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从“光污染”也谈监控摄像机设备选型之一二

  文/刘本军 黄健  万波(湖北三峡职业技术学院教研室主任、宜昌市公安局科技信息处网络工程师、宜昌市夷陵区智慧城市建设办公室网络工程师)

  光污染是继废气、废水、废渣和噪声等污染之后的一种新的环境污染源,正在威胁着人们的健康和生活。在日常生活中,人们常见的光污染的状况多为由镜面建筑反光所导致的司机和行人的眩晕感,以及夜晚不合理灯光给人体造成的不适感,所以有些卡口和道路两边摄像机补光灯强烈的光照,就属于光污染其中的一种。

  图1 蛛网密布

  近几日在街头闲逛随手拍了几张照片,如图1,由于摄像机补光灯夜间补光,造成蚊虫飞舞,所以摄像头下蛛网密布,虽然给蜘蛛侠们提供了丰富可口的食物,但给文明城市创建却带来了不大不小的麻烦:清洁工们虽然可以清扫,可是太高一般无法直接清扫,需要专门的梯子和车辆,但这不是他们的工作职责;摄像机的管理和运维部门由于经费捉襟见衬无法顾及,日积月累所以问题就暴露出来了。

  同样一个地段,夏季某天早上7:38分和8:04分二次路过,如图2,摄像机补光灯常亮未熄。夜间路过此地段时,刺眼的补光灯灯光照射的行人不得不低头或者侧过身体,来躲避灯光。我在想犯罪分子路过此地段时,看着如此耀眼的灯光,会猜想到是监控摄像机补光灯的灯光,可能会选择绕行或者其它的方式来躲避监控,如此强烈的“光污染”早已失去安装监控摄像机的意义!

  图2 补光灯常亮不熄

  现阶段平安城市建设内容已迅速扩张至平安乡镇、平安社区项目,监控点位的安装条件和部署环境逐渐恶劣,为提高监控画面的质量,越来越多的点位选择夜间增加补光灯为摄像机成像作补充,所以就有很多家媒体报道,所在城市卡口和道路两边的摄像机补光灯强光闪眼,“光污染”严重。虽然设备厂商表明补光设备每次闪光只有1/3000秒,远低于人每次眨眼需要的0.3-0.4秒时长,对于人眼的**实际上很小,但经过强烈灯光“洗礼”的车主和行人也不在少数,相信有怨言的也并非个别人。其实我们可以在摄像机相关设备选型上下些功夫,来解决这些头痛的问题。

  公安部有针对电子警察的部级标准GAT1202-2014《交通技术监控成像补光装置通用技术规范-2014年最新标准》,这个标准的制定给智能交通补光装置应用设立了一个技术门槛,既规范了智能交通补光装置的应用,又方便了补光装置生产厂家的生产管理,营造一个良好的市场环境。标准对补光装置的光照度设立了上限与下限,上限是为了防止光污染,不能一味的追求图片效果而影响到驾驶人及扰民,而下限是为了保证补光灯的实际补光效果,该标准在光学性能这一块规范了三种形式的补光:

  一、频闪方式补光:在闪光瞬间可持续以大功率形式输出,大大提高摄像机曝光期内光输出能量,并通过调节闪光长度能够使发光与摄像机曝光时间有机结合起来,实现夜间抓拍与录像功能,可以认为频闪灯一直亮着的,但其实是一闪一闪的,人肉眼基本上感觉不到。

  “标准”中4.3.1频闪方式补光装置:补光区域内光照度应均匀、无暗区、无明显抖动;在距离补光装置20m处,基准轴上的峰值光照度应小于等于300lx,平均光照度应小于等于50lx;在制造商标称的补光区域内,峰值光照度应大于等于基准轴上峰值光照度的50%。

