安防摄像机红外(补光)技术的发展

光的概念

光是一种电磁波,拥有不同的频率,而不同频率的光会有着不同的颜色。
电磁波谱图

人的眼睛能看见物体,是因为物体能发光或者反射光(人眼能感知的光)。但是自然界中的光,人的眼睛能感知(看见)的只是一部分。通过研究我们发现,人眼能完全看见波长在780~400nm之间光线,同时波长在880~780nm之间的光线人眼也能略微感知。可见光(人眼睛能看见的光)范围内依次为赤橙黄绿蓝靛紫。白光为所有这些光谱的综合。

类似于人的眼睛,摄像机里的图像传感器(sensor)也能感知特定波长的光线。CCD或者CMOS的感光元件一般是由硅构成,下图是硅的光谱响应曲线:
硅的光谱响应曲线

从硅的光谱图中我们可以看见,除了能感知780-400nm的可见光,硅对700-1000nm的光线是最敏感的。800-1000nm的这个区间是红外光线。因为这一物理特性,CCD/CMOS摄像机都能比较好的感知红外线,而人的眼睛对红外光不敏感,在缺少可见光的环境里(比如晚上),安防摄像机多使用红外补光,不会对人眼造成光污染,同时也起到比较隐蔽的效果。

红外光线

红外线(Infrared,IR)是波长介乎微波与可见光之间的电磁波,其波长在760nm至1000nm之间。
根据不同探测需要,我们可以把红外光线细分为:

  • 近红外线(NIR):波长范围为700至1000 nm(从人眼无法侦测的范围到硅可响应的范围);
  • 短波红外线(SWIR):波长范围为1000至3000 nm(从硅的截止频率到大气红外线窗口的截止频率);
  • 中波红外线(NWIR):波长范围为3000至5000 nm;
  • 长波红外线(LWIR):波长范围为8000至12000或是7000至14000 nm;
  • 远红外线(FIR):波长范围为12000至30000 nm。

近红外线(NIR)刚好在人眼可见区段旁边,中长波红外线(MWIR,LWIR)和远红外线(FIR)则较人眼可见区段较远。
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补光灯

红外

早期安防摄像机发展中,SONY,三星,松下,夏普等日韩品牌主要专注于摄像机的WDR,低照等性能,对红外技术研究和发展不多.早期,SONY,松下等都没有红外安防摄像机。其中的原因在后面红外灯的问题一节会具体阐释。台湾及中国大陆安防摄像机厂家看见了红外技术在安防摄像机中应用的发展前景,相继推出了红外摄像机,IR-CUT技术等,产生了很好的市场效果。

前面说到,安防摄像机一般使用近红外在可见光线不足时进行补光。这是因为CCD/CMOS的感光元件由硅构成,而硅对近红外非常敏感,同时人眼对近红外不敏感,可避免光污染,夜视时也能更隐蔽。安防摄像机一般使用850nm和940nm的红外补光,850nm使用的更多一些。
前面提到,人眼对880~780nm的光线也略微能感知,所以人眼能稍微看见850nm的红外光线(人眼可见为红色的亮点),而940nm的红外就完全看不见了,因此940nm红外摄像机的隐蔽性更好。但可惜的是CCD/CMOS图像传感器对940nm光线的敏感度比850nm的差很多,为了更好的夜视效果,现在红外摄像机大多选用850nm的红外灯。
下图展示了CCD/CMOS图像传感器如何响应不同光线。
图像传感器如何响应不同光线

IR-CUT技术

理论上,温度高于绝对零度的物体都能发光,各种光线,包括可见光和近红外光等。白天自然界中也有很多近红外光,虽然肉眼不可见,但是对于安防摄像机来说,却很容易捕捉和响应这些近红外光线。这样就产生了一个问题,摄像机拍摄的彩色视频图像因为红外光干扰,图像色彩会不真实,偏色(与肉眼可见的色彩有偏差,一般偏紫色),需要想办法过滤掉这些多余的红外光。而晚上,为了提高摄像机在黑暗环境里的灵敏度,需要尽可能的吸收各种光线,包括近红外。
为了满足这种需求,双滤光片切换技术产生了。双滤光片切换技术,即IR-CUT技术,IR-CUT的核心是两块滤光片+动力切换装置。两块滤光片分别是一片红外截止或吸收滤光片和一片全透光谱滤光片。IR-CUT安装于摄像机镜头与sensor之间。白天默认状态是红外截止滤光片工作,多余的近红外经过镜头到达IR-CUT,被红外截止滤光片截留,不能到达sensor表面,从而保证摄像机拍摄的视频图像颜色真实。晚上,通过光线感应启动IR-CUT上的动力装置,对滤光片进行自动切换,红外截止滤光片移开,全透光谱滤光片工作,从而保证所有的光线(包括近红外)能到到sensor,使其能充分利用到所有光线,从而大大提高了摄像机低照性能。(有的情况下,为了保证夜视黑白图像通透以及更好的效果,可能使用能过滤可见光的滤光片)。
双滤光片切换器

