剖析低照度攝像機技術:選擇紅外還是超低照度？

一?低照度攝像機的定義、發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

關于最低照度的標準并沒有嚴格的定義，照度能低到多少，不僅要看鏡頭的光圈大小(F值)，還要看在什么條件限制下才能出現(xiàn)所標示的LUX值。所以，比較最低照度應是在相同條件下的比較和測試才最為科學和合理，關于最低照度我們可以簡單做如下的劃分：

可以看到，為了解決低照度情況下的圖像采集問題，主要的途徑可以從：補光、低速快門和采用超感度的感光器件幾方面入手，當然最簡單方式是采用紅外補光燈，這種最直接的解決方式大致經(jīng)歷了以下幾個階段：

紅外攝像機目前存在一些缺陷難以解決，如衰減，由于LED燈從電能轉化為光能的效率只有25%，另外75%的電能都轉化為了熱能，LED在高熱量下紅外光發(fā)射性能會衰減;其次紅外攝像機的散熱問題也得不到良好的解決，紅外一體機的一大特點就是集成度高，密封，但是這些熱量不僅對LED燈，對CCD也有很大的影響，很多情況內(nèi)部材料遇熱下造成了鏡頭模糊的現(xiàn)象;另外由于其日夜轉換采用單濾光片方式，而單濾光片會偏色，也會造成紅外攝像機的成像出現(xiàn)偏差。事實上，這些問題已嚴重阻礙著紅外攝像機的發(fā)展，雖紅外燈可進行更換，但一旦這樣操作，就無形中增加了成本。

而低照度攝像機，則可借助周圍的一切光源，如路燈、走廊燈，甚至月光、星光等，在光線較暗的情況下獲得視頻圖像，以滿足夜間監(jiān)控的需求，其優(yōu)點是圖像效果真實、不偏色。低照度攝像機包括常規(guī)型低照度彩色攝像機，即其始終是彩色圖像，僅是提高彩色圖像處理的靈敏度，但此種攝像機的照度多在0.1LUX以上;另外一種是可實現(xiàn)日夜轉換的低照度攝像機，此種攝像機在夜間光照較低的情況下，即可轉換為黑白圖像，實現(xiàn)日夜監(jiān)控，照度通常在0.1LUX以下。

低照度攝像機的發(fā)展路線，中國與國外有著很大的差別，因為國外在前端CCD、后端DSP技術方面的優(yōu)勢，更多走的是超低感度的技術路線，而國內(nèi)因為成本的因素，走光源補償路線的攝像機發(fā)展非常迅速，市場占有率已經(jīng)超過了50%以上。不過，國外的安防制造企業(yè)也在積極迎合中國市場的這種傾向與價格優(yōu)先的需求特點，不斷推出一些紅外攝像機產(chǎn)品。

下表是我們采集的國內(nèi)幾家主流攝像機制造企業(yè)產(chǎn)品線中紅外攝像機的占比情況：

低照度攝像機的技術路線剖析

上面我們分析了目前國內(nèi)低照度攝像機目前的市場概況，就低照度攝像機涉及的技術環(huán)境和背景，我們也可以通過下面的表格，做一個簡單的背景介紹，我們從“提高低照度攝像機成像效果的方法“入手，簡單說明如下：

一、從光采集端入手

CCD1.選用大靶面CCD-同樣像素下CCD的尺寸越大其感光度越好(普通CCD的尺寸一般為1/4"和1/3"，但是在智能交通等特殊場合我們就需要采用1”、2/3”、1/1.8”、1/2.5”的尺寸才能達到更清晰的效果)。

2.選用高靈敏度CCD-將CCD每一像素的開口率提高，進而達到更低照度，SONY的EXVIEWHADCCD其感度可以提高到普通攝像機的4倍。

CMOSCMOS的優(yōu)點是耗電少(約為CCD的1/10)、無污點(拍攝高亮度的物體時，監(jiān)控畫面不出現(xiàn)白色的豎線)、制造簡便，CMOS圖像傳感器就可發(fā)揮出優(yōu)于CCD圖像傳感器的低照度性能。

鏡頭采用通光量大的鏡頭：鏡頭F值的不同，光透過鏡頭進入到CCD的量就會有差別，F(xiàn)值越小，其進光量就越多。比如，在相同的焦距下，F(xiàn)1.0與F10相比，鏡頭進光量相差100倍。為提高攝像機的感光度，應盡量選取通光量大的鏡頭。

