低照度摄像机四模式应用与技术现状分析

　　目前市场上的低照度摄像机无论是厂商或是客户，对于低照度的定义大家说法不一，这也因为在国内的市场没有关于低照度统一的标准，但客户目前对低照的要求越来越高，要求24小时全天候监控，应用的环境也越来越复杂，这也给客户带来了一定的盲从，目前对低照环境下的成像应用主要有热成像，ICCD摄像机，EMCCD摄像机，CCD摄像机，以及目前正在日趋普遍应用的CMOS摄像机，和主动红外摄像机,星光级网络摄像机。

　　低照度摄像机四模式应用

　　在进行低照与夜视监控建置及产品选型前，需先对低照与夜视应用的类别及特性有所了解，只有掌握这些类别特性之后才能善加运用于相应的环境。首先，低照度摄像机一般是指无需辅助灯光就能够辨别低照环境下的目标，其原理是运用摄像机本身感光组件Sensor、图像处理单元ISP/DSP及镜头光学作用共同实现，应用这些底层关键技术，低照与夜视监控的应用方式才得以产生实际的效能，而其实现方式并非唯一，大致包含以下几大类。

　　1、最常用的低光高感应模式(Low-Light Mode)

　　又称低光全彩模式，此型摄像机大多采用Super HAD、Ex-view/EXTRA-View CCD或背照式COMS为感光组件，在低照环境下有很好的可见光和近红外光反应。应用此技术的摄像机也称做全天候摄像机。通常其低光彩色模式的低照度可达10-2Lux，以黑白呈现可达10-3Lux，搭配红外辅助照明则可在 0 Lux下使用，但后两种情况的照度不构成Low-light即低光彩色条件的要求与模式。此种监控摄像机不仅能清晰的辨识影像，更能在低光下维持一定噪声值呈现彩色画面，且没有通过快门慢速光累积方式实现低照显示时出现的画面延迟拖尾等情况。

　　2、最便利的日彩色/夜黑白模式(Day/Night Mode)

　　又称为日夜模式，利用电子机械原理，此种摄像机在市场上渐渐成为主流。一般日夜型摄像机的低照性能以彩色10-2Lux及ICR on黑白时10-3~10-4Lux的模式来标示，0Lux这样的标示基本没有意义，因此在应用于低光夜视情况下的日夜监控时必须特别说明。此种摄像机利用黑白影像对红外线高感度的特点，在特定的光线条件下，利用电子机械线路切换滤光片ICR Cut或直接切换为黑白信号，即在感应红外线后将影像由彩色转为黑白模式。而在彩色/黑白线路转换的过程中，因为去除了红外滤光片，使得画面成像焦点产生变化，故必须搭配IR镜头，使日夜成像焦距保持一致，以避免影像焦距模糊及色彩表现不正确等缺点。基于此，虽然此类型摄像机已成为采购趋势，但额外搭配IR镜头令成本增加这一“劣势”无法避免，且严格来说，此模式并不是最理想的低照与夜视应用方式。

　　3、最不得已的红外线辅助照明模式(IR Illumination Mode)

　　又称红外线摄像机(IR Camera)，是目前除了日夜转换摄像机以外最好的一种低照与夜视应用，还可分为摄像机内置IR灯及外挂IR辅助投射灯两种。因为CCD 及CMOS Sensor感光组件可以感应大部分可见光及红外光光谱范围，故可在夜间无可见光照明的情况下，辅助红外光灯照明使影像Sensor感应更清晰的影像。

　　同时，摄像机的感光组件在黑白模式下比彩色模式具有更高的光感灵敏度，可在黑暗的环境中撷取到更清晰的影像，所以在红外灯的辅助照明下，可做到0Lux环境条件下的监控应用。此外，透过光敏电阻的自动点灭装置，还可选择搭配黑白或日夜型摄像机以增加低照与夜视的监控应用能力。

　　4、最具风险的慢速快门模式(Digital Slow Shutter)

　　利用DSS电子低速快门，让光线大量通过光圈快门累积出较高的画面照度效果，也被称为光或帧累积方式。这类帧累积型摄像机，利用慢快门技术，将因光线不足而较显模糊的画面累积起来，形成一个影像清晰的画面。在光圈为f1.2-1.4的前提下，画面能累积足够的照度帧数，此技术可降低摄像机照度至10-4Lux。有文章曾提及这是一种虽笨但可靠的低光应用技术，但这种技术只适用于固定式摄像机，且需求环境光线变化恒定，否则容易导致画面拖影延时，适用于禁用红外线或投射灯等静态监控场所。