  图3 普通频闪灯与外置光栅频闪灯

  频闪灯启动后,与监控摄像机视频同步,可以实现与视频流中的每帧曝光都能同步,但因为亮度不够高,补光效果并不是很好,一般用于视频检测或车牌补光。现在有不少厂商,包括海康威视、宇视都有外置光栅的频闪灯,通过加装遮光罩,将光束汇聚到车牌区域,尽可能地减少补光灯对驾驶人行车安全造成的影响以及对周边环境造成的“光污染”,如图3,左边为普通频闪灯,右边为外置光栅频闪灯。

  二、脉冲方式补光:以往早期用于智能交通监控系统的补光灯,通常是用几台几千瓦的金卤灯补光,但其功耗大,寿命短,每当开车路过都会爆闪一下的那种,对驾驶人员会产生严重的眩目感,后来就采用氙气爆闪灯,也有叫气体闪光灯。

  氙气爆闪灯发光原理是“气体放电发光”,在一定电压和触发条件下,瞬间使灯管内气体电离,产生高电流的电弧,电弧中产生 4000K--12000K色温的强劲光芒,亮度比LED频闪灯高些,可以做到单帧同步曝光,补光效果较好,一般用于抓拍单张图片,可以比较清晰地监测到驾驶室内的人脸。

  “标准”中4.3.2脉冲方式补光装置:补光照明区域内光照度应均匀、无暗区;在距离补光装置20m处,基准轴上的有效光照度应小于等于4000lx,点亮时间应小于等于2ms;在制造商标称的补光区域内,有效光照度应大于等于基准轴上有效光照度的50%。

  氙气爆闪灯虽然满足了相机夜间补光,也减缓了对驾驶人员的眩目感,但它也有以下缺点:(1)、由于电容的充电时间慢,放电快(1秒钟只能闪3-5次),当车流量大的情况下单台氙气爆闪灯不能满足补光,摄像机会有抓拍到部分漆黑的图像;(2)、质量好的氙气爆闪灯的闪光寿命一般只有300万次,质量较差的不到30万次,所以氙气爆闪灯寿命短,车流量大的监控点一年内要有时要换几次设备;(3)、氙气爆闪灯因为自身原因不能用于录像,所以氙气爆闪灯不能用于在基于视频检测方式的电子警察或卡口项目。

  为了减少“光污染”,很多厂商推出了多种类型的爆闪灯:(1)、爆闪灯(白光型):适用卡口,抓拍驾驶室的情况;(2)、爆闪灯(防炫目型):内置了光栅,一定程度上减少爆闪对驾驶员炫目影响;(3)、爆闪灯(红外爆闪灯):在白天使用优质偏振片,透过可见光,同时滤除车窗表面产生的偏振光,在夜间使用可见光截止滤片,用来滤除可见光,使红外光通过。由于曝光的是红外光,驾驶员无感知。

  要注意的是红外爆闪的红外光因为光强没有白光强,夜间抓拍驾驶室没有问题,但白天因为自然光太强,红外光压不下去,最好还是加装白光爆闪灯,夜间启动红外光。白天自然光很强,爆闪光对驾驶员的感知不会太明显。但是,如果测速卡口必须用白光爆闪,因为测速等违法处罚要求必须是彩色图片,而红外爆闪灯抓拍图片为黑白。

  、持续点亮方式补光:所谓持续点亮就是不用连接其它触发信号,只要一通电就一直亮或夜间一直亮(加装光控或者时控电路)的LED补光灯,有时也叫LED常亮方式补光。图2就是采用持续点亮方式补光,出现这种情况笔者分析是位于补光灯后面的光敏电阻被蜘蛛网等杂物遮挡(如图4),所以造成夏季早上8点之后还不关闭的现象。

  图4

  “标准”中4.3.3持续点亮方式补光装置:补光照明区域内光照度应均匀、无暗区;在距离补光装置20m处,基准轴上的光照度应小于等于50lx;在制造商标称的补光区域内,光照度应大于等于基准轴上光照度的50%。

