.264 /SVCT格式且支持實時傳輸,使低光攝像機得以在這些組件支持下取得低光照的實際效應。

  低光攝像機的型式與類別分析

  進行低照度與夜視監控建置及產品選型前,需先對低照度與夜視應用的類別及特性有所了解,隻有掌握這些類別特性之後才能善加運用於相應的環境。首先,低照度攝像機一般是指無需輔助燈光就能夠辨別低照度環境下的目標,其原理是運用攝像機本身感光組件Sensor、圖像處理單元ISP/DSP及鏡頭光學作用共同實現,應用這些底層關鍵技術,低照度與夜視監控的應用方式才得以產生實際的效能,而其實現方式並非隻有一種,大致包含以下幾大類。

  1.低光高感度模式(Low-Light Mode)

  這種類型又稱低光全彩模式,此型攝像機大多采用Super HAD Ex-view CCD/ EXTRA -View CCD或背照式COMS為感光組件,在低照度環境下有很好的可見光和近紅外光反應。應用此技術的攝像機也稱做全天候攝像機。通常其低光彩色模式的低照度可達0.01Lux,以黑白呈現可達0.001Lux,搭配紅外光輔助照明則可在0Lux時使用,但後兩種情況的照度不構成Low-light低光彩色條件的要求與模式。此種不僅能清晰的辨識圖像,更能在低光下維持一定噪聲值以呈現彩色畫麵,且不會有慢速快門光累積(或稱幀累積)方式在呈現低照度圖像時會出現的畫麵延遲拖尾(拖影)等情況。



  2.白天彩色/夜晚黑白模式(Day/Night Mode)

  這種類型又稱為D/N日夜模式,它是利用電子機械原理來發揮作用,此種攝像機在市場上漸漸成為主流。一般日夜型攝像機的低照度性能以彩色0.01Lux及ICR ON黑白時0.001~0.0001Lux的模式來標示,有些標示以0Lux表示,但是這樣的標示基本沒有任何意義,因此在應用於低光夜視情況下的日夜監控時必須特別說明。此種攝像機利用黑白圖像對紅外線高感度的特點,在特定的光線條件下,利用電子機械線路來切換濾光片ICR CUT或直接切換為黑白信號,即在感應紅外線後將圖像由彩色轉為黑白模式。而在彩色/黑白線路轉換的過程中,因為濾除了紅外光,使得畫麵成像焦點產生變化,故必須搭配IR鏡頭,使日夜成像焦距保持在同一成像點,以避免圖像焦距模糊及色彩表現不正確等缺點,雖然此類型攝像機已成為采用主流,但額外搭配紅外IR濾光鏡頭讓成本增加這一點是較令工程商詬病的,且嚴格來說,此模式是主流機型但卻不是最理想的低照與夜視應用方式。

  3.紅外線輔助照明模式(IR Illumination Mode)

  此類型又稱紅外線攝像機(IR Camera),是目前除了日夜轉換攝像機以外,算是最好的一種低照度與夜視應用,此類型還可分為攝像機內置IR紅外線LED燈及外掛IR紅外線輔助投射燈兩種。因為CCD 及CMOS Sensor感光組件可以感應大部分可見光及紅外線光譜範圍,故可在夜間無可見光照明的情況下,輔助紅外燈照明可以使圖像Sensor感應到更清晰的圖像。同時,攝像機的感光組件在黑白模式下比彩色模式下具有更高的光感靈敏度,可在黑暗的環境中擷取到更清晰的圖像,所以在紅外線投射燈的輔助照明下,可做到0Lux環境條件下的監控應用。此外透過光敏電阻的自動點滅裝置,還可選擇搭配黑白或日夜型攝像機以增加低照與夜視的監控應用能力。

  4.DSS慢速快門模式(Digital Slow Shutter)

  這是一種利用DSS電子低速快門,讓光線大量通過鏡頭光圈快門累積出較高的畫麵照度效果,也被稱為光或幀累積方式。這類幀累積型攝像機,利用慢快門技術,將因光線不足而較顯模糊的畫麵累積起來,形成一個圖像清晰的畫麵。在光圈為f1.2-1.4的前提下,畫麵能累積足夠的照度幀數,此技術可降低攝像機照度至10-4Lux。有過去專家提及這是一種笨拙但卻可靠的低光應用技術,但要注意,這種技術隻適用於固定式不動的攝像機采用,且需求環境光線變化是恒定狀態,否則容易導致畫麵拖影、延時現象,這是一種常常被用於禁止使用紅外線或投射燈的靜態監控場所,如石化廠、監獄等案場。

  結語

  對低光型攝像機而言,改善攝像機的靈敏度和動態範圍仍然是現階段廠商努力的目標,監控的環境一直在改變也一直都對攝像機光線照度充滿了挑戰,因此低光型攝像機在像能上也不是就此而止,而是絕對充滿了更加先進的夜視應用契機。