低照度环境监控系统布建方案及产品选用要求

　　摘要：“低照度监控”是一个有趣的安防工程话题，从日夜监控需求到夜视的能力调控，借此对低照度与夜视等一些易混淆的观念进行厘清。说起来低照度环境监控算是一门有些难度的学问，如何进行监控系统布建及产品选型也有很多的细节及注意事项...
 

　　低照度的环境定义与监控诉求

　　什么条件可算是低照度环境呢?从字面上来看，环境照度非正常标准的条件谓之低照度。对低照度的定义众说纷纭，并没有统一的工程标准定义，只有表示彩色摄像机可视条件从0.0004～1Lux，黑白摄像机可视条件从0.0003～0.1Lux的说法，但其实真正的低照度环境需要很多光线及照明等条件配合。

　　如果以工程实务角度来看，其定义也没那么复杂：当一个摄像机的影像在画面开始产生一些黑暗部分噪声及色彩产生变化时，都可以在工程执行上以低照度来认定此时的环境条件。所以其实从学理上，监控工程执行并不须要考虑太多理论数值来验正是否须要低照度监控设备，而应该依据环境的情况来认定，才比较符合工程上设备采用的要求。

　　再谈到低照度监控诉求时，必须先把低照度、完全黑暗或有辅助照明这样的环境做一个明确的了解及区分，因为低照度的环境不等于全暗条件，更不等于有辅助照明的情况，所以在做低照度环境监控布建前，必须认识到个别环境条件下采用的监控摄影设备也不尽相同。在低照度环境监控布建前就应该了解这种应用技术与照度差的对应关系。过去在各种夜视技术尚未完备时，低照度监控一直是工程应用上的主要热点，即便在后来红外线及热感摄像机大行其道的阶段，低照度监控设备仍然有其不可替代性。这些低照监控设备的照度差与应用技术关键在于以下这几个要件:

　　1. CCD/CMOS Sensor完备的配套技术

　　一个完整的低照摄像机由两部分组成，即镜头和摄像机本体，而摄像机本体包括感光器Sensor组件(CCD或CMOS)、复杂的信号处理电路(DSP Processor)及滤光片(Filter)等。在Sensor组件上低照监控应用有一个特性，那就是Sensor感光面积越大进光量越高，也就是说在低照监控上与Sensor尺寸大小对应的低照度效益是1/2”优于1/3”，而1/3”又更优于1/4”的感光组件，这是低照监控应用与技术关系中不可忽略的关键。

　　 2. 镜头技术

　　镜头也是摄像部件的重要组成部份，它在低照监控应用技术上作用是为摄像机的Sensor感光组件聚焦被摄物体的光线，这里的低照应用与技术关系在于镜头的口镜越大进光量也会越大，也就是镜头的进光量F值越小，为了使得摄像机获得理想的低照度效果，需要配置相适合的或F值较小的镜头为另一关键。

　　3. 滤光片Filter技术

　　滤光片是彩色摄像机的一个组件，对摄像机的低光成像效果有很大作用。一般滤光片可滤除红外光。采用可滤除不需要的红外光而保留需要的红外光的滤光片。目前高端低照度摄像机会选用双滤光片ICR-CUT，即白天采用不感应红外的滤光片以获得清晰的图像，夜间采用可感应红外的滤光片得到更低的照度。

　　由以上三个低照度应用的技术关键说明，可知低照度监控系统布建的诉求重点何在。

　　低照度监控布建可应用方案有哪些?

　　工程技术人员都应该知道在光线较差的环境中，低照度摄像无需辅助光源即能识别目标物体，这些都是靠摄像体本身Sensor、DSP、镜头及虑光片协作所致，而在这些关键技术采用下，低照监控的布建应用也就越来越受到工程商的重视与使用青睐。这些低照度监控应用方案大致包含以下:

　　1. 最基础也是最笨的一种方式——帧累积应用方案

　　这种应用也叫做低快门(Slow Shutter)，此类摄像机又称为画面帧累积型摄像机，它是利用内存的技术并放慢快门速度，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，运用慢快门技术降低摄像机照度至0.009lux/f1.2以下，并且画面能够累积的帧数(128或256帧)是属于一种既笨又可靠的低光应用技术。

　　此类型低照度摄像机适用于禁止红或紫外线的场所，比如博物馆或夜行动生物观察，国土海岸监视等，属于较静态场所的低照监视使用。

　　2. 电子机械应用方式——彩色变黑白模式方案

　　此方式又称为日夜模式(Day & Night Mode)，此类摄像机目前在市场上仍有其特定的需求，一般日夜型摄像机的照度在国内市场上标示数值最低有达到0LUX的程度，但0Lux基本无法呈现色彩，因此在应用于低照监控布建时必须特别声明其效能。这种白天彩色/晚上黑白(COLOR/MONO)摄像机是利用黑白影像对红外线感度较高的特点，在一定的光源条件，利用电机机械线路切换滤光片或软件切换为黑白信号模式的方式，将影像由彩色转为黑白，以便于感应红外线。

