淺析:攝像機低照度與寬動態技術

2015年07月13日

                                      淺析:攝像機低照度與寬動態技術

 本文摘自:安防知識網

隨著視頻監控使用環境和使用者呈現多元化發展,各生產廠商必須要提高攝像機的新技術來應對日益增長的需求,使其能夠最大程度的滿足應用要求。為了突出監控攝像機對圖像的捕捉能力,越來越多的安防廠商將寬動態與低照度兩大功能納入了基本范疇之內,將這兩個技術納入監控攝像機的必備要素。

【低照度技術篇】

低照度技術的發展

相比于紅外一體機(紅外補光攝像機)紅外補光電路的電磁及紅外燈發熱的影響,在高溫場合或長時間工作,紅外補光攝像機出現圖像質量變差、紅外燈衰弱、紅外效果變差、紅外切換失靈、夜視黑白圖像導致人或物分辨不清等問題,超低照度攝像機性能則遠高于紅外補光機型,在市場中便成了客戶、工程商認同的產品,在平安城市、道路監控、金融、校園等領域大顯身手。

顧名思義,超低照度攝像機是指在較低光照度條件下仍然可以取得清晰圖像的攝像機。最初低照度定義也是從CCD傳感器上誕生的,sony had CCD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傳感器底部的基層板上,從而達到提高光利用率,使畫面更清晰,照度更低。受制于當時的電子制造水平,CCD感光性能在很長一段時間遭遇難以逾越的屏障,但是在sony super HAD 傳感器誕生后,感光效率提高了更高,達到了星光級標準。和CCD傳感器的發展相較,COMS走過了低照度畫質最弱的時期,經過三十多年的發展,CMOS的感光性及圖像效果也有了翻天覆地的變化,下面重點概述CMOS低照度的兩種實現方式。

前面照度技術,簡稱FSI。對于FSI技術而言,光線是從前面的金屬控制線之間進入,然后再聚焦在光面二極管上。此類技術,對于較大像素而言具有一定優勢,而對比日益要求高像素來解決FSI在材料及制造方面的問題就存在一定的局限性,雖然光敏靈敏度有所提高,但在更小像素1.1um升至更小像素時,FSI光敏導管設計難度大大增加,缺陷越顯突出。

背面照度像素技術,簡稱BSI,背面照度技術相比FSI,改為從像素的后面搜集光子,反轉的架構也將光敏二極管轉移到頂部,由于光不需要穿過金屬線及電介質,導致光子丟失,從而來實現光電效率的最大化。圖像傳感器廠家也宣稱同樣大小像素尺寸下,背光照度技術將弱光敏靈敏度提高了30%,從而擴大更大面積的感光范圍。BSI的微透鏡更貼近于光敏二極管,從而其在工藝上對背面處理相對比較麻煩,對于此類工藝研發的廠家也需花大量精力及財力攻克此難關。當然,將FSI技術不斷改進,可以直接應用于BSI技術,從而為提高BSI性能打下了堅實的基礎。

影響低照度性能的因素

影響低照度攝像機因素不僅僅取決于Sensor傳感器的自身照度(其自身實現技術),還取決于如下四個主要因素:

一是鏡頭,鏡頭是攝像機的重要組成部分,也相當于它的眼睛,鏡頭可攝取的光線多少直接決定了Sensor成像的清晰度。鏡頭的攝取的光線多少,我們也稱之為進光量F值,光圈越大,F值越小,為了使得低照度攝像機獲得更好的更優越的低照效果,搭配適合的F值鏡頭就成了首要條件。這點卻往往被很多客戶忽視,認為低照度攝像機可以隨便搭配鏡頭,就能實現低照效果,這是選擇低照度攝像機的盲區誤區。

二是感光器件,也是上文中提到的FSI及BSI,也是影響攝像機低照度效果的關鍵因素之一。三是圖像處理組件ISP處理。除了不斷在鏡頭硬件以及感光器件方面進行研發改進改良,從而保障低照度性能,此外,圖像ISP處理技術也關系到低照度攝像機的圖像表現。在低照度噪點降噪處理、曝光時間、模擬數字增益方面,各廠家有不同的風格,在同等情況下對比,會略有差異,當然這是低照度攝像機低照度效果影響因素中較小的因素。

四是彩轉黑技術,低照度攝像機在處理光線靈敏度比紅外一體機攝像機靈敏度要高很多,與紅外一體機區別在于,紅外一體機取決于光敏電阻電子機械原理來切換彩色與黑白,而低照度攝像機則利用CPU內部ISP,根據視頻亮度增益等信號做內部算法來進行彩色黑白切換。因為每家的算法不一致,所以為了不讓低照度攝像機在照度臨界邊緣上下不斷反復切換,需要在算法上去處理,當然這也是衡量廠家低照度攝像機一個指標。