滤光片
滤光片是塑料或玻璃片再加入特种染料做成的,红色滤光片只能让红光通过,依此类推。玻璃片的透射率原本与空气差不多,所有有色光都可以通过,所以是透明的,但是染了颜色后,分子结构变化,折射率也发生变化,对某些色光的通过就有变化了。

图像传感器NIR技术

虽然硅能敏感的响应近红外,为了更好的红外夜视效果,CMOS厂家通过技术不断提升图像传感器的近红外成像效果和灵敏度。NIR技术是图像传感器厂家重点关注的地方和核心技术。

红外灯发展

红外技术分为被动红外热成像感应和主动发红外光两种。安防摄像机一般使用主动红外技术。

整体上看安防摄像机用红外补光灯技术发展历经了3代。
第一代,传统的LED灯,直插式。采用单个发光二极管,使用环氧树脂材料封装,芯片尺寸一般在12mil-16mil之间。封装后的尺寸一般为φ5或者φ8。通过芯片里的反光碗和封装的环氧树脂顶部的透镜来实现聚光,透镜可以做成不同角度,和摄像机镜头的角度匹配,以达到最好的效果。
主要特点:

  1. 单颗功率较小。芯片尺寸在12-16mil,单颗灯电流很小,功率很低。为了取得好的效果,一般增加颗数。常见的颗数一般24-56颗,可照射距离从10几米到40米左右。如果要照射更远,使用这种LED灯很难做到。
  2. 光衰减快。环氧树脂材质的透镜遇热以后容易断裂,红外光线通过断裂面容易被折射回去。随着时间推移,断裂面越来越多,红外光被折射回去的越来越多,能穿透出来的很少。这就是传统LED灯衰减快,寿命短的主要原因。
  3. 散热不好。传统LED灯通过两个插脚通电,发光,同时发热,热电不分离。周围温度较高,缩减电子元器件的寿命。但是单个LED灯坏了,不影响其他LED灯继续工作。

第二代红外灯,称为阵列式红外灯(LED Array)。
阵列红外灯是为了解决传统LED红外灯的缺点而产生的。将多颗小功率的LED集成在一个小范围内,提供单颗灯的功率。同时采用不易断裂的硅胶封装材料从而减少光衰减,延长灯的寿命。另外采用热电分离处理,将芯片排列在铜基板上,铜基板与摄像机外壳链接导热,从而解决了散热问题。
然后这种阵列红外灯一经面市,即被淘汰,没有获得市场认可,主要原因是:

  1. 亮度不够。把多颗LED灯集合在一起,芯片整体尺寸过大,没有一个集中的发光点。光透过透镜,只有少数光线能准确折射到理想方向,大部分被反射或者折射到其他地方。以致于同等功率下,阵列式红外灯的亮度比传统LED红外灯还差。
  2. 集成灯芯数量多,导致成本很高。

综合第一,二代红外灯的优缺点,第三代红外灯–点阵式红外灯诞生了,点阵式红外灯一般又称为IR-III。其主要特点是:

  1. 使用单颗大功率LED芯片,目前最常见的是42mil。第三代点阵红外灯功率比第一代LED灯大很多,需要注意选用合适电流的摄像机供电电源。如采用POE供电,需要关注夜视红外灯完全开启以后,摄像机是否能稳定工作,POE供电,网络传输是否正常。有时供电电源无法保证,或者POE供电要求达不到,宁愿选用使用第一代普通LED红外灯的摄像机。
  2. 采用第二代阵列式红外灯电热分离技术和封装技术。工作稳定,寿命长,衰减缓慢。
  3. 采用二次聚光技术,是光源的有效利用率能达到95%。先有灯芯的反光碗和封装硅胶的透镜形成一次聚光,然后由灯杯的反光碗和透镜形成二次聚光。
  4. 采用单颗芯片,成本可控。

第三代点阵红外灯芯片尺寸除了常见的42mil以外,还有5050(20mil),2835(14mil,20mil),3030,微型点阵φ5(10mil)等多个系列。

三代红外灯技术比较

项目传统LED阵列式点阵式
体积
成本一般相同亮度下,贵很多与传统LED相当
散热散热不好处理散热容易处理散热容易处理
寿命一般传统LED的5-10倍传统LED的5-10倍
质量一般
电光转换效率10%左右20%20%
亮度不如传统LED比传统LED好
红外灯的问题

