解析監(jiān)控?cái)z像機(jī)常用的三大技術(shù)特點(diǎn)
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目前民用監(jiān)控產(chǎn)品中使用的通常有這樣幾種技術(shù):高靈敏度材料、數(shù)字慢快門技術(shù)、彩轉(zhuǎn)黑技術(shù)、被動(dòng)紅外成像技術(shù)等等,因?yàn)楸O(jiān)控要求和應(yīng)用場(chǎng)合的不同,所以在實(shí)際應(yīng)用中就出現(xiàn)了不同的應(yīng)用市場(chǎng)。
高靈敏度材料
使用高靈敏度材料,包括使用高靈敏度光感應(yīng)材料,超高信噪比信號(hào)分析處理器件,信號(hào)處理增加一些特殊處理技術(shù)等等,以此來提高對(duì)光線較低情況下圖像采集的還原效果,但是由于成本及考慮體積等方面的原因,這個(gè)雖然是最好的方案卻仍然很難在短時(shí)間內(nèi)被廣泛應(yīng)用。
目前針對(duì)CCD感光元件而言,提高感光度主要通過兩種方法。由于通過物理方式增大感光面積,受設(shè)備體積限制無法實(shí)現(xiàn),因此其一是在元件每一感光二極管上(單一像素)裝置微小鏡片變相增大感光面積的方式來獲得感光度的提升,變得行之有效。這個(gè)設(shè)計(jì)就像是幫CCD掛上眼鏡一樣,但是CCD經(jīng)過35年的發(fā)展,這種技術(shù)提升的空間也已相當(dāng)有限。其二,就是通過特定的信號(hào)增強(qiáng)電路,根據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)算來獲得合理的曝光,但這樣通常會(huì)因?yàn)镃CD快速感光引起像素感光不均而形成噪點(diǎn),這時(shí)拍攝出的畫面顆粒感會(huì)較為明顯。此時(shí)又不得不采取辦法來平衡高感光度和高畫質(zhì)之間的矛盾,從而勢(shì)必又帶來更高的成本投入。
數(shù)字慢快門技術(shù)
數(shù)字慢快門技術(shù)(digitalslowshuttle),實(shí)際上它并不是一種快門,只是它的功能在某種程度上類似于快門而已,快門(shuttle)和光圈(IRIS)都是攝像機(jī)上控制光線通過鏡頭,達(dá)到光捕捉效果的一個(gè)部件。也可以這樣理解,光圈是光線通過鏡頭時(shí)能夠進(jìn)入的一個(gè)孔,孔的大小就是光圈的大小,孔越大,相同情況下通過的光就越多,而快門是掌握光圈開關(guān)的部分,控制光圈是處于一直開啟狀態(tài)還是按照一定時(shí)間間隔定時(shí)開關(guān)。
我們知道,根據(jù)人眼的視覺暫留特性,為了確保看到的圖像是連續(xù)的,PAL制電視信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)是
25幀/秒隔行掃描,就是說,每一秒種經(jīng)過我們眼前的圖像實(shí)際是由25個(gè)畫面構(gòu)成的連續(xù)畫面,在拍攝目標(biāo)的時(shí)候,每隔1/25秒,一個(gè)點(diǎn)才能夠被掃描到一次,因?yàn)槭歉粜袙呙瑁?個(gè)場(chǎng)才能構(gòu)成一個(gè)幀,所以每1秒鐘,PAL制的圖像是50場(chǎng),1場(chǎng)的時(shí)間就是快門的間隔,每一秒鐘,快門必須要工作50次,才能確保輸出的圖像是50場(chǎng)/秒的PAL制圖像,所以PAL制的最低快門速度是1/50秒(此時(shí)光圈實(shí)際上是一直打開的),實(shí)際應(yīng)用中,因?yàn)榄h(huán)境中光線可能會(huì)很強(qiáng),這個(gè)時(shí)候可能會(huì)需要控制進(jìn)光量,就需要控制快門速度,速度越快時(shí),光線能夠進(jìn)入的時(shí)間就越少,進(jìn)光量就越少,相對(duì)來說,圖像就會(huì)顯得比較暗,反之快門速度越慢,圖像就會(huì)越亮,當(dāng)光線照度不足時(shí),即使使用1/50秒圖像仍然不夠亮,這就需要運(yùn)用其他技術(shù)了。