低照度技術衡量標準

由于產業技術規格方面沒有統一的標準,對于如何來衡量低照度攝像機,也是眾說紛紜,F在也有不少攝像機制造商有自己內部的衡量指標,當然每家衡量標準不一。低照度衡量方法如下,先選擇好通光量F1.2的鏡頭(根據不同像素標準選擇同等像素鏡頭),光圈處于最大位置,D65光源光線照度最低可以調調至到0.05Lux以下,保證所拍攝圖像整個面亮度值相差小于20%;測試步驟就是在不改變光源的情況下調節光源照度,當輸出圖像分辨率達到正常圖像分辨率70%(可能每家的標準會有所差異),使用照度計測試測試圖上或接近于測試圖的照度,這樣去衡量其最低照度,當然在衡量低照度攝像機的同時去對比其低照效果時,也要關注下以上提到幾個影響因素及指標,比如其低照度噪點、低照度時日夜切換模式是否反復切換、低照度下幀率及拖影效果等等。

低照度技術應用前景廣闊

與低照度攝像機對比,紅外補光攝像機本身的缺陷無法忽視,與此同時,低照攝像機比紅外攝像機消耗功率更低,因此在全民環保意識加強的今天更容易被用戶所接受。目前,低照度攝像機的應用除了平安城市、高速路口、港口、醫院等傳統的監控領域,也在眾多注重行業應用的企業助推下,在大中小學校園、各種類型的智慧園區中得以廣泛使用,在安全保障和日常業務管理中發揮重要作用。

此外,治安案件90%發生在夜間,夜晚監控的意義要比白天更重要,所以低照攝像機將在今后面臨非常廣闊的應用前景。

【寬動態技術篇】

寬動態技術的基本概念

動態范圍(Dynamic Range)是指攝像機支持的最大輸出信號和最小輸出信號的比值,或者說圖像最亮部分與最暗部分的灰度比值。普通攝像機的動態范圍一般在1:1000(60db)左右,而寬動態(Wide Dynamic Range,WDR)攝像機的動態范圍能達到1:1800-1:5600(65-75db)。

寬動態技術主要用來解決攝像機在寬動態場景中采集的圖像出現亮區域過曝而暗區域曝光不夠的現象。簡而言之,寬動態技術可以使場景中特別亮的區域和特別暗的區域在最終成像中同時看清楚。

寬動態技術的實現方式

寬動態技術的實現方式主要有兩種:一是使用非線性傳感器的單次曝光方案,這類傳感器對不同照度的靈敏度表現不同,僅一次曝光即可使采集的圖像具備較寬的動態范圍;二是基于多幀圖像合成的多次曝光方案,不同幀之間的曝光時間有差異,對明亮部分進行短曝光,使高亮度區域的灰階范圍更大,對暗的部分進行長曝光,使低亮度區域的灰階范圍更大,最終多個不同曝光時間的幀合成擁有更寬動態范圍的圖像。

目前主流的寬動態技術以多次曝光多幀合成方案為主。以多幀合成寬動態技術實現的硬件載體而言又可將其分為兩類:一是在攝像機的Sensor傳感器上實現多次曝光及合成,這種傳統方式需要攝像機對接的Sensor傳感器本身具備寬動態能力,市面上絕大部分寬動態攝像機均屬于此類;二是在攝像機的芯片ISP模組上實現多次曝光及合成,這種實現方式可以對接不具備寬動態能力的普通Sensor傳感器,但要求Sensor傳感器具備較高的幀率,目前IPS端合成方式在市面上比較少見。

然而實際上,不管是在Sensor端還是在ISP端完成曝光及合成,都是以犧牲幀率為基礎的。比如,采用ISP端合成方案的攝像機在寬動態模式下幀率達到30FPS時,其接入Sensor的幀率則需要達到60FPS。差別在于,ISP端合成方案在幀率及寬動態之間可以比較靈活地進行選擇,不開啟寬動態的情況下可配置的幀率是寬動態模式下的2倍。

真假寬動態

上面闡述的幾類寬動態技術通常均屬于“真”寬動態,除此之外目前市面還存在另一種形式的“假”寬動態,即數字寬動態。數字寬動態并沒有達到真正意義上的擴大成像動態范圍的目的,而是通過軟件的圖像后處理算法提高了局部區域的對比度,一般由攝像機ISP模組實現。我們肉眼可辨別的灰階范圍十分有限,而實際上計算機卻可以區分非常微弱的灰度差異,數字寬動態正是通過圖像處理算法將這些微弱的差異增強到肉眼足以區分。背光補償(Back Light Compensation,BLC)也是采用類似的圖像處理算法實現的。

寬動態技術在應用上的局限性

市場上主流的多次曝光多幀合成的寬動態技術受限于其實現方式,本身也存在著很多固有的缺陷。一是源自它在高亮區域短曝特征,會導致在日光燈場景下亮區域出現橫條紋閃爍,這是常見的日光燈工頻引起的閃爍現象,因為在亮區域的曝光時間非常短,沒有達到抗閃所需的最低曝光時間;二是源自它在暗區域長曝特征,當物體進行高速運動時會因過長的曝光時間而產生拖影現象。

來源:煙臺三和網絡系統有限公司
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