二、從電路及提高圖像處理能力著手

DPS技術DPS是在數(shù)字圖像傳感器的每一個像素上集成了一個模擬數(shù)字轉換器(ADC)，并對捕捉到光信號時直接轉換為數(shù)字信號，降低了噪音和衰減。

DSP技術由微處理器對系統(tǒng)的狀態(tài)進行檢測與控制，提高圖像顯示的穩(wěn)定性、可靠性和一致性。攝像機體積也大為縮小。

彩轉黑采用紅外濾光片和切換電路或者采用電子電路來進行彩色/黑白轉換;

數(shù)字降噪數(shù)字降噪技術可以較好地改善圖像的潔凈度和清晰度，從而提升低照成像效果，采用自適應數(shù)字降噪技術(DNR)，將2D-DNR與3D-DNR結合，在多種條件下，都可很好地降噪。

幀累積通過電荷單幀累積方式增加CCD在單幀圖像的曝光量，從而提高攝像機對單幀圖像的靈敏度，此類攝像機又稱為(畫面)累積型攝像機。

電路設計專門的低照度電路。

雙濾光片技術采用步進電機驅動的雙濾光片設計，實現(xiàn)彩色和黑白模式下的的自動切換。

如果進一步壓縮上述涉及的產(chǎn)業(yè)節(jié)點，可以看到：實現(xiàn)夜視環(huán)境下的的監(jiān)控，涉及到的因素和技術很多，有硬件，有軟件，有成本問題，最主要是各方面的平衡，具體列舉如下：

低照度攝像機成像效果及相關技術點

目前監(jiān)控廠家使用的CCD多為日本索尼(Sony)與夏普(Sharp)。據(jù)了解，Sony的CCD在表面增加了彩色補光濾光片，顏色構成由RGB升級成更為精細的CMYK色系，另外還將各個微型鏡頭底部的角度擴大，以增加通光量，提高亮度，在光線較暗時，其噪點也較小。因此，索尼的CCD在監(jiān)控市場上占據(jù)絕對數(shù)量。

除選用合適技術的CCD外，CCD的面積也與低照度攝像機的視頻效果有較大關系。CCD單位面積越大，可感受到的光也就越多，但相應成本也會增加。目前監(jiān)控市場上多使用的1/4″、1/3″與1/2″的CCD，其中1/3″CCD最為普遍，而1/2″CCD由于其感光面積較大，較適用于環(huán)境照度較低、補光條件較差，而監(jiān)控要求較高的應用，如道路監(jiān)控、森林防火監(jiān)控等。

DSP芯片：做好后端處理工作

在攝像機中，好的CCD固然重要，但后端的DSP芯片(數(shù)字信號處理)也起著不可或缺的作用，其將前端CCD采集到的視頻信號進行處理，轉換為視頻圖像輸出。DSP芯片將后端的降噪處理、寬動態(tài)、低照度等功能都集成在其中。

不少進口品牌公司新推出的DSP芯片，很多都是集寬動態(tài)、低照度等多種功能于一身，并擁有數(shù)字降噪、暗區(qū)補償?shù)溶浶怨δ埽蔬€原性和亮度等方面都有很大的提升，并采用自適應數(shù)字降噪技術(DNR)，將2D-DNR與3D-DNR結合，在多種條件下，都可很好地降噪。

有的芯片將畫面幀累積處理的效果提高，使獲得較好的視頻畫面。另外還有的芯片具備的CCD電荷單增，可提高靈敏度，增強圖像的視頻清晰度。同時對于圖像出現(xiàn)的噪點，不少廠家也進行一些處理以便減少噪點，如采用幀累積技術，或添加雙濾光片，以及數(shù)字降噪技術等。

有的廠家和技術人員可能對技術整合對產(chǎn)業(yè)影響和產(chǎn)品提升的巨大作用持不同的觀點，認為可能并沒有這么重要，我個人的觀點恰恰相反。個人認為，就低照度攝像機產(chǎn)業(yè)來說，拋開價格和市場因素，用戶的需求和產(chǎn)品追求的技術指標是高度一致的：那就是低照度情況下的顯示效果。

二?紅外攝像機產(chǎn)業(yè)鏈分析

我們可以將紅外攝像機的產(chǎn)業(yè)鏈分為開發(fā)層、制造層、應用層。國外企業(yè)在CCD/CMOS等核心器件和技術開發(fā)方面具有壟斷優(yōu)勢，國內(nèi)紅外攝像機產(chǎn)業(yè)鏈以巨大的市場需求為依托，呈現(xiàn)明顯的“∞”形狀。