安防摄像机用红外补光灯发展历经了多代。虽然不断更迭出新,但是因为红外补光技术本身固有的缺陷,旧的技术产品始终能保留,没被彻底淘汰。

  1. 使用红外灯的摄像机,功率大,发热大,在特殊行业和场景中使用有潜在危险。比如石油,化工,煤矿等厂区,作业场所使用,有潜在危险,安全隐患。
  2. 使用红外灯,摄像机夜视成像时一些场景或监控对象容易引起红外过曝,看不清细节,比如人脸。(当然针对这一问题,现有摄像机方案厂家都已有针对性的优化,效果很好)。
  3. 红外夜视照车牌,车牌会反光,完全看不清楚。所以照车牌摄像机一般使用白光灯补光或者不使用补光灯,选用低照能力比较好的sensor方案。智能交通领域一般使用频闪灯或者白光灯。
  4. 红外灯始终会有衰减,使用时间长久之后,夜视效果会大打折扣。
  5. 红外灯功率比较大,POE供电或者集中供电时难于满足要求,只能选用不带红外灯的摄像机或者使用功率较小的第一代普通LED灯的摄像机。
  6. 红外灯补光以后,视频图像是黑白的。相比于彩色图像,细节缺失了,不利于查找线索,例如公安查案。因此,平安城市,社会治安里的安防摄像头一般不选用红外的,而多用低照,星光级摄像机。

白光(暖光)

除了红外补光以外,摄像机还可以使用白光,暖光灯补光,使用方法功能等与红外灯基本一样,区别在于使用白光(暖光)补光,摄像机还能呈现彩色图像,因为白光(暖光)本质上是可见光,其隐蔽性没有红外光好。而白光和暖光的区别仅在于光源的色度,亮度不一样。
前面提到,智能交通行业摄像机,一般使用白光的频闪灯或者常亮灯补光。
最近有红外/白光(暖光)二合一的双光源的补光灯,使用这种双光源灯,一般夜视场景下,红外灯工作,隐蔽性很好,监控视频图是像黑白的;当有人进入监控区域,会触发摄像机的人形侦测功能报警,从而关闭红外灯,启动白光(暖光灯),视频图像变成彩色的。这样解决了前面提到的夜视黑白图像丢失掉人的细节这一痛点,同时白光灯还能启到警示的作用。
上面提到的摄像机可以侦测到人形以后触发报警,有些厂家给摄像机接入报警警灯或者喇叭。当有人进入监控区域时,能触发警灯报警或者喇叭语音警示,当然这一功能就不是补光灯的范畴了,属于摄像机的智能分析,报警功能了。

光敏电阻(摄像机自动感应,软光敏模式)

补光灯开启的方式,整体上看有两种。一种是通过光敏电阻,另一种是通过摄像机控制。

光敏电阻是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器,其工作原理是基于内光电效应。光敏电阻对光线十分敏感,其在无光照时,呈高阻状态,光照强烈时,电阻迅速变小,或者反之。
光敏电阻器对光的敏感性与人眼对可见光的响应很接近,只要人眼可感受的光,都会引起它的阻值变化。光敏电阻的这一特性可以用来控制摄像机红外灯的开关。白天有可见光,光敏电阻感应到光线,灯板控制电路将红外灯,同时驱动IR-CUT和摄像机切换到白天彩色模式;晚上无光或者光线变暗,没有光线照射到光敏电阻上,灯板电路控制红外灯开启,同时驱动IR-CUT及摄像机切换到夜晚黑白模式。所以摄像机安装好以后,灯板上的光敏电阻不要被遮挡,以免影响灯板正常工作。

光敏电阻对光线的感应能力是固定的,不可变。这样会导致同一型号的摄像机在不同安装环境里,红外灯开关可能难于满足我们特殊的需要。例如,光敏电阻过于敏感,可见光线还很亮,摄像机红外灯板已经开始工作,视频图像已经彩转黑了;或者环境已经很黑了,但是红外灯板还没开启,导致监控画面漆黑一片,看不清楚。
为了解决上述问题,通过摄像机镜头来感应光线,从而控制红外灯开关的方法诞生了。其核心是,摄像机镜头捕捉到光线的强弱,通过摄像机内部自动曝光和自动白平衡算法,控制电路,产生高低电平信号,输出到红外灯板上,从而控制红外灯的开启。因为不需要传统的光敏电阻,这一方法也被称为软光敏模式。
相较于传统光敏电阻的控制模式,软光敏的优势是显而易见的:我们可以根据需要动态调整摄像机感光的灵敏度,从而影响红外灯板的开启和关闭,以满足不同场景的需要。另一方面,摄像机感应的光线是动态变化的,从而能输出动态变化的控制信号,使灯板的亮度随之也能动态调整。

参考资料:

  1. 可见光
  2. 红外线
  3. 超高近红外灵敏度
  4. SONY Image sensor Technology-NIR
  5. 滤光片
  6. OSRAM
  7. 光敏电阻
  8. 基于自动曝光和自动白平衡算法实现软光敏的方法
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引用通告 & 通告

  1. […] 安防摄像机红外(补光)技术的发展 […]

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谈笑有鸿儒,
往来无白丁。

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