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低照度摄像机的认识与应用
------------深圳市翔飞科技有限公司 区域经理：杨党党
在2003年以前，红外摄像机尚未普及的时候，低照度摄像机一直是各厂家和供应商追捧的热点，即使在现在红外摄像机大行其道，“祖国江山一片红”的情况下，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，无需其他辅助光源仍能清楚看清目标物体的摄像机，低照度摄像机常见于枪式摄像机和半球型摄像机。
日常生活环境下，亮度的单位为lux(勒克斯)，其值越小，说明环境越暗。摄像机的照度也用lux为单位，其值越小，说明其照度越低，越能看清更暗处的物体，因此，照度的高低成为人们选择摄像机的一个重要参数。
在市场竞争的今天，很多商家对摄像机的照度参数标得越来越低，从最早的1.0lux到0.1lux，0.001lux,0lux等，那么，这些摄像机真的如商家所说的有那么低的照度吗？
一个摄像机照度的高低，从硬件来说，主要有三个部分，即镜头，感光器件（CCD或者CMOS，本文以CCD为例），滤光片。
镜头作为摄像机的重要组成部分，其主要作用是为感光器件摄取外界光线，将景物成像在感光器件上，其摄取光线的多少直接决定感光器件成像的清晰度。镜头摄取光线的多少，我们称之为进光量，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）表示，它与口径成反比，与焦点距离成正比。在焦点距离相同的条件下，口径越大，F值越小，镜头进光量越大。市场上常见的镜头F值多为1.2，1.4，目前市场上也有了F1.0的镜头，如腾龙，computar等品牌，所以，为了得到更低的照度，需要选择F值更小的镜头。
感光器件，目前摄像机常用的CCD主要有三大供应商，SONY SHARP 和LG，在这三种CCD中，SONY CCD的感光度最好。
我们常用的SONY CCD为Super HAD CCD, 低照度摄像机常会选择超感光度CCD，SONY公司将其称为EXVIEW CCD，该CCD的感光度为普通Super HAD CCD的5倍，
另外，CCD的尺寸大小也对其感光度有着很大的影响，尺寸越大，其感光度越好。普通摄像机CCD的尺寸大小多为1/3英寸，1/4英寸，低照度摄像机经常会采用1/2英寸的CCD。1/2英寸尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。 1/3英寸尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。 1/4英寸尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。
滤光片作为摄像机的一个很小器件经常被人们所遗忘，殊不知他对摄像机的成像效果起着很大的作用。滤光片主要作用一是滤除红外线，二是修整光线，彩色监控摄像头CCD也可感应红外线,就是因为会感应红外线,会导致D.S.P无法算出正确颜色,，因此须加一片滤光片,把光线中红外线部份隔开,所以只有彩色CCD需要装滤光片,黑白就不用了，低照度摄像机为了得到更低的照度，除了摄取可见光外，也需要摄取一些自然界中的红外线，而红外线因波长的不一致会对摄像机的成像造成一定的影响，所以采用感红外的滤光片可以滤除摄像机不需要的一部分红外线波长而保留摄像机需要的波长。目前高端的低照度摄像机会选用双滤光片，即一个为不感应红外的滤光片一个为感应红外的滤光片，这样，白天采用不感应红外的滤光片可以得到清晰真实的图像，夜间采用感应红外的滤光片可得到更低的照度。此类摄像机前端一般都会配有一个光敏电阻，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从不感红外的滤光片切换成感红外的滤光片，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灵敏度。当然，在转换过程中会遇到一个临界值问题，如果光线恰好在我们设定的临界值时会来回切换，这样不但对成像效果会造成影响，也会因为不停的机械运动对滤光片的寿命造成一定影响，所以，各生产厂家会在摄像机内增加一个延迟电路，即当达到临界值时会延迟一定时间在切换，如果在这个时间段内，光线继续降低，则会切换，如果在这段时间内光线保持不变或者升高，则不会进行切换。
以上，从硬件方面对低照度做了一些阐述，下面从软件方面做一些补充
低照度摄像机发展到今天，不仅仅对硬件方面提出要求，对于软件方面也提出更高的要求。
软件方面的改进主要有两个方面，一是彩色转黑白，二是低速电子快门，也叫帧累积。
一般来讲，黑白摄像机的灵敏度会比彩色摄像机的灵敏度要高出很多，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，所以现在几乎所有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软件设定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，为了保证在临界值时不会造成反复切换，我们都会做一个延迟处理。
低速电子快门的应用对低照度摄像机来说是一个划时代的进步。低速电子快门是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起来，成为一个影像清晰的画面。我们知道在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，结果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，低速电子快门可以放慢快门的曝光速度使得CCD可以更长时间的累积电荷从而在很暗的情况下得到更清晰的画面，目前常见的摄像机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，会产生摄像机图像产生不连贯的现象。
通过以上分析，我们在选择低照度摄像机时不能盲目的看各商家所标的最低照度，对于枪式摄像机，我们首先要看的是该摄像机选择什么样到CCD，其次是否彩色转黑白，并且是否运用了双滤光片技术和帧累积技术，对于半球型摄像机还要看它采用什么样的镜头。
当然，任何低照度摄像机，都需要在有光线下才可使用，所以，前面提到得0LUX摄像机对于低照度摄像机来说是完全不成立的。而各商家所说的OLUX仅对红外摄像机适用。因为前面我们提到过，摄像机CCD可感应红外线，人们为了在黑夜中仍能使摄像机采集到图像就为摄像机配上红外灯，这样，在全黑的情况下，即使光线为0LUX仍能采集到图像。然而，一些场所，红外摄像机是被禁止使用的，因此，到目前为止，低照度摄像机仍有其不可替代的地位。比如博物馆是禁止红外线紫外线破坏的场所，而这些场所又必须是日夜24小时进行监控，那么低照度摄像机就体现出他无可替代的地位，而这些场所又需要完全实时的监控，那么我们在使用低照度摄像机时应关闭低速电子快门，并且在选择时尽可能选择CCD尺寸较大的摄像机，如1/2的摄像机。在一些易燃易爆的仓库，由于红外摄像机的发热量较大，容易造成自燃导致火灾，所以红外摄像机在这些场所也是被禁止使用的，还有军事海岸线等场所，由于红外摄像机所发出的波长容易被一些专用仪器所发现也是被禁止使用，只能选择低照度摄像机。
总的来说，低照度摄像机虽然在某些领域有其不可替代的地位，但是由于其价格昂贵，对硬件要求较高，使得其发展受到很大阻挠，所以，以后的低照度摄像机发展，应该是在软件上不断突破来降低原始成本使其广泛被使用。