黑夜“殺手”，讓夜晚不再灰白
——淺析星光攝像機

□文/劉 暢

據統計，絕大多數犯罪活動都在夜間進行，夜晚昏暗的環境無疑為犯罪份子提供了最有利的掩護，讓人很難快速識別出犯罪份子，這也是當前監控亟待解決的安全問題。近年來，隨著平安城市、雪亮工程等項目的普及以及大眾安全防范意識的提高，在人流密集的重要場所：如道路、廣場、小區、校園、企業園區等都安裝有監控攝像機。其中低照度攝像機以其穩定的性能、優異的夜晚監控效果，在大大小小的安防監控項目中逐漸普及開來。

星光攝像機因何而生

傳統的低照度攝像機有紅外攝像機和慢快門型兩種，但近幾年風靡安防領域的星光級攝像機受到廣泛青睞。傳統的紅外補光技術雖然能在低照度下獲得清晰的成像，但會失去色彩,只能形成黑白圖像，而且通過紅外補光，車牌這類高反光的物體很容易過曝，而衣著顏色、車身顏色、車牌等又往往都是破案的關鍵線索，丟失不得。而慢快門型是通過降低視頻幀率來提高圖像亮度，對于運動物體的監控有拖尾現象，一般不常用。 所以低照度下的清晰彩色成像需求越來越多，而這也是星光級攝像機誕生之初就非常火爆的原因之一。

星光級攝像機，從字面上就可以看出，是指在光照亮度極低的情況下仍然可以獲得比較清晰的圖像。目前安防行業通常將前端攝像機分為四個等級：普通級攝像機，一般最低照度值均大于0.1Lux；最低照度值范圍在0.1Lux至0.01Lux之間的攝像機，一般被稱為低照度攝像機；而被稱為月光級攝像機，其最低照度值范圍在0.01Lux至0.001Lux間；當最低照度值達到甚至低于0.001Lux的時候，便達到了星光級的超低照度攝像機。市場上早期的高清網絡攝像機低照度效果普遍一般，隨著圖像傳感器技術的發展，以及圖像降噪算法的提高，高清網絡攝像機的低照度效果越來越好，即使在光線較暗的情況下仍然能夠獲得高清彩色視頻圖像。而且其采用了獨有的電子倍增和噪點控制技術，解決了普通低照度攝像機夜間出現的拖尾現象，以滿足對夜間高品質監控的需求，其優點是功耗小、圖像效果真實、不偏色。

星光攝像機的制約因素

星光級攝像機主要受鏡頭、圖像傳感器、圖像處理技術等多個因素的影響，要想取得較為理想的低照度監控效果，可從以下幾個方面進行提升：

采用大光圈鏡頭：鏡頭是攝像部件的重要組成部份，它在低照監控應用技術上的作用是為攝像機聚焦被攝目標的光線，這里的低照應用與技術關鍵在于鏡頭的口徑越大其進光量也會越大，也就是鏡頭光圈的增大可有效提升進光量，從而使攝像機獲得理想的低照度效果。

選用大靶面傳感器：攝像機的本質就是把光能轉化為電能，而量化的核心部件是傳感器，傳感器的作用就是把傳到它身上的不同強度的光線進行光電轉換，轉換成電壓信息最終生成數字圖像信息。而傳感器上接收光線的部位自然是核心中的核心。如果相同分辨率的攝像機，圖像傳感器靶面面積越大，則其單位像素進光量就越大，抑制噪點能力越強，低照度拍攝時，成像畫質也越好。

改進傳感器工藝：目前攝像機常用的感光器件分為CCD和CMOS，其主要供應商有SONY、APTINA、OV等廠家。隨著高清的普及，CMOS技術得到長足的進度，之前制約其發展的低照效果有了質的提升，例如索尼最新推出的Exmor CMOS傳感器，可實現低照比傳統的CMOS提升一倍以上;而且各大廠家新推出的BSI背照式技術采用了和普通方法相反、向沒有布線層的一面照射光線的背面照射技術，由于不受金屬線路和晶體管得阻礙，開口率(光電轉換部分在一個像素中所占的面積比率)可提高至近100%，因此，這類CMOS傳感器的靈敏度已經與CCD傳感器接近，低照度下圖像效果極佳，且集成度更高，功能更加豐富、性價比更高。另外感光器件的靶面大小也對感光度有著很大的影響，尺寸越大，其感光度越好。為了使攝像機有更低的照度指標，經常會采用更大靶面的傳感器。有數據顯示： 1/4英寸的感光量只有1/3英寸的44%。

良好的圖像處理技術：星光級攝像機發展至今，不僅有硬件技術方面的發展，對于DSP圖像處理方面也有突出的表現，比如彩轉黑技術、幀累積技術、降噪技術的出現使得高清低照度攝像機效果得到了很大提升。眾所周知，同樣感光面積的圖像傳感器，像素越高，分配到每個像素的感光面積就越小，一個曝光周期內的通光量就越小，低照度效果就越差。 由于高清網絡攝像機的低照度下，圖像噪點會比光線較好時增加很多，各種數字圖像降噪算法也陸續應用于高清網絡攝像機。比如，處理靜態畫面時使用三維濾波，而動態時則使用二維濾波。兩種降噪算法結合使用，可以保留重要的細節，使圖像更加平滑，并可以盡量減少運動物體形成的拖影，同時極大的改善視頻的閃爍感。降噪的處理上還可以通過畫面取樣的細分、處理算法的提升、自動增益細化等來改善低照度攝像機的效果，處理完畢后再進行圖像合并，出來的畫面效果顯得更加清晰和細膩。

目前在實際項目中，星光級攝像機應用最多的場景是在道路上，需要既能看清整體環境，又能抑制過往車輛大燈，看清車牌，這是星光級攝像機遇到的挑戰，因為一方面低照場景下需要盡可能讓更多光線進入攝像機，但另一方面需要把過亮的強光弱化，否則容易過曝干擾成像效果。而另一個難題是隨著像素的提高，彩色低照效果越差，這是由于攝像機對傳感器的尺寸有要求，在尺寸變化不大的情況下，像素點越多，單位像素的感光面積越小，從而低照效果越差。目前星光級攝像機以1080P分辨率為主，都是基于1/1.8”左右的傳感器，而更高像素如4K攝像機，傳感器大小也不過在1/2”左右，低照效果自然也不佳。不過隨著部分廠家4/3”靶面4K超星光攝像機的推出，高分辨率與星光級技術的結合必是大勢所趨，相信這也會是星光級技術逐漸普及的一個重要方向。

結束語

在平安城市、城市交通、軌道交通、高速公路等領域，監控區域的夜間光照不足，不可能大規模安裝補光照明設施。星光級攝像機可依靠自身的性能，對外部環境的依賴較小，在微弱光照下可獲得較好的監控效果；如高速公路收費監控系統中，車輛進入收費站后車燈打開，環境光源與車牌的照度形成了一定的動態范圍，傳統攝像機無法清晰識別車牌。在無輔助補光去情況下，星光級攝像機能對收費站的車道、收費廣場、收費亭的收費情況，進行觀察和記錄。隨著平安城市、智能交通等應用的推動，星光級低照度攝像機的使用將會更加普及，受限于當前技術水平的發展，使得星光級攝像機成本偏高，客戶的預算成本也會增加，這也是星光級攝像機市場的一根軟肋，但無論是現在還是以后的城市、交通以及安保都需要低照度保駕護航，我們有足夠的理由相信，星光級攝像機不再是高端項目的選擇，它必將應用于更多的項目中，而這一天，即將很快到來！