Starvis星光全彩摄像机技术

随着sensor传感器技术的发展,安防摄像机的低照性能大大增强。黑暗的环境里,借助微弱的光线,甚至星光,摄像机仍能拍摄出清晰彩色的监控画面。海康有全彩系列(ColorVu Series)摄像机,大华、宇视等都有推出全彩摄像机。安防视频监控进入星光全彩时代。
相较于传统红外夜视,星光全彩摄像机的优点有:

  1. 图像彩色,比红外黑白图像呈现的内容更多。实时监看,事后调查取证能获取的信息更多;
  2. 不需要额外的红外灯,没有光污染,隐蔽性更好;
  3. 没有额外的补光灯,晚上功率相对更小,更有利于POE供电,同时发热量更小,摄像机,系统更稳定可靠;
  4. 不会有红外过曝,手电筒效应等传统红外摄像机的缺陷,看得更清楚。
  5. 一些特殊场景应用。比如晚上停车场,车头灯开启以后,红外摄像机可能完全看不清车牌和车头的情况。全彩摄像机完美解决了这个难题,车牌和车头清晰可见。

在探讨星光全彩技术之前,我们先来了解几个基本概念。

照度

照度(英语:Illuminance)是每单位面积所接收到的光通量。单位是勒克斯(lx=lux)。
1根蜡烛照射1m2 面积,所呈现的亮度大约就是1lux。
下表是一些常见场景的照度值

照度(LUX)光线条件
100 000烈日炎炎
50 000手术室
10 000晴空万里
500办公室
5路灯
0.2满月
0.02月夜
0.0002星光

当然以上照度值只是一个参考值,没有那么精确。同样的在视频监控领域,什么照度的摄像机算星光级的,也没有太明确的标准,后面会具体讲到。一般的,摄像机的感光性能主要取决于镜头和图像传感器,指定的lux值越低,摄像机的感光性更好。
一般厂家会指定摄像机生成可接受图像所需的最低照度水平。尽管此类规格对同一厂家生产的摄像机进行感光性对比有帮助,但对比较不同厂家的摄像机则没那么有用。这是因为不同的厂家采用的测量方法不尽相同,而且对生成可接受的图像也会有不同的标准。

Starvis

星光级摄像机的概念在安防里一直都有,但是比较专业系统的命名应该是源于SONY。
SONY给自家的某些低照性能优秀的背照式CMOS sensor命名为starvis系列。这应该是星光全彩摄像机命名的源头。
对于Starvis,Sony官方解释是visibility under the starlight,意思就是星光下可见。当然行业里有解释成starvision。starvis这个标志Sony是有注册认证的,没有经过授权一般不允许自由使用。所以很多厂家另外命名,比如上面提到的海康的colorVU,大华的Full-color,宇视的LightHunter,安讯士的Lightfinder
关于Starvis技术,Sony是这样定义的: STARVIS是监控摄像机用途CMOS影像传感器用的背照式像素技术,具有每1µm2 2000mV或以上(彩色规格产品、706cd/m2光源成像时、F5.6、1s积累当量) 的感光度。
这种技术主要应用于背照式CMOS sensor上,因为能从sensor硅衬底的背面接收光线,增加了进光量和减少了光损失,提高了灵敏度。
每1µm2面积sensor上的感光度能达到2000mV及以上的都被称为starvis sensor。那如何衡量不同starvis sensor的性能差异呢?Sony又提出了SNR1s概念。

SNR1s

索尼采用SNR1s,作为用于监控摄像机的CMOS影像传感器的低照度画质的定量评价的指标之一。
SNR1s是索尼独自提倡的新指标,仅限于监控摄像机用途的CMOS影像传感器。该数值越小,表明在低照度下的画质越出色。
SNR1s的SNR为”信噪比”,1是”噪声为1时的信号量为1″,此外,s表示”监控用途”。

SNR1s规定的测量条件

应用安防监控摄像机
光源3200 [K]
目标物体18% 灰色
F值1.4
曝光时间1/60(s)
线性矩阵
信号G [e-]
噪声√Shot Noise[e-] 2 + Dark Noise[e-] 2
信号:噪声1:1

SNR1s测量方法

SNR1s测量方法示意图

从两个方向用3200[K]的光源照射18%灰色图并调节到100[lx],将摄像机放置在影像传感器的成像表面距离该灰色图1m远的位置,测量感光度[e-]以及暗噪声[e-],通过关系式计算出SNR1s [lx]。

$SNR = \frac{G[-e]}{\sqrt{Shot Noise[-e]^2+Dark Noise[-e]^2}}= \frac{G[-e]}{\sqrt{G[-e]+Dark Noise[-e]^2}}$

当这个方程式的数值为1时,对应的照度就是SNR1s[lx]。

Sony一些常见sensor的SNR1s值

型号参数SNR1s值
IMX1781/1.9′,2.4µm,5.3M0.26
IMX2261/1.7′,1.85µm,12.4M0.53
IMX3851/2′,3.75µm,2M0.13
IMX3071/2.8′,2.9µm,2M0.24
IMX3271/2.8′,2.9µm,2M0.17
IMX3341/1.8′,2.0µm,4K0.33
IMX3351/2.8′,2.0µm,5M0.33
IMX4151/2.8′,1.45µm,4K0.52

影响摄像机低照度的四大因素

  1. 图像传感器
    图像传感器的感光性能是决定摄像机低照效果的核心因素之一,除了上面介绍的Sony的Starvis系列CMOS背照式传感器,国内厂家也推出了一些感光性能较好的sensor,总体性能与Sony差距还是比较大,但性价比高(便宜),而且符合目前国内芯片产业自主可控的理念,所以市场占有率还是很高,未来可期!
  2. 大光圈镜头
    光圈越大,透过镜头摄入到sensor上面的光量就越多,只能效果就越好。
    全级光圈值中相邻两个光圈数的平方比为1:2,因此,相邻两个光圈值的镜头照度相差一倍。也就是说F1.0光圈镜头的进光量是F1.4镜头的2倍。详细的可以参见 安防摄像机里的镜头 一文。
    另外需要注意的是镜头光圈越大,会导致景深越小。
  3. 处理芯片
    视频编码芯片中的ISP的降噪,自动增益能力会影响最后的成像效果。
  4. 低照度增强等算法
    当所有硬件性能都一样时,最后决定产品低照性能好坏的就是各厂家的算法,优化能力了。比如通过一定的AI算法,将输入的不完整的信息进行恢复。有些甚至采用双sensor模式,一个黑白的能提供更多细节,一个彩色的提供色彩。然后将两幅图进行合成,从而增强摄像机低照能力。

参考资料:

  1. 生活中的照度对视觉的影响:那些能见与不可见的事
  2. 什么是STARVIS?
  3. 安防图像传感器sensor
  4. 何谓SNR1s?
  5. CMOS影像传感器安防监控
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往来无白丁。

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