浅析:摄像机低照度与宽动态技术

2015年07月13日

                                      浅析:摄像机低照度与宽动态技术

 本文摘自:安防知识网

随着视频监控使用环境和使用者呈现多元化发展,各生产厂商必须要提高摄像机的新技术来应对日益增长的需求,使其能够最大程度的满足应用要求。为了突出监控摄像机对图像的捕捉能力,越来越多的安防厂商将宽动态与低照度两大功能纳入了基本范畴之内,将这两个技术纳入监控摄像机的必备要素。

【低照度技术篇】

低照度技术的发展

相比于红外一体机(红外补光摄像机)红外补光电路的电磁及红外灯发热的影响,在高温场合或长时间工作,红外补光摄像机出现图像质量变差、红外灯衰弱、红外效果变差、红外切换失灵、夜视黑白图像导致人或物分辨不清等问题,超低照度摄像机性能则远高于红外补光机型,在市场中便成了客户、工程商认同的产品,在平安城市、道路监控、金融、校园等领域大显身手。

顾名思义,超低照度摄像机是指在较低光照度条件下仍然可以取得清晰图像的摄像机。最初低照度定义也是从CCD传感器上诞生的,sony had CCD通过在每个像素点上安装经过形状优化设计的镀膜微小镜片,以保证光线准确到达传感器底部的基层板上,从而达到提高光利用率,使画面更清晰,照度更低。受制于当时的电子制造水平,CCD感光性能在很长一段时间遭遇难以逾越的屏障,但是在sony super HAD 传感器诞生后,感光效率提高了更高,达到了星光级标准。和CCD传感器的发展相较,COMS走过了低照度画质最弱的时期,经过三十多年的发展,CMOS的感光性及图像效果也有了翻天覆地的变化,下面重点概述CMOS低照度的两种实现方式。

前面照度技术,简称FSI。对于FSI技术而言,光线是从前面的金属控制线之间进入,然后再聚焦在光面二极管上。此类技术,对于较大像素而言具有一定优势,而对比日益要求高像素来解决FSI在材料及制造方面的问题就存在一定的局限性,虽然光敏灵敏度有所提高,但在更小像素1.1um升至更小像素时,FSI光敏导管设计难度大大增加,缺陷越显突出。

背面照度像素技术,简称BSI,背面照度技术相比FSI,改为从像素的后面搜集光子,反转的架构也将光敏二极管转移到顶部,由于光不需要穿过金属线及电介质,导致光子丢失,从而来实现光电效率的最大化。图像传感器厂家也宣称同样大小像素尺寸下,背光照度技术将弱光敏灵敏度提高了30%,从而扩大更大面积的感光范围。BSI的微透镜更贴近于光敏二极管,从而其在工艺上对背面处理相对比较麻烦,对于此类工艺研发的厂家也需花大量精力及财力攻克此难关。当然,将FSI技术不断改进,可以直接应用于BSI技术,从而为提高BSI性能打下了坚实的基础。

影响低照度性能的因素

影响低照度摄像机因素不仅仅取决于Sensor传感器的自身照度(其自身实现技术),还取决于如下四个主要因素:

一是镜头,镜头是摄像机的重要组成部分,也相当于它的眼睛,镜头可摄取的光线多少直接决定了Sensor成像的清晰度。镜头的摄取的光线多少,我们也称之为进光量F值,光圈越大,F值越小,为了使得低照度摄像机获得更好的更优越的低照效果,搭配适合的F值镜头就成了首要条件。这点却往往被很多客户忽视,认为低照度摄像机可以随便搭配镜头,就能实现低照效果,这是选择低照度摄像机的盲区误区。

二是感光器件,也是上文中提到的FSI及BSI,也是影响摄像机低照度效果的关键因素之一。三是图像处理组件ISP处理。除了不断在镜头硬件以及感光器件方面进行研发改进改良,从而保障低照度性能,此外,图像ISP处理技术也关系到低照度摄像机的图像表现。在低照度噪点降噪处理、曝光时间、模拟数字增益方面,各厂家有不同的风格,在同等情况下对比,会略有差异,当然这是低照度摄像机低照度效果影响因素中较小的因素。

四是彩转黑技术,低照度摄像机在处理光线灵敏度比红外一体机摄像机灵敏度要高很多,与红外一体机区别在于,红外一体机取决于光敏电阻电子机械原理来切换彩色与黑白,而低照度摄像机则利用CPU内部ISP,根据视频亮度增益等信号做内部算法来进行彩色黑白切换。因为每家的算法不一致,所以为了不让低照度摄像机在照度临界边缘上下不断反复切换,需要在算法上去处理,当然这也是衡量厂家低照度摄像机一个指标。

