高靈敏度圖像傳感器在安防監控系統中的應用

文/郝秀杰

高靈敏度的圖像傳感器在監控系統的需求定義

眾所周知，圖像傳感器的主要功能就是替代人眼，把人眼所看到的光信號轉換成電信號，實現視覺的延伸。目前廣泛應用的面陣圖像傳感器主要分為CCD和CMOS兩大類，在監控系統中，攝像機采用的圖像傳感器一直是CCD的天下，這是為什么呢？

我們生活中無時不刻會用到圖像傳感器芯片，手機、電腦攝像頭、監控、玩具、醫療影像設備、Pad、數碼相機、Dv等數碼產品，像素從幾萬像素的膠囊攝像機，到30萬像素的電腦攝像頭，到幾百萬像素的手機攝像頭，到幾千萬像素的數碼相機，到幾億像素的高端專用相機。更高的清晰度一直是我們的追求，隨著半導體工藝的不斷提高，由于成本及集成度等諸多優勢，目前從幾百萬到幾千萬像素的攝像產品基本上都以CMOS為主流，價格成本也不斷降低，但是時值今日，監控攝像機最高才發展到兩百萬像素，而且主流監控圖像傳感器產品依然以CCD為主，這是為什么呢？

原來，監控系統的應用場景要比普通的數碼影像產品更加苛刻，考慮到暗光下的應用需求，一般的高清的圖像傳感器無法滿足需求，日本的CCD產品在這一領域（高靈敏度/低照度）一直保持技術指標領先，所以CCD在這一領域保持了長期的優勢。

隨著技術的迅速發展，攝像機的靈敏度越來越高，但是依然不能滿足監控的需求，絕大多數還需要補光才能實現24小時監控。

那么，一般民用的攝像機的靈敏度還需要多高才能滿足實際應用需求呢？個人認為，要達到人眼的敏感度水平。

這是由于通常的犯罪分子在作案時也需要肉眼視覺才能作案，如果是在完全無光的場景，正常走動恐怕都要要借助頭盔夜視儀的幫助，這顯然不是治安監控所要求的場景。

那么肉眼視覺的極限是多少呢？一般來講，人眼在經過一段時間的暗適應以后，可以在0.1Lux左右的照度情況下正常活動（因人而異）。而正常情況下，城市及道路的照明或城市輝光可以滿足這一照度需求，所以目前大部分人們活動的夜間區域可以不用打手電筒。因此，對于公共安全的監控系統的攝像機的照度要達到這一要求即可滿足使用需求。

目前市面上的攝像機標的照度比0.1Lux好的有很多，有的甚至可以標到0.00002Lux，但是仔細研究才會發現，這些不過是通過幀累計增加曝光時間所達到的，所獲得的圖像不能連續顯示，并沒有實際的應用價值。于是迫不得已，采取了紅外補光這一手段。

高靈敏度圖像傳感器的應用價值

為了能夠實現24小時不間斷的監控，由于目前的監控用圖像傳感器的靈敏度依然不夠好，所以紅外攝像機開始備受推崇。

因為解決了“看得到”的問題，紅外攝像機一夜之間遍地開花，不管是標清的還是百萬的，紅外燈幾乎成為現代監控系統的標配。其實，紅外補光這一手段存在著很多弊端，相對客觀冷靜的歐洲市場一直抱有懷疑態度，國內外真正的高端的治安監控也不會大量采用。這是因外紅外補光所得到的黑白反差圖像使得人臉識別變得更加困難，反而不利于破案舉證。

此外，紅外燈的光衰、壽命、照射距離、均勻度、丁達爾現象等諸多問題也是難以解決。為了增加照射距離，不斷地加大功率，甚至使用大功率的激光管尤其危險！由于人眼對近紅外波長并不敏感，所以瞳孔不會收縮，因此，諸多大功率的紅外燈成為我們夜間出行眼睛的“隱形殺手”。

除此之外，也許大家沒有考慮到，經過幾年使用后報廢的紅外Led由于封裝的樹脂材料在自然環境中很難降解所以產生的污染會很大。

幾年前在德國，我曾感到很奇怪，為何這個工業化如此發達的國家居然交通信號燈，鐵路信號等還采用燈泡，而在當時國內的壽命長效率高的Led指示燈已經非常普及，當地人的回答是他們考慮到環保的問題所以并不推薦大量使用。

對于公共治安監控，歐洲大多采用高靈敏度的攝像機的解決方案，一方面有利于得到真實的圖像信息，以利于破案舉證，另一方面，在系統的使用壽命、穩定性、環保等諸多方面有長遠的使用價值。

高靈敏度圖像傳感器的應用領域及現實意義

由消費類電子的圖像傳感器應用可以看出，百萬像素的圖像傳感器技術門檻并不高，大量使用在手機、Pad、電腦等數碼產品中的200-500萬的模組也只要十幾元人民幣，可是能實現高靈敏度的圖像傳感器由于芯片成本相對較高，所以用量不如普通的大。傳統的高靈敏度CCD圖像傳感器主要應用在軍事，邊防海防，道路監控，森林防火等高端應用領域。

如果可以將圖像傳感器靈敏度在可見光及近紅外的范圍做的更高，并能夠相對控制較低的成本，可以在安防監控、汽車夜視、警用夜視、專用設備等很多領域廣泛應用并產生巨大的經濟效益及社會效益。

總結起來如下：1、在需要重要的監控場景，隱蔽安裝的場景，或者不允許有紅暴的場景，如鐵路監控。可以不使用850Nm紅外補光而使用940Nm的無紅爆的小功率補光。2、在城市治安監控可以免除或減少紅外補光，減小監控攝像機的功耗和體積，提高錄像效果的真實性，延長系統壽命及穩定性，減少光污染及降解污染。3、在消費類監控產品如嬰兒監控攝像機，大幅減少紅外補光或免除紅外補光這一手段，為嬰兒的視覺健康助力。4、實現低成本、高可靠性的汽車夜視儀，行車記錄儀等產品，為交通安全助力。5、實現體積小、重量輕、便攜高效的警用夜視監視設備。6、實現野外夜間監控更大觀測范圍，打獵攝像機、釣魚攝像機應用。

中國的高靈敏度圖像傳感器的市場前景展望

在目前的監控市場格局下，日本的CCD產品在高靈敏度上還是據有一定的優勢，少數Ip攝像機廠家宣傳的高靈敏度百萬像素CMOS攝相機大多是在幀率，曝光時間，或圖像處理算法上做了些文章，其結果類似于幀累計，應用的場景十分有限，真正在本質上提高圖像傳感器的靈敏度和信噪比以及動態范圍等硬指標才是解決攝像機“看得到”的根本辦法。

免除或減少紅外補光的使用，減少功耗、體積、污染，提高系統產品的可靠性，真實還原低照度場景下的圖像色彩，細節等諸多的應用優勢必定會給高靈敏度圖像傳感器芯片提供無限的市場前景。

由于網絡信息安全，國家安全等綜合因素，中國需要自己整套的自主核心技術的高端安防監控芯片產品，完全自主知識產權高靈敏度的圖像傳感器芯片必將大顯身手。