基于視頻監控攝像機日夜兩用技術分析及應用

? 隨著視頻監控在民用領域的使用越來越廣泛，應用的環境也越來越復雜，其中一個最重要的應用要求就是24小時不間斷監控。由于彩色成像一般需要較高的亮度，而實際環境不一定能夠滿足這個要求，所以攝像機低照度技術(也叫夜視技術)就相應地出現了。由于監控需求不同，因此也就出現了不同的應用技術。

?? 由于成本和特殊材料等的原因，目前廣泛應用于軍隊的人眼夜視技術并沒有被大量移植到民用監控領域，所以目前民用監控產品中使用的通常有這樣幾種技術：高靈敏度材料、數字慢快門技術、彩轉黑技術、被動紅外成像技術等等，因為監控要求和應用場合的不同，所以在實際應用中就出現了不同的應用市場。

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材料，超高信噪比信號分析處理器件，信號處理增加一些特殊處理技術等等，以此來提高對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，這個雖然是最好的方案卻仍然很難在短時間內被廣泛應用。

?? 目前針對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，受設備體積限制無法實現，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。這個設計就像是幫CCD掛上眼鏡一樣，但是CCD經過35年的發展，這種技術提升的空間也已相當有限。其二，就是通過特定的信號增強電路，根據數據運算來獲得合理的曝光，但這樣通常會因為CCD快速感光引起像素感光不均而形成噪點，這時拍攝出的畫面顆粒感會較為明顯。此時又不得不采取辦法來平衡高感光度和高畫質之間的矛盾，從而勢必又帶來更高的成本投入。

數字慢快門技術

? 數字慢快門技術(digital slow shuttle)，實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)都是攝像機上控制光線通過鏡頭，達到光捕捉效果的一個部件。也可以這樣理解，光圈是光線通過鏡頭時能夠進入的一個孔，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的部分，控制光圈是處于一直開啟狀態還是按照一定時間間隔定時開關。

?? 我們知道，根據人眼的視覺暫留特性，為了確保看到的圖像是連續的，PAL制電視信號的標準是25幀/秒隔行掃描，就是說，每一秒種經過我們眼前的圖像實際是由25個畫面構成的連續畫面，在拍攝目標的時候，每隔1/25秒，一個點才能夠被掃描到一次，因為是隔行掃描，每2個場才能構成一個幀，所以每1秒鐘，PAL制的圖像是50場，1場的時間就是快門的間隔，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/秒的PAL制圖像，所以PAL制的最低快門速度是1/50秒(此時光圈實際上是一直打開的)，實際應用中，因為環境中光線可能會很強，這個時候可能會需要控制進光量，就需要控制快門速度，速度越快時，光線能夠進入的時間就越少，進光量就越少，相對來說，圖像就會顯得比較暗，反之快門速度越慢，圖像就會越亮，當光線照度不足時，即使使用1/50秒圖像仍然不夠亮，這就需要運用其他技術了。根據光學理論，光是可以疊加的，雖然在很暗的環境下每個點要1/25秒后才能被掃描到1次，被掃描的時間也非常短，其亮度非常弱，如果把前后一段時間內該點的亮度都保存并疊加后再輸出的話，這個點就可以變亮了。所以數字慢快門的技術原理就是按照要求把相應一段時間內的多個影像疊加后再輸出，以此來提高信號強度。

? 這種技術因為不需要對外部環境進行任何變化，所以在滿足監控要求的條件下可以說是最理想的方案，但是這種技術實際上能夠應用的范圍是非常窄的，因為實現逐點累加的前提是同一個點不同時間的亮度累加，而一旦拍攝的物體發生變化或者移動的時候，前后兩個時間在一起累加的可能并不是同一個像素點，這樣在整體圖像上移動物體就會出現“拖影”現象，如果物體移動過快而幀累積時間過長的話，移動物體甚至會變成虛影。所以，幀累積技術一般應用于在弱光環境中監控靜止的場景。
彩色轉黑白技術