　　在彩色/黑白线路转换的过程中，为了搭配红外线，拿掉了彩色摄像机不可缺的红外线滤光片，此种作法虽可在夜晚达到“低照度”的目的，但在应用时却有影像焦距模糊，色彩表现不正确的缺点，并且摄像机的成像距离会受到红外线成像焦点位移差的影响导致无法清晰成像的结果。因此为达真正的低照度摄像除采用IR红外镜头搭配使用才能达到成像清晰的要求，而特别注意的是碍于摄影机本身采用组件的功能限制,因此这种而白天彩色/晚上黑白的摄像机只是利用线路切换及搭配红外光的方式，并不能算是低照最好的方式。

　　3. 最科学化的应用方式——高感度低光感应模式方案(Low-Light)

　　此方式又称做Exview-HAD模式，也可称为全天候摄像机，是最热门的低照度监控应用机种。其彩色模式低照度可达0.01Lux，黑白更可达0.001Lux，搭配红外线时可在 0Lux下使用。此类低照监控的摄像机不仅能清晰的辩识影像，更不会出现类似低照时帧累积方式出现延迟画面。此类型摄像机主要采用Exview-HAD超感光组件，使得最低照度可达0.001Lux,幷且还能保持较小影像噪声比，而实现真正意义的低光级摄像机，在相对黑暗的环境下无需使用红外灯就可以得到较为清晰的影像，使安防行业在低照监控的技术发展更深一层。

　　4. 有效的辅助低照的应用方式——红外线辅助模式方案(IR Mode)

　　感红外摄影机又称为红外辅助摄像机，由于感光组件有很宽的感光光谱范围，其感光光谱不但包括可见光区域，还延长到红外区域，利用此特性，可以在夜间无可见光照明的情况下，用辅助红外光源照明可使影像感光器清晰的成像。在实际低照监控工程应用中，我们发现黑白摄影机比彩色摄影机具有更高的灵敏度，可以在较暗的环境里获得更清晰的影像，特别在有红外光源辅助照明配合下，更是可以做到0Lux(可见光)。因此在使用红外灯时我们应选择黑白摄影机或是日夜两用摄影机镜头，并具有IR自动光圈，以适应昼夜照度很大的变化。

　　以上四类为低照监控时最有效的系统布建应用方式，给我们在系统产品选型上提供了一个有效低照环境应用依据，但除了应用的选型依据之外，我们在低照监控系统的布建产品选型上还要注意一些重要的选行应用问题，这些问题可谓包罗万象。

　　低照度环境监控应用问题

　　低照度监控系统的建置不免在工程过程中或系统产品应用上产生问题，这些问题有些来自产品电路电子性能，有些来自环境物理特性，不一定是您我在工程施作前就能预期的，因此要在特殊的低照度监控系统进行工程的项目，势必有一些经验与问题是我们必须事先了解并加以预防的，特别是在低照度的一些应用问题上，以下就四个低照度应用类型，将可能发生问题简述于后;

　　1. 焦点偏移的问题

　　由于使用红外线摄影机或辅助红外线照明，可见光与红外光由于波长不同，会使影像成像焦点不在一个平面上，导致在白天可见光条件下图像清晰，而夜间红外光条件下模糊，或者夜间红外光条件下图像清晰，白天可见光条件下图像模糊。

　　这种情况可以用三个方法解决。第一，采用自动聚焦一体化摄像机;第二，采用IR专用焦点不偏移镜头;第三，采用专业的调整工具，在非IR镜头条件下也可以实现焦点不偏移的要求。

　　2. 色彩不正确的问题

　　虽然黑白摄像机可以感应红外光。但红外光线在可见光下对于彩色摄像机来讲却是一种干扰的杂光，会降低彩色摄像机的清晰度和色彩还原。一般彩色摄像机的滤光片就是为了阻止红外线参与成像。但两相选择下常让低照监控的色彩产生不正确的情况。

　　因此要让彩色摄影机感应红外线现在有两个做法。第一，切换滤光片，在可见光条件下挡住红外线进入;在无可见光的条件下移开滤光片，让红外线进入;这种方案得到的影像质量好，但成本高且会出现一定的故障率。第二，在滤光片上打开红外线通道，允许与红外灯波长相同的红外光线进来，但色彩还原略差。

　　3. 低光感应或搭配红外线照明的画面红暴问题

　　由于红外线波长在700nm-800nm间的影像在感应时容易出现类似白亮曝光的红暴现象，因此低照度监控能不能避免出现红暴就是一个高超的技术问题，但实际上有无红暴只是一个选择问题，并不是技术问题。波长在900nm以上的红外线就不会有红暴现象，而波长越短，红暴越强，红外线感应度也越高，所以是产品的选配选择而不是技术问题。

