全面认知视频监控夜视监控成像原理分析

安防人都知道，7×24小时的全天候监控是最基本的监控需求，但很多情况下，要真正实现24小时全天候监控，是一件很难的事情；最大的阻碍是由于夜间无法成像，尤其是无光环境。那么，夜视就此成为我们监控的盲点吗？答案是否定的，本期我们就夜间成像技术技术试做分析。

视频监控的成像原理是将光线所包含的信息转换成可为人眼所判断的图像信号，由此，光，是视频监控的“必需品”。若环境光照较低或无光，那么视频监控系统将会成为摆设。对此，当前行业主要采用了4种成像技术来实现夜视监控功能。

在照度较低时，摄像机通过切换红外滤光片接收自然光照环境下0.75～1000μm的近红外光域，并通过提升视频处理算法，让摄像机识读接收到的近红外光域所携带的图像信息。此类摄像机前端都放置有一颗光敏电阻，当环境照度达到摄像机设定的切换照度值时，摄像机自动切换红外滤光片；再依赖算法对低照度视频进行处理，最为典型的低照度画面处理算法就是自动增益功能，该算法能随着环境照度的降低而自动提升画面亮度。

但目前，要实现良好的低照度功能，低照度传感器和处理芯片是两大核心部件，从传感器成像原理来说，同等规格传感器，CCD的感光灵敏度要2倍于CMOS，因此，现今很多低照度摄像机，尤其是智能交通摄像机，以CCD传感器为主。不过，现在CMOS的技术已经得到了很大改善，以CMOS传感器来实现低照度功能的摄像机亦为数不少，目前，以CMOS为传感器的低照度摄像机可做到0.001Lux。

另外，镜头的选用也很关键，通用镜头的光通量一般在F=1.4-360，而采用低照度镜头或提升镜片工艺，也可实现更大的通光量，从而实现更大的夜视效果。不过，此类产品的缺点是，目前做得好的低照度摄像机并不多，而且，即便低照度性能做得再好，也还是需要环境照度不能低于0Lux才能成像。

低照度应用中，若采用球面镜片镜头，易出现对近红外光域与传感器靶面之间聚焦不准的情况，可通过采用非球面镜片来改善这一难题。

红外热成像监控

自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度(-273℃)就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射不为人眼所见的红外线。其工作原理是：接收物体发出的红外线，通过有颜色的图片来显示被测量物表面的温度分布，从而形成可识读图像；其核心就是热像仪，它是一种能够探测极微小温差的传感器，将温差转换成实时视频图像显示出来。但是只能看到人和物体的热轮廊，看不清物体的真实面目。红外热成像仪可以穿透雨、雾，即便无光环境，依然可以显像。不过，热成像仪的核心在于其传感器，但受技术限制，做得好的产品并不多，价格高昂，加上其图像无法体现监控场景的色彩、详细的外貌特征等信息，不适于常规安防应用；而且，红外热成像仪也很难穿透玻璃成像，亦受透明物体遮挡，亦影响其进一步应用。

可见光补光监控

即为监控场景增设可见光源，以使监控设备能捕捉到清晰、色彩饱满的彩色图像。但这种应用方式很笨拙，需要给监控场景增加足够光源，以保证彩色图像质量，能源消耗、成本支出非常大，此方式除了城市道路监控可利用路灯光源外，其它场景较少得到应用。

激光/红外补光监控

这是将补光光源安装于摄像机上，作为摄像机的一部分。这是目前夜间监控应用得最多的方式。而补光技术也有两种：激光和红外。

激光补光：是在摄像机上配上激光灯源，激光灯采用光斑均匀强化技术、光斑自动聚焦技术；具有光度强、画面更加均匀、耗电少、使用寿命更长等优点。不过，安防所用的激光灯，几乎都是采用激光厂家的产品，匹配性比较被动。

红外补光技术：市场上主要采用红外发射二极管的红外灯，由红外发光二级管矩阵组成发光体；以发射波长850nm和940nm的红外LED为主流应用。红外补光技术最令人担忧之处在于，红外灯的寿命。目前主要解决方式为，将红外发射二级管由红外辐射效率高的材料(常用砷化镓GaAs)制成PN结，外加正向偏压向PN结注入电流激发红外光，可实现低红爆甚至无红爆、寿命长应用。

红外应用的第二个关注点是防过曝，如果红外灯不可调节，那么同一功率下，就会造成近距离图像就有可能发生过曝、远距离照度不足的不良效果；为解决此问题，现在很多红外摄像机都支持SMARTIR技术，即智能调光技术，摄像机将根据红外灯辅助下，图像画面的亮度、饱和度，自动计算是否合理，若过曝或亮度不足，则相对应地降低或增强红外灯的发光功率，从而得到适于监看的画面效果；而该技术的实现，还对能耗的进行有效控制，降低能耗支持。

如今很多安防厂家为了实现更好的红外应用，一般都采用良好的红外增透玻璃，在降低红外线折损的同时，可以实现一定程度的夜间隐蔽效果；如果选用较好的红外灯、增透玻璃，红外摄像机将实现绝佳的消除红爆隐身应用。

通过人工补光技术，虽然画面丢失了色彩信息，但图像的细节都能逐一清晰辨认，并能在无光源环境下实现主动式补光应用。

随动应用

补光光源须与摄像机镜头的变倍、云台做智能随动，方能显示出良好的实时画面效果。当云台旋转时，监控景深将会发生变化，此时可通过智能调节补光设备的功率来实现画面的舒适性，该技术已经比较成熟。但若是镜头变倍，补光设备的随动性能还在不断提高当中，其中红外补光因功率较低，一般也不会应用在高变倍摄像机中，因此随动的差异性不明显；而激光摄像机，因光束强、距离远，当镜头快速变倍时，会有1-5秒的延时，如当镜头由高变倍快速变为低变倍过程中，画面会先出现激光未照射到的暗区及激光处的亮斑，待镜头稳定后，暗区才消失；激光的随动较为滞后。

不同监控距离应用

红外摄像机在实际应用中，一般以30米以内为常见的有效监控距离，00米以内为中距离应用；另，若需要80米以上的红外监控，则需要很强的红外灯才能实现。从有效监控距离来说，红外补光技术主要适用于商场、商店、办公楼、走廊等较短距离的监控场景。

而激光补光技术，50-150米为短距离监控范围、0.5-2公里是较为常见的中远距离应用，若增强激光功率，还可实现更长距离的监控应用，适用于森林、边防、海防、厂矿等场所。

芯片核心平衡

芯片在低照度、红外/激光摄像机的DSP图像处理上，也起着至关重要的作用，如中电兴发、海康威视的微光级低照度摄像机，主要就是依赖DSP芯片来保证低照度画质的提升，这也在激光、红外摄像机中同样得到普遍应用。如日夜模式切换前，要通过伽马校正，保证图像准确，平衡3D降噪与自动增益效果；切换后，自动计算红外画面亮度，一是智能调节画面匀和度，另一方面是智能调节红外/激光灯的强弱，再者还需计算画质能实时与镜头、云台的变化做图像匹配