?? 在光線不夠的時候將圖像切換為黑白圖像，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境下的圖像質量，但是這種方案能夠解決的也只是部分非常特殊的環境，不能解決弱光環境，而且能夠提升的圖像質量也非常有限，一般此技術都要和其他技術配合使用。

?? 在一定的光源條件，利用線路切換的方式將圖像由彩色轉為黑白。在彩色/黑白線路轉換的技術演進過程中，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，目前此類攝像機已采用單一CCD(彩色)設計，在白天或光源充足時為彩色攝像機，當夜晚降臨或光源不足時(一般在1LUX?3LUX)即利用數字電路將彩色信號消除掉，成為黑白圖像，此種作法雖可在夜晚達到“低照度”的目的，白天卻有圖像模糊，色彩不自然的缺點。

被動紅外成像技術

?? 被動紅外成像技術的應用前提是光捕捉器件除了要能采集可見光信號以外，還要能夠采集到紅外信號，并且信號處理能夠將原紅外信號處理成灰度信號(就說常說的黑白信號)。黑白攝像機都能夠實現這一功能并且靈敏度非常高。目前所有基于數字處理技術的攝像機也都能夠完成這個工作，但是由于還有可見光環境下的彩色成像，矛盾也開始出現了。在處理彩色信號的時候，因為DSP處理都需要將視頻信號分離成灰度信號和色度(或者色差)信號進行分別處理，而紅外信號本身是人眼不可見的，但是在光捕捉器采集和DSP處理之后已經變成了人眼可以識別的灰度信號，兩個灰度信號(可見光和紅外光的)進行疊加，必然會使圖像在進行灰度和色度合成的時候無法按照理想的情況進行合成，這將會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，會使得整個圖像發灰。目前關于被動紅外成像在視頻監控中的主要方案有以下四種：

1、純彩色攝像機，這種方案是阻止被動紅外成像，也就是避免紅外線進入，其使用光低通濾波器(OPLF：Optical Low Filter，即通常所說的低通濾光片，圖1為其光通率與波長的關系，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，這樣圖像會基本不受紅外信號的影響。這樣做的目的是避免使用紅外成像。

2、完全不管紅外信號對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，在被動紅外成像方面的效果也比較好，但是很容易出現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紅外型攝像機的原理，其主要技術依據是采用了不同于彩色攝像機的濾色片。

? 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合。但是這個方案也存在一些問題，在日光充足的時候，紅外信號非常豐富，會造成圖像顏色和灰度失真。而在使用紅外成像的時候，也因為只有極窄頻率的紅外光能夠通過而使成像并不敏感，所以這類攝像機一般使用在室內30米直徑以內的區域。

4、在可見光較強的時候采用OPLF，將大部分紅外光擋住，確保其顏色還原和灰度信號的真實，而在可見光較弱的時候不使用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，因為主要依靠紅外光成像，是灰度信號，所以這個時候一般都會把彩色成分去掉，只保留灰度信號，所以看到的就只是灰度圖像即我們所說的黑白圖像。

?? 這種方案實際上結合了彩色攝像機在可見光較好情況下的優點和黑白攝像機在低照度下的優點，可以說是目前解決全天候、光線變化很大的環境下監控的最佳方案。在自然光線下真實的顏色還原和無可見光下高靈敏的被動紅外成像，其靜態效果甚至能夠和某些采用同樣技術并加入4倍DSS感光技術的一體機媲美。

?? 雖然使用被動紅外成像能夠較好地解決無可視光和監控之間的矛盾，但是因為紅外線和可見光的光學差異，其中也有一些需要解決的問題，光學主要介質玻璃對兩種光波的折射率不同會造成光學組件的焦距不同，所以很容易使聚焦出現問題，不過這些問題已經在不斷的使用和改進中得到相應的解決。隨著被動紅外成像技術的不斷成熟和廣泛應用，使得監控效能大大提高，人們的生活將會得到更加可靠的保障。