剖析低照度摄像机技术:选择红外还是超低照度？

一 低照度摄像机的定义、发展历史及现状

      关于最低照度的标准并没有严格的定义，照度能低到多少，不仅要看镜头的光圈大小(F值)，还要看在什么条件限制下才能出现所标示的LUX值。所以，比较最低照度应是在相同条件下的比较和测试才最为科学和合理，关于最低照度我们可以简单做如下的划分：

      可以看到，为了解决低照度情况下的图像采集问题，主要的途径可以从：补光、低速快门和采用超感度的感光器件几方面入手，当然最简单方式是采用红外补光灯，这种最直接的解决方式大致经历了以下几个阶段：

      红外摄像机目前存在一些缺陷难以解决，如衰减，由于LED灯从电能转化为光能的效率只有25%，另外75%的电能都转化为了热能，LED在高热量下红外光发射性能会衰减;其次红外摄像机的散热问题也得不到良好的解决，红外一体机的一大特点就是集成度高，密封，但是这些热量不仅对LED灯，对CCD也有很大的影响，很多情况内部材料遇热下造成了镜头模糊的现象;另外由于其日夜转换采用单滤光片方式，而单滤光片会偏色，也会造成红外摄像机的成像出现偏差。事实上，这些问题已严重阻碍着红外摄像机的发展，虽红外灯可进行更换，但一旦这样操作，就无形中增加了成本。

      而低照度摄像机，则可借助周围的一切光源，如路灯、走廊灯，甚至月光、星光等，在光线较暗的情况下获得视频图像，以满足夜间监控的需求，其优点是图像效果真实、不偏色。低照度摄像机包括常规型低照度彩色摄像机，即其始终是彩色图像，仅是提高彩色图像处理的灵敏度，但此种摄像机的照度多在0.1LUX以上;另外一种是可实现日夜转换的低照度摄像机，此种摄像机在夜间光照较低的情况下，即可转换为黑白图像，实现日夜监控，照度通常在0.1LUX以下。

      低照度摄像机的发展路线，中国与国外有着很大的差别，因为国外在前端CCD、后端DSP技术方面的优势，更多走的是超低感度的技术路线，而国内因为成本的因素，走光源补偿路线的摄像机发展非常迅速，市场占有率已经超过了50%以上。不过，国外的安防制造企业也在积极迎合中国市场的这种倾向与价格优先的需求特点，不断推出一些红外摄像机产品。

      下表是我们采集的国内几家主流摄像机制造企业产品线中红外摄像机的占比情况：

      低照度摄像机的技术路线剖析

      上面我们分析了目前国内低照度摄像机目前的市场概况，就低照度摄像机涉及的技术环境和背景，我们也可以通过下面的表格，做一个简单的背景介绍，我们从“提高低照度摄像机成像效果的方法“入手，简单说明如下：

      一、从光采集端入手

      CCD1.选用大靶面CCD-同样像素下CCD的尺寸越大其感光度越好(普通CCD的尺寸一般为1/4"和1/3"，但是在智能交通等特殊场合我们就需要采用1”、2/3”、1/1.8”、1/2.5”的尺寸才能达到更清晰的效果)。

      2.选用高灵敏度CCD-将CCD每一像素的开口率提高，进而达到更低照度，SONY的EXVIEWHADCCD其感度可以提高到普通摄像机的4倍。

      CMOSCMOS的优点是耗电少(约为CCD的1/10)、无污点(拍摄高亮度的物体时，监控画面不出现白色的竖线)、制造简便，CMOS图像传感器就可发挥出优于CCD图像传感器的低照度性能。

      镜头采用通光量大的镜头：镜头F值的不同，光透过镜头进入到CCD的量就会有差别，F值越小，其进光量就越多。比如，在相同的焦距下，F1.0与F10相比，镜头进光量相差100倍。为提高摄像机的感光度，应尽量选取通光量大的镜头。

      二、从电路及提高图像处理能力着手

      DPS技术DPS是在数字图像传感器的每一个像素上集成了一个模拟数字转换器(ADC)，并对捕捉到光信号时直接转换为数字信号，降低了噪音和衰减。

      DSP技术由微处理器对系统的状态进行检测与控制，提高图像显示的稳定性、可靠性和一致性。摄像机体积也大为缩小。

      彩转黑采用红外滤光片和切换电路或者采用电子电路来进行彩色/黑白转换;

      数字降噪数字降噪技术可以较好地改善图像的洁净度和清晰度，从而提升低照成像效果，采用自适应数字降噪技术(DNR)，将2D-DNR与3D-DNR结合，在多种条件下，都可很好地降噪。

      帧累积通过电荷单帧累积方式增加CCD在单帧图像的曝光量，从而提高摄像机对单帧图像的灵敏度，此类摄像机又称为(画面)累积型摄像机。

      电路设计专门的低照度电路。

      双滤光片技术采用步进电机驱动的双滤光片设计，实现彩色和黑白模式下的的自动切换。

      如果进一步压缩上述涉及的产业节点，可以看到：实现夜视环境下的的监控，涉及到的因素和技术很多，有硬件，有软件，有成本问题，最主要是各方面的平衡，具体列举如下：

      低照度摄像机成像效果及相关技术点

      目前监控厂家使用的CCD多为日本索尼(Sony)与夏普(Sharp)。据了解，Sony的CCD在表面增加了彩色补光滤光片，颜色构成由RGB升级成更为精细的CMYK色系，另外还将各个微型镜头底部的角度扩大，以增加通光量，提高亮度，在光线较暗时，其噪点也较小。因此，索尼的CCD在监控市场上占据绝对数量。

