高清摄像机的夜视难题与突破

 2010年以来，经过两年多的市场培育，高清摄像机正从“趋势”变成“现实”。许多高清摄像机厂家如雨后春笋般涌现出来，传统的模拟摄像机厂家也逐步往高清领域转型。在市场上，越来越多的的代理商、工程商和用户认可了高清。可以说，2012年，高清摄像机正迎来发展的又一波高峰期。

    具体来看，尽管仍被笼统地称为“百万高清”，但高清摄像机的清晰度已有了很大的提升，像素从100万、130万、200万到500万递增，有的厂家甚至宣称已将像素级别提升至2000万；在传输方式上，IP与HD-SDI均得到了较快发展，并各自占据了不小的市场份额。此外，在色彩还原度和智能分析等方面，高清摄像机也有了很大的改进。

    但由于技术不够成熟、成本较高等因素，高清摄像机产品的主流应用集中于政府、银行等高端市场，其他领域则仍以模拟产品为主。其中，目前高清摄像机普遍采用CMOS芯片，其色彩饱和度较低，质感和锐度的表现也略逊一筹，在光线不足的夜间，拍摄效果往往不太理想。基于此，一些厂家推出了960H 网络高清产品，采用索尼Effio方案，低照度、纯数字界面，影像像素达到近百万像索（960TVL），不仅白天能实现高清晰拍摄，夜间也能清晰彩色成像，有效地解决了高清摄像机的夜视难题。

    CMOS高清摄像机的局限性

    所谓CMOS，即互补性金属氧化物半导体，主是是用硅和锗所做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现其基本功能。与CCD（电荷耦合器件，是一种把从图像半导体中出来的电子组织起来的方法）一样，它们使用的都是“图像半导体”传感器，它是一种PN半导体，能将转换光线的光子结合成为成比例数量的电子。但为了将两者相区别，我们习惯性地分别称之为CMOS传感器或CCD传感器，但并不表明其处理影像的方法。

    与CCD传感器相比，CMOS传感器不需要复杂的信号处理过程，直接将图像半导体产生的电子转变成电压信号，可在短时间内处理大量数据，输出高清晰度视频，因此适应高清晰度摄像机需要。基于高集成度的优势，它的自动增益控制、自动曝光控制、伽马校正、背光补偿和自动黑点校正等功能都远强于CCD传感器。同时，为了使影像更便于进行网络传输，摄像机厂家正不断提高图像编码压缩处理的效率。如今，在130万（720P）以上像素高清摄像机的芯片技术用，CMOS已占据绝对优势。

    但在感光度方面，人眼能看到1Lux照度（相当于满月的晴天夜晚环境）以下的目标；CCD传感器比人眼还好，在0.1～0.3Lux之间；而CMOS传感器的感光度一般在6～15Lux之间，相当于CCD传感器的1/10～1/3，噪点亦高出CCD传感器近10倍。因此，在夜间光线不足的环境下，CMOS摄像机拍摄效果远逊于CCD摄像机。尽管将CMOS传感器做得非常大后，其感光度可与CCD传感器相当，但对DSP处理速度的要求也非常高，无形中拉升了CMOS摄像机的价格，短期内还无法大规模应用。

    未来，随着网络带宽问题的逐步解决，兼具大型工程建设成本和升级维护便利性等优势的高清摄像机将更大范围的应用，乃至成为监控摄像机的主流。但从目前来看，由于夜视等技术尚未成熟，加之成本较高，极大地制约了高清摄像机的普及。

    对绝大多数用户而言，夜间是各类违法犯罪事件的高发时段，亦即安防视频监控的关键时段。选择一款夜视效果不佳的摄像机，将使视频监控在时间上出现一个极大的盲区，无法满足全天候不间断安防的要求。但另一方面，“用户对看得更清楚”以及远程监控、智能分析等的需求同样迫切。这就要求摄像机在白天与夜间拍摄效果上找到一个平衡点，而不能简单地退回模拟摄像机的老路。由此，960H网络高清技术进入摄像机厂家的视野。

    Sony Effio-EN方案的夜视原理

    2009年，日本索尼公司推出Effio-E方案，官方标准方案是：4127+4816+673。通过Effio-E DSP与960H CCD（EX view HAD CCDⅡ）搭配，能达到700TVL水准的解析度，影像像素达到近百万像素（pixel）左右。与以往方案相比，它能提供更清晰的影像画面、更好的颜色饱和度和亮度。

    作为模拟摄像领域最领先的芯片技术之一，索尼Effio-E 方案具有高分辨率、高信噪比和高色彩还原度的“三高”优势。它在电子变焦后展示出更精细的图像，并通过3D降噪技术，有效降低低照度环境下的图像杂讯，保持图像的清晰度。加之更高的色彩还原度、宽范围的白平衡自动调整以及分区补偿功能，有效改善暗区细节和曝光过度的损失，最大限度地保证了所拍摄影像的完整性。

    在实际应用中，索尼Effio-E方案摄像机常搭配红外高清镜头，图像细节呈现优异，色彩还原真实艳丽、鲜艳、不偏色，而且图像锐利、光线亮度处理能力强，具有逼真的层次感，最大限度地实现日/夜成像画面。同时，采用最新一代点阵式LED光源（即IR Ⅳ技术），光电转化效率更高、功耗更低；伴以智能光技术，红外灯与白光灯同时补光，夜视可达到纯彩色效果。

    2012年，索尼公司对Effio-E方案进行升级，Effio-EN方案应运而生。与Effio-E方案相比，新的DSP的影像画质、感光度和颜色饱和度更趋于完美，有效像素接近百万。特别是在传输方式上，从模拟传输升级为数字传输，在影像的保真度上有了质的突破。

    采用数字信号传输

    在信号传输过程中，传统的模拟摄像机须先通过传感器将光信号转换成模拟电信号，接着转换成数字信号以进行模数转换与色度、亮度处理，再将数字信号模数转换并调制成PAL/NTSC制式标准模拟视频信号进行输出，到达DVR等后端设备时，由视频采集芯片将模拟信号转换成数字信号。在这过程中，共发生3次AD转换，可能造成一定程度的画质受损。当摄像机采用Sony Effio-EN方案时，这种传输方式已无法满足要求。

    因此，一些摄像机厂家对960H CCD摄像机的传输方式进行了改进，在摄像机内置网络模块，采用纯数字接口，省去了信号压缩转换的环节，提升了传输速度，并避免了传输过程中的信号受损。在传输方式和后端配备等方面，和百万网络高清摄像机实现了资源共享。

    当前，模拟摄像机仍占据着绝大多数市场份额，在CMOS高清摄像机技术仍不够成熟、成本也无法迅速下降的情势下，模拟视频监控仍将长期存在。尽管在政府、银行等高端市场，高清摄像机已率先应用，但对小区、店铺、小型超市、办公楼等中小型监控系统而言，CCD摄像机仍是性价比较高的选择。

    但也应看到，我国安防监控正从模拟视频监控向高清视频监控过渡，用户对“看得更清楚”以及远程监控、智能分析的要求越来越高，模拟摄像机的市场份额将逐渐缩小，高清摄像机则代表着行业的未来。在过渡期内，960H CCD 高清摄像机凭借白天与夜间效果同样出众的优势，有望在占行业多数监控领域得到更广泛的应用。进入全面高清时代后，它的夜视技术也可带给高清摄像机厂家一定的启迪。