根據(jù)光學(xué)理論,光是可以疊加的,雖然在很暗的環(huán)境下每個(gè)點(diǎn)要1/25秒后才能被掃描到1次,被掃描的時(shí)間也非常短,其亮度非常弱,如果把前后一段時(shí)間內(nèi)該點(diǎn)的亮度都保存并疊加后再輸出的話,這個(gè)點(diǎn)就可以變亮了。所以數(shù)字慢快門的技術(shù)原理就是按照要求把相應(yīng)一段時(shí)間內(nèi)的多個(gè)影像疊加后再輸出,以此來提高信號(hào)強(qiáng)度。
這種技術(shù)因?yàn)椴恍枰獙?duì)外部環(huán)境進(jìn)行任何變化,所以在滿足監(jiān)控要求的條件下可以說是最理想的方案,但是這種技術(shù)實(shí)際上能夠應(yīng)用的范圍是非常窄的,因?yàn)閷?shí)現(xiàn)逐點(diǎn)累加的前提是同一個(gè)點(diǎn)不同時(shí)間的亮度累加,而一旦拍攝的物體發(fā)生變化或者移動(dòng)的時(shí)候,前后兩個(gè)時(shí)間在一起累加的可能并不是同一個(gè)像素點(diǎn),這樣在整體圖像上移動(dòng)物體就會(huì)出現(xiàn)“拖影”現(xiàn)象,如果物體移動(dòng)過快而幀累積時(shí)間過長(zhǎng)的話,移動(dòng)物體甚至?xí)兂商撚?。所以,幀累積技術(shù)一般應(yīng)用于在弱光環(huán)境中監(jiān)控靜止的場(chǎng)景。
光線不夠的時(shí)候?qū)D像切換為黑白圖像,去掉色載波和色同步干擾,并且將AGC加大,在一定程度上能夠提高低可視光環(huán)境下的圖像質(zhì)量,但是這種方案能夠解決的也只是部分非常特殊的環(huán)境,不能解決弱光環(huán)境,而且能夠提升的圖像質(zhì)量也非常有限,一般此技術(shù)都要和其他技術(shù)配合使用。
在一定的光源條件,利用線路切換的方式將圖像由彩色轉(zhuǎn)為黑白。在彩色
/黑白線路轉(zhuǎn)換的技術(shù)演進(jìn)過程中,早期曾采用2顆感光元件Sensor(1顆彩色、1顆黑白)共用一組電路再行切換,目前此類攝像機(jī)已采用單一CCD(彩色)設(shè)計(jì),在白天或光源充足時(shí)為彩色攝像機(jī),當(dāng)夜晚降臨或光源不足時(shí)(一般在1LUX?3LUX)即利用數(shù)字電路將彩色信號(hào)消除掉,成為黑白圖像,此種作法雖可在夜晚達(dá)到“低照度”的目的,白天卻有圖像模糊,色彩不自然的缺點(diǎn)。
被動(dòng)紅外成像技術(shù)
被動(dòng)紅外成像技術(shù)的應(yīng)用前提是光捕捉器件除了要能采集可見光信號(hào)以外,還要能夠采集到紅外信號(hào),并且信號(hào)處理能夠?qū)⒃t外信號(hào)處理成灰度信號(hào)(就說常說的黑白信號(hào))。黑白攝像機(jī)都能夠?qū)崿F(xiàn)這一功能并且靈敏度非常高。目前所有基于數(shù)字處理技術(shù)的攝像機(jī)也都能夠完成這個(gè)工作,但是由于還有可見光環(huán)境下的彩色成像,矛盾也開始出現(xiàn)了。