      除选用合适技术的CCD外，CCD的面积也与低照度摄像机的视频效果有较大关系。CCD单位面积越大，可感受到的光也就越多，但相应成本也会增加。目前监控市场上多使用的1/4″、1/3″与1/2″的CCD，其中1/3″CCD最为普遍，而1/2″CCD由于其感光面积较大，较适用于环境照度较低、补光条件较差，而监控要求较高的应用，如道路监控、森林防火监控等。

      DSP芯片：做好后端处理工作

      在摄像机中，好的CCD固然重要，但后端的DSP芯片(数字信号处理)也起着不可或缺的作用，其将前端CCD采集到的视频信号进行处理，转换为视频图像输出。DSP芯片将后端的降噪处理、宽动态、低照度等功能都集成在其中。

      不少进口品牌公司新推出的DSP芯片，很多都是集宽动态、低照度等多种功能于一身，并拥有数字降噪、暗区补偿等软性功能，色彩还原性和亮度等方面都有很大的提升，并采用自适应数字降噪技术(DNR)，将2D-DNR与3D-DNR结合，在多种条件下，都可很好地降噪。

      有的芯片将画面帧累积处理的效果提高，使获得较好的视频画面。另外还有的芯片具备的CCD电荷单增，可提高灵敏度，增强图像的视频清晰度。同时对于图像出现的噪点，不少厂家也进行一些处理以便减少噪点，如采用帧累积技术，或添加双滤光片，以及数字降噪技术等。

      有的厂家和技术人员可能对技术整合对产业影响和产品提升的巨大作用持不同的观点，认为可能并没有这么重要，我个人的观点恰恰相反。个人认为，就低照度摄像机产业来说，抛开价格和市场因素，用户的需求和产品追求的技术指标是高度一致的：那就是低照度情况下的显示效果。

二 红外摄像机产业链分析

      我们可以将红外摄像机的产业链分为开发层、制造层、应用层。国外企业在CCD/CMOS等核心器件和技术开发方面具有垄断优势，国内红外摄像机产业链以巨大的市场需求为依托，呈现明显的“∞”形状。

      为了进一步分析上面的图片，我们将产业链的各个环节做了下面的细分：

      从上图可以看出来，在前端设备的基础研发层，国外企业的优势相当明显，国内企业在全球竞争的机会主要是在应用开发层和解决方案层。中国的安防企业不太容易在产业链的上游找到自己的位置，但是在产业的右端又是最了解用户需求的，这是国内制造企业最可能获得突破的环节。

三 低照度摄像机的未来发展趋势

      1.将图像存储和视频分析能力向前端设备迁移

      对于重要场合的可追溯性与图像质量、稳定性同样重要，这方面MOBTIX为代表的企业正在通过加大前端图像存储和视频分析来解决，这也某种程度上代表了未来摄像机发展的一个方向。这样做的好处一方面是突发断电、断网情况下有可追溯的数据源，另一方面(尤其是对高清这类大容量数据)也减缓了对网络的传输压力，这方面对于大型、超大型的监控应用显得尤为重要。

      2.网络摄像机的比例将会进一步加大

      我选取了目前国内几家主流制造企业的产品线做了分析，为了分析的更全面和准确，我选取的参数也比较多，目的是通过多个参数的抽样能大致看出目前市场趋势和不同解决方案间的市场占比。模拟、网络产品线的市场占比(不含球形摄像机)，采样总台数305台，模拟，215台，其中网络产品线占29.5%，模拟占70.5%。

      3.网络摄像机中以CMOS作为感光器件的产品将会得到更多的重视

      4.网络摄像机追求更高像素的步伐会加快

      5.网络球和云台摄像机在未来的需求将会减少，取而代之的将会是全景摄像机

      球机和云台摄像机在中国安防市场上一度占有重要的位置和很大的市场份额，但是球机和云台摄像机也有自己本身明显的缺陷：成本高、安装、调试复杂;传统机械结构产生的故障点也会比较多等。随着全景摄像机、高清镜头和光感技术的发展，纯电子方式的解决方案将是未来发展的主流。

四 监控平台的发展趋势和未来走向

      广泛应用数据挖掘技术，图片信息数据化，平台软件智能化是未来趋势。未来的视频监控图像是包含多种信息的“碎片”，这些‘碎片’是重要的数据。图像数据信息的分离和数据挖掘是未来网络摄像机和平台发展的方向，将诞生很多的商业机会。

五 移动安防和云存储、云服务将会逐渐得到应用

      目前，城市安防主要包括技防、物防、人防这三防，如果加上空防，这样就变成了四防的立体安防。个人觉得还缺少移动安防。这里所说的移动安防应该包括结合运营商、云存储、移动客户端、舆情监控等多位一体的，以社区民众作为安防诉求主题的全民安防。

      这样的发展趋势，在未来将带动一批在视频分析、存储、无线安防、智能家居、移动物联类安防制造和安防软件企业的发展。这类企业将有机会在移动安防领域获得重要发展和成长机会，而也会有更多的互联网企业通过移动安防的概念进入安防领域。这将是一个趋势，目前阻碍朝这个方向发展的主管因素已经越来越少，阻力主要来自于中国的移动带宽和手机芯片的数据处理能力。但是，这些客观因素，随着4G/5G的到来、手机芯片和云存储的发展，这一天终将在不久到来。