cookieOptions = {...}; ‧ 超低照度攝影機的技術發展之路 - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

台灣電信工程工業同業公會

2014年8月6日 星期三

來源:CPS中安網 作者:唐謹

近幾年,前端攝影機市場的競爭已經白熱化,如何在這片紅海中樹立起自己的航標?以當前的市場格局來看,用戶需求的細分化程度越來越深入,“超低照度”、“寬動態”、“智慧透霧”等等這些從前只在高端產品中出現的名詞,如今已滲透到各個應用領域。特別是超低照度,如今大多數生產廠家都已推出各具特色的不同價位的低照度攝影機,下面我們就從超低照度的技術發展路線和相關注意要點來逐步分析探討。
  
一、“超低照度”到底是什麼?
根據標準化的定義,目前安防行業將前端攝影機分為四個等級:普通級攝影機,一般照度均大於0.1Lux;照度範圍在0.1 Lux0.01 Lux之間的攝影機,一般被稱為低照度攝影機;而被稱為月光級的攝影機,其照度範圍均在0.01Lux0.001Lux;當照度範圍達到並超過了0.0001Lux的時候,便達到了“星光級”的超低照度攝影機。
  
上面的數值雖然一直以來都被用作衡量攝影機產品是否是低照度的標準,但是僅以此視作低照度產品的標杆,是完全不夠的,也是不負責任的一種表現。
  
那麼,我們所說的“超低照度”到底是什麼呢?根據無線電工程學會(IEEE)給出的標準定義:在廣播級影像電平中,任何視訊訊號在播放時的亮度電平都不能超過100IRE。當影像輸出電平的振幅低於原始振幅的30%時,視訊訊號提供的圖像將視為不可用。
  
上面的這個描述或許有點複雜,讓我們將其還原應用至“超低照度” 攝影機上面來:以星光級產品為例,如若在0.001Lux的情況下,通過攝影機自帶(需攝影機內置的影像處理器DSP支援)AGC(自動增益控制)功能提供額外的10%的圖像增益修正,影像輸出的電平只有15%IRE,在這樣的情況下,拍攝到基本無光的實驗室內的圖像表現如下圖1所示,只能稍微看到環境中物品本身所帶的點點亮光,其它幾乎不可視,這是完全沒能達到“可用”標準。因此,在照度描述下標注IRE值是一個安防生產商對自身產品品質的信心體現,也是對客戶負責任的體現。

  圖1
  
加上了IRE標注的低照度產品就能視為可信嗎?回答依然是否定的,因為“光”的開口還被另一個器件——鏡頭把關著。
  
鏡頭的光圈大小,即f值的大小直接決定了產品的價格。光圈越大,f值越小,價格越高;反之亦然。一個需要鏡頭光圈f=0.9開口的星光級攝影機與一個需要鏡頭光圈f=1.2開口的星光級攝影機,你會選擇哪個產品?這個問題或許不好回答,但如果我們換種方式提問:一個價格十萬多元的星光級攝影機與一個價格只需要一萬元左右的攝影機,兩者功能無差異,只有鏡頭不同,大多數客戶都會選擇後者。
  
我們將在f=1.2,振幅電平等於50%IRE情況下,照度達到0.001Lux0.0001Lux的攝影機叫做“月光級”和“星光級” 攝影機,也只有這兩類產品才屬於“超低照度” 攝影機的行列。以迅通的超低照度百萬像素寬動態高清網路半球(月光級產品)為例,在同樣的幾乎無光的實驗室內,其圖像表現如圖2,我們能夠捕捉到無光環境下的物品放置位置及亮光的存在。

  圖2

二、實現超低照度的技術與方法
不同的感測器(尤指CCDCMOS),由於其構造的差異,有著截然不同的方法實現“超低照度”。下面我們將分成兩部分來對其進行論述。
  
1CCD的超低照度之路
一塊CCD感測器即是一個感光面,但其光感性能卻是由每個像素位元的光感性能綜合決定的。以經典的Sony HAD系列CCD感測器為例,在HAD系列感測器誕生之前,受限於當時電子製造業水準,CCD的光感性能在一段時間內遭遇了難以逾越的物理屏障。
  
如何在越來越小的感測器上得到品質良好的成像與低照度表現,第一代Super HAD感測器給出了答案:通過在每個像素點上安裝經過形狀優化設計的鍍膜微小鏡片,以保證光線準確到達感測器底部的基層板上,從而達到提高光利用率,使畫面更清晰,照度更低。