  LED常亮补光灯寿命比氙气爆闪灯长,但亮度不及氙气爆闪灯和LED频闪灯,同时工作时的发热量比LED频闪灯大。市面上的LED常亮灯功率一般只有几十瓦,摄像机感应到的光照度也不如LED频闪灯,特别是为了拍清高速移动的车辆,电子快门调快后,传感器的曝光时间缩短,很难达到补光的要求,同时也会对司机产生剌眼的干扰。通俗的讲,就是人眼感觉很亮,但是摄像机拍照出来的图像并不很亮。

  其实在很多环境下可以采用红外技术来解决补光问题,红外线不可见,所以红外LED补光灯更加隐秘,绝大部分厂商都提供红外技术的摄像机,并且产品线较齐全,不过要看清各个厂商采用的第几代红外灯技术,中间有所区别。LED芯片结合封装技术发展,红外灯技术发展经历以下三代:

  一、第一代传统LED(直插式):单个发光二极管,采用环氧树脂(Epoxy)封装,受热易断裂,芯片尺寸在12mil~16mil之间,封装尺寸基本为φ5、φ8左右,这是目前使用最普遍的零件,几乎占有95%以上的市场,但品质参差不齐,所以价格差异也大,从人民币3角到1元不等。但其热电不分离,光衰大、距离有限,寿命存在局限性,需要增加整个灯的体积和LED个数。

  二、第二代阵列式红外灯:它集成了多颗小功率LED在一个小范围内,并作了“热电分离”处理,使得整个零件能置于任意大小、任意形状的散热体上,从而解决了散热问题,同时减少对周边元器件的热“贡献”。又由于使用的封装材料不断裂而极大的减少了光衰减,寿命较传统LED长了5-10倍。但因发热量较大,光效用低,亮度不足,成本较高,容易出现聚光偏心现象(发光点偏离了透镜的中央),所以并未全面推广使用。

  三、第三代功率型红外灯:它既有第二代体积小,散热处理好,寿命长的优势,又解决了因偏心现象而不够亮的缺点。整个设备做得较紧凑,红外灯内置所以隐蔽性较好,表面一次透镜采用硅胶,且封装方向从平面向朗伯体发展,利于出光。第三代点阵式红外灯的价格接近或低于传统LED,逐渐在主流厂家新品中体现。

  除了在红外灯上面做文章外,很多厂商在摄像机设备的材质下功夫,例如宇视公司部分摄像机红外视窗采用特殊红黑高透材质,透过率达到93%,高于普通玻璃透过率(约85%),同等功耗下补光效率更高。同时该材料对可见光截止,可有效滤除红外灯中的可见光部分,减轻红爆现象,降低夜间昆虫趋光现象。海康威视新结构点阵红外筒机采用红外增透面板,比普通玻璃的红外透光率高10%左右,红外照射距离更远,同时无红暴红外技术,集成了两种先进手段:“LED薄膜发光技术”将发光波段控制在940nm以上,发光效果更高利用,“红光吸收技术”大幅度降低了光谱中红光的比例,实现真正的无红暴补光,无红暴效果提升30%以上。

  根据公安机关权威统计的数据统计:接近70%的犯罪都是在夜间发生,从晚上7点到次日凌晨5点是犯罪事件的高发期,黑夜成了罪犯的天然保护伞,从另外一个角度也反映出了现有监控摄像机夜视效果堪忧的问题,不仅降低了破案效率,同时也弱化夜间视频监控了对犯罪分子的威慑作用。采用传统补光灯补光技术难免会形成“光污染”,传统的红外补光技术虽然能在低照度下获得清晰的成像,但会失去色彩,只能形成黑白图像,而且通过红外补光车牌这类高反光的物体很容易过曝,而衣着颜色、车身颜色、车牌等又往往都是破案的关键线索,丢失不得,所以低照度下的清晰彩色成像需求越来越多,星光级低照成像技术开始发展,并逐步成熟,越来越多的厂商都推出了各种款型的高清星光级摄像机。

