随着科学技术的发展,经济的发展,以及人们对生活环境安全问题的重视程度加大,以前只出现在对重点人、物、场景保护的闭路监控系统现在已经广泛使用在普通人的日常生活环境中,超市、办公楼、车库、街道、酒店、广场、甚至居住的小区,到处都有摄像机,可以说,摄像机已经无处不在。
在闭路监控系统发展的初期,由于成本和技术条件等的限制,大部分都使用的是黑白摄像机,而且主要应用都是在一些相对重要和敏感的重要部门和区域。随着生活水平的极大提高和社会环境的复杂性导致各种监控系统在人们日常生活中成为人们安全防护的重要手段,作为安全防范技术最前沿的视频监控系统获得了最大的发展。加上彩色成像技术的成熟,大规模集成电路技术的发展,彩色摄像机的成本已经降到比原来的黑白摄像机成本还低,所以彩色摄像机从上世纪90年代开始就随着视频监控市场的迅猛发展而迅速发展并成为监控系统前端的首要设备。但正是由于监控开始在更多民用领域使用,应用的环境也开始复杂起来,其中一个最重要的应用要求就是24小时不间断使用。由于彩色成像一般需要较高的亮度,而环境中不一定能够满足这个条件,所以低照度方面的技术(也叫夜视技术)就跟着出现了,因为监控要求的不同,在技术和应用中也出现了不同。由于成本和特殊材料等的原因,目前广泛应用于军队的人眼夜视技术并没有被大量移植到民用监控领域,所以目前民用监控产品中使用的通常有这样几种技术:高灵敏度材料,数字慢快门技术,彩转黑技术,被动红外成像技术等等,因为监控要求的不同,所以在实际应用中就出现了不同的应用市场。
一、使用高灵敏度材料,包括使用高灵敏度光感应材料,超高信噪比信号分析处理器件,信号处理增加一些特殊处理技术等等,以此来提高对光线较低情况下图像采集的还原效果,但是由于成本及考虑体积等方面的原因,这个虽然是最好的方案却仍然很难在短时间内进行充分应用。
采用特殊处理效果和手段来达到可视光线较低的情况下对目标的监控。针对民用监控特点,目前通用的有数字慢快门技术(又叫电子慢快门或帧累积),被动红外辅助成像技术和彩色转黑白技术。因为这两种技术的不同特点,其应用也是处于不同场合。
二、数字慢快门技术(Digital Slow Shuttle),实际上它并不是一种快门,只是它的功能在某种程度上类似于快门而已,快门(Shuttle)和光圈(Iris)都是摄像机上控制光线通过镜头达到光捕捉器件的一个部件,可以这样理解,光圈是光线通过镜头时能够进入的一个孔,孔的大小就是光圈的大小,孔越大,相同情况下通过的光就越多,而快门是掌握这个门开关的部分,控制门是处于一直开启状态还是按照一定时间间隔定期开关。我们知道,根据人眼的视觉暂留特性,为了确保看到的图像是连续的,PAL制电视信号的标准是隔行扫描25帧/秒,就是说,每一秒钟经过我们眼前的图像实际是25个画面在变化而构成的连续画面,在拍摄目标的时候,每隔1/25秒,一个点才能够被扫描到一次,因为是隔行扫描,每2个场才能构成一个帧,所以每1秒钟,PAL制的图像是50场,1场的时间就是快门的间隔,每一秒钟,快门必须要工作50次,才能确保输出的图像是50场/秒的PAL制图像,所以PAL制的最低快门速度是1/50秒(此时光圈实际上是一直打开的),实际应用中,因为环境中光线可能会很强,这个时候可能会需要控制进光量,就需要控制快门速度,速度越快时,光线能够进入的时间就越少,进光量就越少,相对来说,图像就会显得比较暗,反之快门速度越大(或者叫越慢),图像就会越亮,当光线照度不足时,即使使用1/50秒图像仍然不够亮,这就需要运用其他技术了。根据光学理论,光是可以叠加的,比如1支蜡烛照明不如同样的10支蜡烛照明,虽然在很暗的环境下每个点要1/25秒后才能被扫描到1次,被扫描的时间也非常短,其亮度非常弱,如果把前后一段时间内该点的亮度都保存并叠加后再输出的话,这个点就可以变亮了。所以数字慢快门的技术原理就是按照要求把相应一段时间内的多个影像叠加后再输出,以此来提高信号强度(如图1,图2)。