　　4. 红外线照明的投射角度问题

　　红外灯是不是视角越大越好?其实是要看搭配镜的，大部份工程商都对这种说法产生迷思，大多认为红外灯发射视角越大，选用镜头越大，就不会出现红外线灯的”手电筒”现象。一般情况下，红外灯的视角要与镜头的视角相一致，效果才是最佳的。

　　5. 低照度监控的距离问题

　　 低照红外产品的夜视距离无一定的标准。各厂商都各自吹擂其效果，但实测上常常都无法令人满意，其实应该以客户端的需求为标准。什么条件才是正确的其实说法也很多，但主要是以摄像机、镜头及红外线辅助照明之间的匹配才是最正确的说法，只有确定一定质量的摄像机和镜头照明等的共同匹配才能确定其作用距离。

　　低照度环境监控产品选型注意事项

　　低照度监控的产品选型是一件很慎重又不好处理的工作，工程商在此部分如果没有一些参考原则，容易在产品选型上产生一些疏忽，最终使得系统效果发生折扣，因此有些选型上的注意事项也是在低照度监控系统布建时不可忽略的，这些注意项大致如下：

　　· 最好选择红外镜头

　　因普通的光学镜头，物体反射回镜头的红外光不能有效聚焦到感光组件Sensor靶面上，此时红外夜视效果就会大打折扣，因而最好选用红外镜头。尤其是彩色转黑白(D/N)摄像机，不选用红外镜头就不能使日夜监视焦面一致，致使日夜图像不能都保持清晰。

　　· 选用真正低照度摄像机

　　部分市售摄像机其最低照度都不实际，使夜视有效距离大大降低，因此最好能实际测试。一般最好都能在小于0.05Lux的条件，总之，照度越低越好，由于目前行业还未规范，所以不能完全相信生产厂标示的最低照度，要在实用条件下进行测试再使用。

　　· 红外摄像机要有自动电子快门与自动增益控制(AGC)功能

　　因为有了这些功能，才能使信号调整到比较好的状态，以满足低照度的效果。

　　· 选好摄像机的配套稳压小电源

　　摄像机电源的选取要注意如下两点: 第一 选稳压电源。因市电不稳，如只选一交流变直流12V的变压器而不稳压就会使摄像机中的电路工作不稳定，从而使摄像机的工作不稳，所需性能就达不到要求;第二. 选比摄像机的电流要大上一倍以上的电源为好。如摄像机的电流为300mA或350mA，一般选500mA即足够。若选电流量太小或近似等于摄像机的需求电流量就可能产商机体或电源发热情况，近而影响设备寿命。

　　· 镜头最好选择与摄像机的接口安装方式一致

　　一般摄像机镜头与摄像机的接口安装方式有C型和CS型两种，两者最好一致。如果选用了C型镜头，虽然可以加一5mm厚的接圈。但加接圈就直接影响到机械背焦的准确性，或甚至可能使镜头碰到感光组件的保护玻璃，而造成摄像机的Sensor损坏，须特别注意。

　　· 最好选自动光圈镜头，以适应昼夜照度很大的变化

　　由于日夜监控，其照度变化范围很大，因而最好选用能自动根据照度变化的自动光圈镜头，以使图像保持清晰。

　　· 选择窗口玻璃质量好的保护罩

　　低照度监控系统除了选红外灯、摄像机、镜头外，还要慎选摄影机保护罩、供电电源的组合保护考虑。因为保护罩对红外灯的照明投射会有影响，例如红外光对不同材质的保护罩会产生不同的透射率和反射率，特别是自动除雾的镀膜玻璃，会使红外光产生衰减及折射偏移，所以慎选材质良好的窗口保护罩。

　　以上是在低照度监控系统产品选型上应注意事项，希望透过这样的陈述能让大家更快了解低照度监控系统布建的一些相关工程实务工作。

　　结语

　　低照度监控系统的布建与产品选型工作是一门专业的工程知识，低照度监控系统的应用无远弗界，低照监控可应用于智能交通监控系统，机场跑道安全监控系统，飞机起降安全光电跟踪监控系统，机场周界安全夜视监控系统，机场禁区鸟群探测监控系统，港口码头，航道安全监控系统，海岸线监控系统，核电站/变电站/水电站/水库大坝安全监控系统;石油/天然气管道安全监控系统，地铁运行安全日夜监控系统，铁路货运物资防盗取证监控系统;森林防火安全监控系统;环境保护监控系统，国家文物及重要物资仓库安全夜视监控系统等。因此;低照度监控系统的建置应该是多样化并富有变化弹性，如此才能提供用户与工程商一套完善的系统套用。