在處理彩色信號(hào)的時(shí)候,因?yàn)镈SP處理都需要將視頻信號(hào)分離成灰度信號(hào)和色度(或者色差)信號(hào)進(jìn)行分別處理,而紅外信號(hào)本身是人眼不可見的,但是在光捕捉器采集和DSP處理之后已經(jīng)變成了人眼可以識(shí)別的灰度信號(hào),兩個(gè)灰度信號(hào)(可見光和紅外光的)進(jìn)行疊加,必然會(huì)使圖像在進(jìn)行灰度和色度合成的時(shí)候無法按照理想的情況進(jìn)行合成,這將會(huì)造成圖像的灰度和色度失真,最典型的例子就是如果紅外光過強(qiáng),會(huì)使得整個(gè)圖像發(fā)灰。目前關(guān)于被動(dòng)紅外成像在視頻監(jiān)控中的主要方案有以下四種:
1、純彩色攝像機(jī),這種方案是阻止被動(dòng)紅外成像,也就是避免紅外線進(jìn)入,其使用光低通濾波器(OPLF:OpticalLowFilter,即通常所說的低通濾光片,圖1為其光通率與波長(zhǎng)的關(guān)系,可以看出其基本不吸收和反射可見光,但基本完全隔離紅外光)直接將紅外線擋住,這樣圖像會(huì)基本不受紅外信號(hào)的影響。這樣做的目的是避免使用紅外成像。
2、完全不管紅外信號(hào)對(duì)圖像彩色情況下的影響使用可大量通過紅外線的濾色片,這是一種低成本的方案,在被動(dòng)紅外成像方面的效果也比較好,但是很容易出現(xiàn)上面說的在彩色模式下的色度和灰度失真問題。
3、只讓特定紅外光比如850nm通過,其他大部分紅外光不能通過,這就是單濾光片感應(yīng)紅外型攝像機(jī)的原理,其主要技術(shù)依據(jù)是采用了不同于彩色攝像機(jī)的濾色片技術(shù)。
這樣的方案可以在一定程度上解決彩色偏色的問題,并且也能夠使用在沒有可見光而使用紅外成像的場(chǎng)合。但是這個(gè)方案也存在一些問題,在日光充足的時(shí)候,紅外信號(hào)非常豐富,會(huì)造成圖像顏色和灰度失真。而在使用紅外成像的時(shí)候,也因?yàn)橹挥袠O窄頻率的紅外光能夠通過而使成像并不敏感,所以這類攝像機(jī)一般使用在室內(nèi)30米直徑以內(nèi)的區(qū)域。
4、在可見光較強(qiáng)的時(shí)候采用OPLF,將大部分紅外光擋住,確保其顏色還原和灰度信號(hào)的真實(shí),而在可見光較弱的時(shí)候不使用OPLF,而使用可以使絕大部分可見光和紅外光都可以通過的高通濾波器,因?yàn)橹饕揽考t外光成像,是灰度信號(hào),所以這個(gè)時(shí)候一般都會(huì)把彩色成分去掉,只保留灰度信號(hào),所以看到的就只是灰度圖像即我們所說的黑白圖像。
這種方案實(shí)際上結(jié)合了彩色攝像機(jī)在可見光較好情況下的優(yōu)點(diǎn)和黑白攝像機(jī)在低照度下的優(yōu)點(diǎn),可以說是目前解決全天候、光線變化很大的環(huán)境下監(jiān)控的最佳方案。在自然光線下真實(shí)的顏色還原和無可見光下高靈敏的被動(dòng)紅外成像,其靜態(tài)效果甚至能夠和某些采用同樣技術(shù)并加入4倍DSS感光技術(shù)的一體機(jī)媲美。
雖然使用被動(dòng)紅外成像能夠較好地解決無可視光和監(jiān)控之間的矛盾,但是因?yàn)榧t外線和可見光的光學(xué)差異,其中也有一些需要解決的問題,光學(xué)主要介質(zhì)玻璃對(duì)兩種光波的折射率不同會(huì)造成光學(xué)組件的焦距不同,所以很容易使聚焦出現(xiàn)問題,不過這些問題已經(jīng)在不斷的使用和改進(jìn)中得到相應(yīng)的解決。隨著被動(dòng)紅外成像技術(shù)的不斷成熟和廣泛應(yīng)用,使得監(jiān)控效能大大提高,人們的生活將會(huì)得到更加可靠的保障。