低照性能的突破 照亮 IP 視頻攝像機(jī)應(yīng)用前景

執(zhí)行概要

視頻攝像機(jī)近來不斷出現(xiàn)在每一個(gè)角落，因?yàn)樗鼈兡軌蜃屛覀冊诓粸樗那闆r下進(jìn)行事物監(jiān)控，如某個(gè)地方、某個(gè)人及某件事。攝像機(jī)技術(shù)就像人的眼睛，只能通過感受和處理存在的光才能看到物體和場景。正如關(guān)掉屋里的燈，我們需要努力才能看清楚一樣，許多視頻攝像機(jī)必須處理低照環(huán)境。如果攝像機(jī)不能克服低照條件，進(jìn)行清楚地監(jiān)控，在場景中布置攝像機(jī)未必就能提供我們所需要的能見度。

視頻攝像機(jī)技術(shù)的最新發(fā)展，尤其是低照噪聲濾波技術(shù)的發(fā)展，不僅增強(qiáng)了構(gòu)成視頻流的單幅靜態(tài)影像或幀的質(zhì)量，而且還可增強(qiáng)構(gòu)成每幀的單個(gè)像素的保真度。改進(jìn)的濾波技術(shù)支持三維工作，可消除低照視頻流中的視覺異常，讓影像清晰銳利。采用強(qiáng)大實(shí)時(shí)處理器、配備高級(jí)壓縮算法的攝像機(jī)在低照條件下通常比人眼更敏銳。據(jù) 2010 年聯(lián)邦調(diào)查局統(tǒng)一犯罪報(bào)告，有 52.8% 的暴力犯罪與 81.7% 的財(cái)產(chǎn)犯罪尚未破獲1。配備良好低照技術(shù)的攝像機(jī)將有助于縮小這一數(shù)字。

問題出現(xiàn)的部分原因

連接至互聯(lián)網(wǎng)的視頻攝像機(jī)(IP 攝像機(jī))正部署于各種應(yīng)用。除安全與執(zhí)法設(shè)施中實(shí)施的常用安全監(jiān)控?cái)z像機(jī)外，攝像機(jī)現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、平板電腦和智能手機(jī)。此外，越來越多的車輛也已開始配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)或車載黑匣子，以輔助狹窄角落中的復(fù)雜操作，增強(qiáng)車輛的安全性。作為這些應(yīng)用以及其它應(yīng)用的基礎(chǔ)，IP 攝像機(jī)必須在低照下頻繁提供視頻流，就算有輔助照明也是如此。這個(gè)問題在安全應(yīng)用中尤為重要。

用于監(jiān)控黑暗小巷或者光線昏暗走廊的 IP 監(jiān)控?cái)z像機(jī)提供的視頻流往往模糊、像素化、不清楚，而且對(duì)比度差。低質(zhì)量視頻流往往會(huì)造成面部無法識(shí)別或者完全錯(cuò)過所發(fā)生的事件，影響視頻安全監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)用性。提供更好的照明條件一般并不可行，因?yàn)闊艄獗旧硇枰杀竞途S護(hù)，而且會(huì)使安全監(jiān)控系統(tǒng)容易被人注意。

最后，理想的解決方案就是增強(qiáng) IP 攝像機(jī)的低照性能，使之能夠在較低光線下實(shí)現(xiàn)更高的工作效率，提供清晰銳利的影像。下列影像中，一個(gè)采用低照性能增強(qiáng)技術(shù)，另一個(gè)則沒有。它們可清楚地說明這些技術(shù)增強(qiáng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用效果的方法。

圖 1：未采用低照性能增強(qiáng)技術(shù)拍攝的視頻影像

圖 2：采用低照性能增強(qiáng)技術(shù)拍攝的視頻影像

低照視頻信號(hào)中的“噪聲”

造成 IP 攝像機(jī)在低照條件下影像質(zhì)量下降的元兇是“噪聲”。或者說是攝像機(jī)因低照條件而不當(dāng)納入影像的無關(guān)信號(hào)數(shù)據(jù)。這些攝像機(jī)信號(hào)處理中的偽像或異常數(shù)據(jù)可導(dǎo)致視頻流質(zhì)量降低、影像模糊、清晰度下降。要改善工作在低照環(huán)境中的視頻 IP 攝像機(jī)影像質(zhì)量，需要盡可能多地消除這種噪聲。通過提高視頻數(shù)據(jù)流的信噪比 (SNR)，攝像機(jī)可提供更加清晰的影像。噪聲降低后，來自場景中實(shí)際對(duì)象的信號(hào)會(huì)增強(qiáng)，視頻影像更清晰。噪聲有幾個(gè)明確的來源，每一個(gè)都必須進(jìn)行某種程度的處理。