  图5 普通与星光级摄像机低照效果

  如图5对比所示,这是在路灯未开启的园区内,夜晚同一时间普通相机与星光级低照相机的效果对比。普通相机在强制彩色后获得的图像只能隐约看到树木、道路、建筑的轮廓,整体环境一片漆黑,已经失去了监控的作用;而宇视这款星光级低照摄像机对于道路、建筑物、甚至远处车辆的细节都能还原得非常清晰,而且整体画面没有明显的噪点,低照下的彩色效果表现优秀。

  其实星光级摄像机在结构上与普通摄像机完全一致,其效果差异主要来自于底层硬件性能的提升和图像调校算法的进一步优化,主要体现在以下三个方面:

  一、传感器技术的改变:目前主流的摄像机都采用CMOS传感器,虽然在刚起步时两种传感器结构及工作机理的不同,CMOS在低照下的成像效果确实不如CCD,但随着背照式CMOS的推出,其内部结构做了调整,光线通过透镜后能直接到达感光层,使灵敏度有了质的飞跃,而传感器灵敏度正是摄像机在微弱环境光中依然能获得清晰彩色图像的最大保障。

  二、镜头的影响:镜头最大光圈值是其中很重要的一个因素,光圈越大进光量越大,进而彩色效果越好,反之则效果越差,但镜头光圈越大,景深却越浅,即场景中聚焦清晰的范围越小,所以镜头光圈值也需要根据实际场景调节,不能为了进光量一味的增大光圈。与此相关的另一个因素是摄像机慢快门,当快门越慢,进光量越大,画面亮度提高,但相对的运动物体的拖影也越严重,所以快门值也是把双刃剑,需要根据具体应用场景设置相应的值。

  三、与ISP (Image Signal Processing图像信号处理)的处理效果相关:降噪处理是低照度下成像很重要的一个处理过程,噪点会使图像显得不清晰,但降噪处理不当又会造成严重的雾感、拖影,损失细节等现象。所以即使基于相同的硬件平台,产品的最终效果也各有不同,这其中就体现了不同厂家的研发能力。

  各大厂商在针对夜间超低照度成像技术的研究,一直未停止过脚步,宇视推出了星光和超星光概念的摄像机,海康威视提出星光、星光+、黑光概念的摄像机。海康威视早在2013年就推出了星光摄像机产品,开启了夜间低照度彩色监控效果的先河,2015年推出了新一代星光+产品,引入1/1.8大靶面传感器,有效的提升了夜间低照度下的进光亮,有效提升了成像质量,2017年推出效果更为震撼的第三代黑光摄像机。由于传统成像模式摄像机要对图像的色彩、亮度需要同时处理,从而导致色彩和亮度相互串扰,互相影响,而黑光摄像机能够模仿出人眼视网膜成像的原理很好地解决这一矛盾:黑光成像有如视网膜中的干细胞和锥细胞,能分别对色彩和亮度分别采集和处理,避免串扰现象发生,除了传统摄像机可见光波段成像外,还能对近红外光成像,达到红外补光同时也是彩色图像的效果,如图6所示,图像清晰度佳,色彩还原度佳,已经颠覆传统技术,缔造夜间监控“全彩时代”!

  图6 黑光摄像机夜间效果

  总结:摄像机成像的好坏很多时候是由环境光照状况决定的,要实现摄像机高清成像就必须营造一个有利于成像的环境,光照不足时为其补充光源,同时还要处理好摄像机与环境的关系,选择恰当的安装位置,但很多安防监控工程商认为摄像机补光灯并不是主要设备只是辅助设备,所以预算一般较少,为了方便施工以及节约成本,在实际设计和施工中不太注意这些细节:大部分摄像头的型号及补光方式都一样,没有区分具体的场景和环境。随着科技的不断进步,更多先进的补光技术以及无需补光的摄像机都会出现,成本也会逐渐降低,我们在选用这些设备时应注意其优缺点!

来源:安防知识网     编辑:     点击数:9  
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