这种技术因为不需要对外部环境进行任何变化,所以在满足监控要求的条件下可以说是最理想的方案,但是这种技术实际上能够应用的范围是非常窄的,因为实现逐点累加的前提是同一个点不同时间的亮度累加,而一旦拍摄的物体发生变化或者移动的时候,前后两个时间在一起累加的可能并不是同一个像素点,这样在整体图像上移动物体就会出现“拖影”现象(如图3),如果物体移动过快而帧累积时间过长的话,移动物体甚至会变成虚影。所以,帧累积技术一般应用于类似于早晨太阳还没有出来之前的那种光线环境或者在弱光环境中监控静止的场景。
三、彩色转黑白技术:在光线不够的时候将图像切换为黑白图像,去掉色载波和色同步干扰,并且将AGC加大,在一定程度上能够提高低可视光环境下的图像质量,但是这种方案能够解决的也只是部分非常特殊的环境,不能解决弱光环境,而且能够提升的图像质量也非常有限,一般此技术都要和其他技术配合使用。
四、被动红外成像技术,这一技术的前提是光捕捉器件除了要能采集可见光信号以外,还要能够采集到红外信号,并且信号处理能够将原红外信号处理成灰度信号(就说我们常说的黑白信号)。以前的黑白摄像机都能够实现这一功能并且灵敏度非常高。目前所有基于数字处理技术的摄像机也都能够完成这个工作,但是由于还有可见光环境下的彩色成像,矛盾也开始出现了。在处理彩色信号的时候,因为DSP处理都需要将视频信号分离成灰度信号和色度(或者色差)信号进行分别处理,而红外信号本身是人眼不可见的,但是在光捕捉器采集和DSP处理之后已经变成了人眼可以识别的灰度信号,两个灰度信号(可见光和红外光的)进行叠加,必然会使图像在进行灰度和色度合成的时候无法按照理想的情况进行合成,这将会造成图像的灰度和色度失真,最典型的例子就是如果红外光过强,会使得整个图像发灰。目前关于被动红外成像在视频监控中的主要方案有以下四种:
1、纯彩色摄像机,这种方案实际上是阻止被动红外成像的。也就是避免红外线进入信号处理,使用光低通滤波器(OPLF: Optical Low Filter,即通常所说的低通滤光片,图4为其光通率与波长的关系,可以看出其基本不吸收和反射可见光,但基本完全隔离红外光)直接将红外线挡住,这样图像会基本不受红外信号的影响。这样做的目的是避免使用红外成像。
2、完全不管红外信号对图像彩色情况下的影响使用可大量通过红外线的滤色片,这是一种低成本的方案,在被动红外成像方面的效果也比较好,但是很容易出现上面说的在彩色模式下的色度和灰度失真问题。
3、只让特定红外光比如850nm通过,其他大部分红外光不能通过,这就是单滤光片感应红外型摄像机的原理,其主要技术依据是采用了不同于彩色摄像机的滤色片,其光通率和光波长的关系如图4和图5所示。
这样的方案可以在一定程度上解决彩色偏色的问题,并且也能够使用在没有可见光而使用红外成像的场合。但是这个方案也存在一些问题,在日光充足的时候,红外信号非常丰富,会造成图像颜色和灰度失真。
4、在可见光较强的时候采用OPLF,将大部分红外光挡住,确保其颜色还原和灰度信号的真实(图6),而在可见光较弱的时候不使用OPLF,而使用可以使绝大部分可见光和红外光都可以通过的高通滤波器,因为主要是依靠红外光成像,是灰度信号,所以这个时候一般都会把彩色成分去掉,只保留灰度信号,所以看到的就只是灰度图像即我们所说的黑白图像(如图7和图8)。
这种方案也就是双滤光片切换方案,结合了纯彩色摄像机在可见光较好情况下的优点和黑白摄像机在低照度下的优点,可以说是目前解决全天候光线变化明显环境下监控的最佳方案。
几种红外方案在同样环境下的比较:
1、低照度比较
2、红外比较
3、和其他产品比较
C372HP 某22倍一体机
分离式摄像机比较
SX810HP 某日夜两用摄像机
(以上均为对比测试)
虽然使用被动红外成像能够较好地解决无可视光和闭路监控之间的矛盾,但是因为红外线和可见光的光学差异,其中也有一些需要解决的问题,光学主要介质玻璃对两种光波的折射率不同会造成光学组件的焦距不同,所以很容易出现聚焦的问题,不过这些问题已经在不断地得到解决。