低照度摄像机的认识与应用

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    在光线较差的环境中，低照度摄像机无需辅助光源即能识别目标物体，发挥着重要的作用，受到越来越多用户的青睐。本文就从其CCD与配套技术、DSP等方面进行描述，为读者介绍当前低照度摄像机的发展与应用情况。

    在2003年以前，红外摄像机尚未普及，低照度摄像机一直是各厂家和供应商追捧的热点，即使在红外摄像机大行其道的今天，低照度摄像机以其特有的性能，仍然不能被取代。

    所谓低照度摄像机，即在光线很暗的情况下，无需其它辅助光源仍能识别目标物体的摄像机，常见的有枪式摄像机和半球型摄像机。

    环境照度（亮度）通常以lux(勒克斯)为单位来衡量，其值越小，说明环境越暗。摄像机的照度指标也用lux为单位来衡量，其值越小，说明其灵敏度越高，越能看清暗处的物体。因此，照度的高低成为人们选择摄像机的一个重要参数。

    现在，很多厂家（商家）将摄像机的照度参数越标越低，从1.0lux到0.1lux，再到0.001lux等等，那么，这些摄像机果真有那么高的灵敏度吗？为了真正认识低照度摄像机，下面从两方面进性阐述。

CCD及配套技术
    一个完整的摄像设备由有两部分组成，即镜头和摄像机，而摄像机又由感光器件（CCD或者CMOS，本文以CCD为例）、复杂的信号处理电路、滤光片等组成。

镜头
    作为摄像部件的重要组成部分，其作用是为摄像机的CCD聚焦被摄物体的光线，使景物在CCD上成像。其可摄取光线的多少直接决定了CCD成像的清晰度。衡量镜头摄取光线的多少，称之为进光量，镜头的进光量用F值（光圈）表示。F值＝f（焦点距离）/D（镜头的有效口径），它与口径成反比，与焦点距离成正比。在焦距相同的条件下，镜头口径越大，F值越小，镜头进光量就越大。常见镜头的F值多为1.2、1.4，目前也有F1.0的镜头。因此为了使得摄像机获得理想的低照度效果，需要配置相适合的或配置F值较小的镜头。

CCD感光器件
    目前摄像机常用的CCD主要有三大供应商，即SONY、SHARP和LG，在这三种CCD中，SONY的CCD感光度相对较好，常用的SONY CCD低照度技术为Super HAD CCD；后来SONY又研发出超感光度CCD，SONY称之为EXVIEW CCD，该CCD的感光度为Super HAD CCD的5倍。

    另外，CCD的尺寸大小也对感光度有着很大的影响，尺寸越大，其感光度越好。为了使摄像机有更低的照度指标，经常会采用1/2英寸的CCD摄像机。有数据显示：1/3英寸CCD的感光量只有1/2英寸CCD的56%；而1/4英寸CCD的感光量只有1/3英寸CCD的44%。

滤光片
    其是彩色摄像机的一个很小的器件，对摄像机的成像效果起着很大作用。滤光片滤除红外光。彩色摄像机的CCD也可感应红外线，但因感应红外光易导致DSP无法算出正确颜色，因此须加一片滤光片将光线中红外光滤除，所以只有彩色CCD需要滤光片，黑白CCD不需要安装。

    低照度摄像机为得到更低的照度，除摄取可见光外，也需要摄取一些红外光，而不同波长的红外光都被摄取会对摄像机成像造成一定的影响，所以要采用可滤除不需要的的红外光而保留需要的红外光的滤光片。目前高端低照度摄像机会选用双滤光片，即白天采用不感应红外的滤光片以获得清晰的图像，夜间采用可感应红外的滤光片得到更低的照度。此类摄像机都会有一个光敏电阻，当光敏电阻感应到外界光线不足时会启动摄像机内的触发电路，将不感应红外光的滤光片切换成感应红外光的滤光片。更高端的摄像机在切换滤光片的同时会转换成黑白图像，以此得到更好的图像效果。当然，在转换过程中会遇到一个临界值问题，若光线恰好在设定的临界值时会来回切换，不但对成像效果会有影响，也会因为不停的机械运动影响滤光片的寿命，所以一些生产厂家在摄像机内增加一个延迟电路，即当达到临界值时延迟一段时间再切换，若在这个时段内，照度继续降低，则切换，若保持不变或者升高，则不进行切换。

图像DSP处理
    低照度摄像机发展至今，不仅有硬件技术方面的发展，对于DSP图像处理方面也有突出的表现，比如彩转黑技术和低速电子快门，即帧累积技术的出现。

彩转黑技术
    通常黑白摄像机的灵敏度会比彩色摄像机的灵敏度要高很多，因为黑白摄像机中，DSP运算只对两种色彩进行处理，即黑色和白色，所以现在相当部分的低照度摄像机都有彩色转黑白的功能，即白天为彩色图像，夜间通过软件处理将图像转换为黑白图像，通过牺牲彩色效果来得到更低的照度。

    一般彩色转黑白的过程是通过CCD采集光线后转换的电荷强弱来控制，当电荷强度达到一定临界值时会自动转换为黑白图像，同样为保证在临界值时不会造成反复切换，会做一个延迟处理。

低速电子快门技术
    低速电子快门利用电脑记忆体的技术，连续将几个因光线不足而较显模糊的画面累积叠加，成为一个影像相对较清晰的画面。在CCD摄像机内，是用光学电控影像表面的电荷积累时间来操纵快门，电子快门控制摄像机CCD的累积时间，当电子快门速度增加时，在每个视频场允许的时间内，聚焦在CCD上的光减少，将降低摄像机的灵敏度。普通摄像机的电子快门为PAL：1/50-1/100000秒，NTSC为1/60-1/100000秒，低速电子快门可放慢快门的曝光速度，使得CCD可更长时间累积电荷从而在低照度环境下得到相对清晰的画面。现在帧累积摄像机其低速电子快门放慢速度可达到普通摄像机的128倍。然而，随着电子快门速度的放慢，会产生摄像机图像拖尾现象，该类摄像机比较适用于对静止画面的监视，活动剧烈的画面监视不宜用。

    通过以上分析，用户在选择低照度摄像机时不能盲目地看各商家所标的最低照度参数，而应根据应用环境、要求、监视对象，再结合经济能力选择相应的低照度摄像机。如选1/2英寸还是选1/3英寸摄像机；究竟选Super HAD CCD技术还是选EXview HAD CCD技术或帧累积技术；还可考虑是否要有彩色转黑白功能，是否运用了双滤光片切换技术等。
(中国集群通信网 | 责任编辑：陈晓亮)