低照度技术衡量标准

由于产业技术规格方面没有统一的标准,对于如何来衡量低照度摄像机,也是众说纷纭。现在也有不少摄像机制造商有自己内部的衡量指标,当然每家衡量标准不一。低照度衡量方法如下,先选择好通光量F1.2的镜头(根据不同像素标准选择同等像素镜头),光圈处于最大位置,D65光源光线照度最低可以调调至到0.05Lux以下,保证所拍摄图像整个面亮度值相差小于20%;测试步骤就是在不改变光源的情况下调节光源照度,当输出图像分辨率达到正常图像分辨率70%(可能每家的标准会有所差异),使用照度计测试测试图上或接近于测试图的照度,这样去衡量其最低照度,当然在衡量低照度摄像机的同时去对比其低照效果时,也要关注下以上提到几个影响因素及指标,比如其低照度噪点、低照度时日夜切换模式是否反复切换、低照度下帧率及拖影效果等等。

低照度技术应用前景广阔

与低照度摄像机对比,红外补光摄像机本身的缺陷无法忽视,与此同时,低照摄像机比红外摄像机消耗功率更低,因此在全民环保意识加强的今天更容易被用户所接受。目前,低照度摄像机的应用除了平安城市、高速路口、港口、医院等传统的监控领域,也在众多注重行业应用的企业助推下,在大中小学校园、各种类型的智慧园区中得以广泛使用,在安全保障和日常业务管理中发挥重要作用。

此外,治安案件90%发生在夜间,夜晚监控的意义要比白天更重要,所以低照摄像机将在今后面临非常广阔的应用前景。

【宽动态技术篇】

宽动态技术的基本概念

动态范围(Dynamic Range)是指摄像机支持的最大输出信号和最小输出信号的比值,或者说图像最亮部分与最暗部分的灰度比值。普通摄像机的动态范围一般在1:1000(60db)左右,而宽动态(Wide Dynamic Range,WDR)摄像机的动态范围能达到1:1800-1:5600(65-75db)。

宽动态技术主要用来解决摄像机在宽动态场景中采集的图像出现亮区域过曝而暗区域曝光不够的现象。简而言之,宽动态技术可以使场景中特别亮的区域和特别暗的区域在最终成像中同时看清楚。

宽动态技术的实现方式

宽动态技术的实现方式主要有两种:一是使用非线性传感器的单次曝光方案,这类传感器对不同照度的灵敏度表现不同,仅一次曝光即可使采集的图像具备较宽的动态范围;二是基于多帧图像合成的多次曝光方案,不同帧之间的曝光时间有差异,对明亮部分进行短曝光,使高亮度区域的灰阶范围更大,对暗的部分进行长曝光,使低亮度区域的灰阶范围更大,最终多个不同曝光时间的帧合成拥有更宽动态范围的图像。

目前主流的宽动态技术以多次曝光多帧合成方案为主。以多帧合成宽动态技术实现的硬件载体而言又可将其分为两类:一是在摄像机的Sensor传感器上实现多次曝光及合成,这种传统方式需要摄像机对接的Sensor传感器本身具备宽动态能力,市面上绝大部分宽动态摄像机均属于此类;二是在摄像机的芯片ISP模组上实现多次曝光及合成,这种实现方式可以对接不具备宽动态能力的普通Sensor传感器,但要求Sensor传感器具备较高的帧率,目前IPS端合成方式在市面上比较少见。

然而实际上,不管是在Sensor端还是在ISP端完成曝光及合成,都是以牺牲帧率为基础的。比如,采用ISP端合成方案的摄像机在宽动态模式下帧率达到30FPS时,其接入Sensor的帧率则需要达到60FPS。差别在于,ISP端合成方案在帧率及宽动态之间可以比较灵活地进行选择,不开启宽动态的情况下可配置的帧率是宽动态模式下的2倍。

真假宽动态

上面阐述的几类宽动态技术通常均属于“真”宽动态,除此之外目前市面还存在另一种形式的“假”宽动态,即数字宽动态。数字宽动态并没有达到真正意义上的扩大成像动态范围的目的,而是通过软件的图像后处理算法提高了局部区域的对比度,一般由摄像机ISP模组实现。我们肉眼可辨别的灰阶范围十分有限,而实际上计算机却可以区分非常微弱的灰度差异,数字宽动态正是通过图像处理算法将这些微弱的差异增强到肉眼足以区分。背光补偿(Back Light Compensation,BLC)也是采用类似的图像处理算法实现的。

宽动态技术在应用上的局限性

市场上主流的多次曝光多帧合成的宽动态技术受限于其实现方式,本身也存在着很多固有的缺陷。一是源自它在高亮区域短曝特征,会导致在日光灯场景下亮区域出现横条纹闪烁,这是常见的日光灯工频引起的闪烁现象,因为在亮区域的曝光时间非常短,没有达到抗闪所需的最低曝光时间;二是源自它在暗区域长曝特征,当物体进行高速运动时会因过长的曝光时间而产生拖影现象。

来源:烟台三和网络系统有限公司
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