為了進一步分析上面的圖片，我們將產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)做了下面的細分：

從上圖可以看出來，在前端設備的基礎研發(fā)層，國外企業(yè)的優(yōu)勢相當明顯，國內(nèi)企業(yè)在全球競爭的機會主要是在應用開發(fā)層和解決方案層。中國的安防企業(yè)不太容易在產(chǎn)業(yè)鏈的上游找到自己的位置，但是在產(chǎn)業(yè)的右端又是最了解用戶需求的，這是國內(nèi)制造企業(yè)最可能獲得突破的環(huán)節(jié)。

三?低照度攝像機的未來發(fā)展趨勢

1.將圖像存儲和視頻分析能力向前端設備遷移

對于重要場合的可追溯性與圖像質(zhì)量、穩(wěn)定性同樣重要，這方面MOBTIX為代表的企業(yè)正在通過加大前端圖像存儲和視頻分析來解決，這也某種程度上代表了未來攝像機發(fā)展的一個方向。這樣做的好處一方面是突發(fā)斷電、斷網(wǎng)情況下有可追溯的數(shù)據(jù)源，另一方面(尤其是對高清這類大容量數(shù)據(jù))也減緩了對網(wǎng)絡的傳輸壓力，這方面對于大型、超大型的監(jiān)控應用顯得尤為重要。

2.網(wǎng)絡攝像機的比例將會進一步加大

我選取了目前國內(nèi)幾家主流制造企業(yè)的產(chǎn)品線做了分析，為了分析的更全面和準確，我選取的參數(shù)也比較多，目的是通過多個參數(shù)的抽樣能大致看出目前市場趨勢和不同解決方案間的市場占比。模擬、網(wǎng)絡產(chǎn)品線的市場占比(不含球形攝像機)，采樣總臺數(shù)305臺，模擬，215臺，其中網(wǎng)絡產(chǎn)品線占29.5%，模擬占70.5%。

3.網(wǎng)絡攝像機中以CMOS作為感光器件的產(chǎn)品將會得到更多的重視

4.網(wǎng)絡攝像機追求更高像素的步伐會加快

5.網(wǎng)絡球和云臺攝像機在未來的需求將會減少，取而代之的將會是全景攝像機

球機和云臺攝像機在中國安防市場上一度占有重要的位置和很大的市場份額，但是球機和云臺攝像機也有自己本身明顯的缺陷：成本高、安裝、調(diào)試復雜;傳統(tǒng)機械結構產(chǎn)生的故障點也會比較多等。隨著全景攝像機、高清鏡頭和光感技術的發(fā)展，純電子方式的解決方案將是未來發(fā)展的主流。

四?監(jiān)控平臺的發(fā)展趨勢和未來走向

廣泛應用數(shù)據(jù)挖掘技術，圖片信息數(shù)據(jù)化，平臺軟件智能化是未來趨勢。未來的視頻監(jiān)控圖像是包含多種信息的“碎片”，這些‘碎片’是重要的數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)信息的分離和數(shù)據(jù)挖掘是未來網(wǎng)絡攝像機和平臺發(fā)展的方向，將誕生很多的商業(yè)機會。

五?移動安防和云存儲、云服務將會逐漸得到應用

目前，城市安防主要包括技防、物防、人防這三防，如果加上空防，這樣就變成了四防的立體安防。個人覺得還缺少移動安防。這里所說的移動安防應該包括結合運營商、云存儲、移動客戶端、輿情監(jiān)控等多位一體的，以社區(qū)民眾作為安防訴求主題的全民安防。

這樣的發(fā)展趨勢，在未來將帶動一批在視頻分析、存儲、無線安防、智能家居、移動物聯(lián)類安防制造和安防軟件企業(yè)的發(fā)展。這類企業(yè)將有機會在移動安防領域獲得重要發(fā)展和成長機會，而也會有更多的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)通過移動安防的概念進入安防領域。這將是一個趨勢，目前阻礙朝這個方向發(fā)展的主管因素已經(jīng)越來越少，阻力主要來自于中國的移動帶寬和手機芯片的數(shù)據(jù)處理能力。但是，這些客觀因素，隨著4G/5G的到來、手機芯片和云存儲的發(fā)展，這一天終將在不久到來。