簡而言之,Super HAD技術就是一個放在感測器前面的高效率放大鏡,把光正確的引導至每個微小的像素孔裡面,把原本灰暗的部分給點掃滅了。有了Super HAD技術的支撐,各大廠商紛紛推出了低照度攝影機產品,即在f=1.2的情況下,在光照強度不足0.1 Lux的環境中,輸出圖像依然能達到或超過30%IRE
  
然而真正的“超低照度” 攝影機產品是從第二代Super HAD感測器之後才誕生的。把圖元孔的孔內高度降低,增大每個像素孔的開口,再換個加大號的且經過光學優化的放大鏡。經此設計調整,感測器的感光效率提高了136%,而使用該款感測器的攝影機也能達到星光級標準,即在f=1.2的情況下,在光照強度不足0.0001 Lux的環境中,輸出圖像依然能達到或超過30%IRE
  
2CMOS的超低照度之旅
受限於製造工藝與組成結構的問題,CMOS感測器的超低照度之旅著實要比它的競爭對手CCD來得困難。CMOS又叫互補金屬氧化物半導體,是一種集成了感光器件與模數轉換器的以低電壓驅動的圖像感測器。在其誕生之初,別說低照度了,就是在正常光照下,其畫面輸出效果都讓人汗顏。
  
然而,經過三十多年的發展,CMOS的感光和成像性能有了翻天覆地的變化。
  
醜小鴨終於變成了白天鵝,更有成為鳳凰的潛質。超低功耗、超低照度、千萬圖元、背照式、堆疊式等新名詞出現在了CMOS發展的各個時期。根據市場研究公司In-Stat/MDR的統計結果,圖像感測器的次級市場年成長率高達30%以上,其中80%的份額屬於CMOS感測器。
  
是什麼原因讓CMOS發展如此驚人呢?對比CCD感測器,CMOS的光感性能決定於整塊感測器的受光面積,而非各像素點的入射光強度。這個特性對於科研人員來說,就如同要其去用斧子去劈一塊木樁與一根頭髮的區別。劈木樁,你只要考慮木樁在哪,斧子是否夠利;然而要劈頭發,首先得在動斧子之前找到那根頭髮,還得祈禱斧子下去時不要把頭發給吹走。
  
有了方向,對應的方法就很簡單了。斧頭劈不開,那就換個可以倒立的木樁,如圖3;斧子劈不到中心,那就找個小點的“樹皮”薄點的木樁,如圖4。通過如此舉措,CMOS感測器成了“高性能”“低價格”的代名詞,也逐步被市場認同和接受。

  3
  4

三、超低照度的應用及注意要點
超低照度攝影機的設備穩定性遠高於紅外補光攝影機。受到紅外補光電路的電磁以及紅外燈的發熱影響,在高溫或長時間工作時,紅外補光攝影機經常會出現成像品質變差、紅外切換失靈等一系列問題。也是因為如此,絕大部分的卡口攝影機都需要將補光配件分離出來,以保證系統長時間工作的整體穩定性。
  
低照度攝影機是符合低碳環保的綠色發展主題的。以迅通的網路設計規範為例,一個使用CMOS感測器的超低照度高清槍型攝影機的額定設計功耗為5W左右,而一個使用CMOS感測器的紅外補光高清槍型攝影機的額定設計功率通常達到了9W。這樣算起來,可能幾個攝影機所節省的功耗效果不太明顯,但如果遇到大型監控項目,特別是近中國大陸幾年平安城市項目所承載的監控點越來越多,有些甚至達到幾萬個監控點,如果按1000個監控點,1年的運作時間計算,將可為監控系統節約能耗約3.5萬多千瓦時。
  
超低照度攝影機在使用上與其他攝影機產品沒有太大的不同,所以它一上市便成了市場中的寵兒。越來越多的專案、工程都將其部署在重要區域,其中尤以醫院、銀行、智慧樓宇等對人的視覺感知影響較大且長期處於弱光環境下的重點、敏感區域。

超低照度攝影機的發展是得到市場認同的。產品不論從功能、效果、穩定性,還是從產品的易用性、人性關懷指數甚至環保指數等,都較大幅度的領先於傳統攝影機產品。從目前市場上的售價來看,超低照度攝影機只略高於傳統攝影機,與紅外補光產品顯持平的態勢,而這種態勢將隨著產品的規模化量產而價格逐步被拉低。

相信將來將會有更優秀更智慧更人性化的超低照度攝影機湧現,在智慧城市、平安校園、道路監控、金融等重要領域中大顯身手。

                                                                                                                                                                                                                            

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