· 顆粒噪聲

顆粒噪聲理所當(dāng)然來自可見光子命中視頻攝像機(jī)傳感器的命中率的波動(dòng)。命中傳感器像素的光子數(shù)量圍繞與像素照度成比例的一個(gè)平均速率隨機(jī)變化。

· 固定圖形噪聲

固定圖形噪聲由構(gòu)成 IP 攝像機(jī)傳感器像素的小幅變動(dòng)造成。每個(gè)像素在被可見光子命中時(shí)的反應(yīng)不同。這些差異可能來自像素及色彩濾波器的差異，也可能來自連接像素的電路的差異。

· 讀出噪聲

視頻攝像機(jī)光傳感器采集的模擬信息必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以便攝像機(jī)處理。這項(xiàng)工作由模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成。讀出該轉(zhuǎn)換過程不完全性帶來的噪聲。

消除噪聲

消除或過濾低照視頻流的噪聲有兩種基本方法。第一種方法為空間濾波。這種方法沿著構(gòu)成顯示屏影像的二維、高、寬進(jìn)行。第二種方法為時(shí)間濾波，可為視頻流中還存在的時(shí)間增加第三維。

· 空間濾波

視頻流由按時(shí)間順序播放的獨(dú)立靜止影像或幀構(gòu)成。實(shí)時(shí)視頻流通常每秒顯示 30 幀。不過如果不要求實(shí)際動(dòng)作的逼真性，也可實(shí)施其它顯示速率。空間濾波是一種算法分析，獨(dú)立對(duì)每幀進(jìn)行檢查，沿影像 X 軸和 Y 軸進(jìn)行每像素比較，發(fā)現(xiàn)噪聲并予以清除。

· 時(shí)間濾波

時(shí)間濾波算法可將時(shí)間維加入分析。這種方法不像空間濾波那樣，對(duì)整個(gè)幀進(jìn)行檢查，而是按時(shí)間維分析每個(gè)像素。即將每個(gè)像素與后一個(gè)幀對(duì)比，判斷是否有噪聲存在。如果某個(gè)像素的運(yùn)動(dòng)方式非常類似于噪聲，就予以清除。時(shí)間濾波比空間濾波更復(fù)雜，因?yàn)橐曨l流往往包含運(yùn)動(dòng)，比如物體移動(dòng)或者某人走過攝像機(jī)視野。時(shí)間濾波不但必須能夠分辨出攝像機(jī)需要觀察的真實(shí)運(yùn)動(dòng)，將其保留在視頻數(shù)據(jù)流中，同時(shí)還應(yīng)發(fā)現(xiàn)像素中任何類型可能為噪聲的異常運(yùn)動(dòng)，將其清除。為達(dá)到該目的，已經(jīng)開發(fā)出兩種方法，即動(dòng)作自適應(yīng)法和動(dòng)作補(bǔ)償法。

動(dòng)作自適應(yīng)法可嘗試確定物體動(dòng)作發(fā)生的視頻流區(qū)域。保留這些區(qū)域中的信號(hào)發(fā)送，其中包括這些區(qū)域中可能出現(xiàn)的任何噪聲。分析影像其它部分的移動(dòng)像素，判別是否是噪聲，如果是就清除。

動(dòng)作補(bǔ)償分析法比動(dòng)作自適應(yīng)法復(fù)雜得多。動(dòng)作補(bǔ)充分析法將先建立基準(zhǔn)幀，以便對(duì)物體移動(dòng)形成的運(yùn)動(dòng)像素進(jìn)行時(shí)間濾波。如果運(yùn)動(dòng)分析正確，動(dòng)作補(bǔ)償法與動(dòng)作自適應(yīng)法相比能夠去除移動(dòng)物體上更多的噪聲。但動(dòng)作分析在低照條件下形成的高噪聲水平上容易出錯(cuò)，因此可能會(huì)無法去除噪聲并產(chǎn)生煩人的偽像。

德州儀器 (TI) 等能夠提供大量動(dòng)作自適應(yīng)法及動(dòng)作補(bǔ)償法的技術(shù)提供商，可充分滿足 IP 攝像機(jī)制造商與安全系統(tǒng)集成商的各類需求。