　　低照度摄像机技术现状分析

　　1、红外成像：红外成像的夜间效果是比较好的，但只能局限于夜间，而且无法显示人眼正常的成像效果，对于显示的反白效果不是很多人都能接受，另外，现阶段，由于热成像摄像机的价格比较昂贵，在国内还处于推广阶段，只应到一些特殊领域，如军队、银行、武警和公安系统，森林防火。

　　2、ICCD摄像机：是在CCD传感器前方加入了图像增强器，也可以说成前置放大，对弱光及弱信号的处理非常优秀，但价格也是相对较高，而且ICCD摄像机在强光环境下曝光极容易老化，甚至损坏，主要用于军事和一些特殊行业，如夜视导航，天文观测，医疗器械，光谱分析，生物工程等一些专用行业。

　　3、EMCCD：是在CCD传感器后方加入增益寄存器，也可以说成后置放大，分辨率与价格比较ICCD略有优势，但图像噪声相比ICCD要大一些，主要应用的也是一些科学上的应用。

　　以上三种低光成像摄像机的低照效果都是非常优秀的，但其独有的特定应该环境限制与较高的价格，目前民用还不能被大家接受。

　　4、CCD，CMOS摄像机：目前是在安防市场上应用的最多的低照度摄像机，下面将详细说明一下CCD与CMOS在低照环境下的差异与市场上主要提升低照效果的方法。

　　由于CCD所有的像素使用的是单一的采样和放大器，而CMOS是每列相素都有自己独立的采样和放大器，由于多个放大器无法做到一致性，导致信号产生的Noise比CCD的的要大很多。在亮态下信噪比高的时候表现不明显，但在低照度下，有效信息弱，噪声信息即使不变，信噪比自然是CCD比CMOS好，在图像整体上看，CCD低照效果将优于CMOS(以上没有计算CCD,CMOS的像素感光面积，因为CMOS大部分都用microlens的方式弥补占空比，间接的增加单个像素的感光面积)。

　　5. 主动红外摄像机：目前市场上对于低照要求非常高的环境下，基本都是采用主动红外摄像机，就是在夜视状态下，红外灯会发出人们肉眼看不到的红外光线去照亮被拍摄的物体，红外线经物体反射后进入镜头进行成像，这时我们所看到的是由红外线反射所成的影像，而不是可见光反射所成的影像，这样就可以拍摄到黑暗环境下肉眼看不到的物体，也就是人们常说的可以达到0lux ，但这样就有以下几个问题：

　　1) 如果是比较空旷的环境，红外灯没有可反射的物体，这样在图像上是全黑的，显示效果不好

　　2) 如果监控环境比较复杂，如：监控环境中有一个树，树后面才是监控的对像，这样前面的树叶把所有的红外灯全部者吸反射了，树后面的真正想要监控的物体反而一点都看不到，也就是只能看清前面不能看清后面。

　　3) 远距离的监控红外灯不能达到，超过100-120米的红外灯效果上已经达不到了

　　4) 红外灯的寿命问题，在现在目前各厂家对于红外灯的寿命都写5万小时-10万小时不等，但实际上很少有达到这个寿命的红外摄像机，红外灯过热，功率过大还是现在普遍存在的问题，而具要求照摄距离越远，功率越大，功率越大，热量就越大，如果红外灯靠近摄像机的传感器太近，同样也会影响摄像机的使用寿命，这也是主动红外摄像机所存在的最主要的问题。

　　6.星光级摄像机：星光级摄像机是在正常工作所需照度0.001lux以下可以清晰的看到图像，也就是在夜晚晴天天空有较多的星星的照度下，在国内市场上也有很多厂家都标称星光级摄像机，但基本都是用帧累积方式达到的0.001lux下的成像，这样也就失去了星光的意义，中星电子最新推出的星光级网络摄像机，采用自主开发的星光级传感器，实现低的读取噪声，高的电荷容量，同时结合了中星电子特有的ISP功能，使最低照度可达0.001Lux, 并且还能保持较小的图像噪声，而实现真正意义的星光级摄像机，填补了行业的空白，可以在星光照度下得到清晰，无拖影，1080P全高清的图像，在相对黑暗的环境下无需使用红外灯就可以得到高清晰的图像，夜间成像更接近了特殊行业及军用的ICCD,EMCCD的夜间成像效果，使安防行业在低照度的技术发展更进了一步。